Ringkraftaufnehmer für Schraubenvorspannung: Querkräfte vermeiden

→ Produktkategorie: Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren

 

Ein Ringkraftaufnehmer kann die tatsächliche Vorspannkraft einer Schraubverbindung direkt erfassen, wenn die Schraubenkraft zentrisch, axial und ohne störende Quer- oder Biegemomente durch den Sensor geleitet wird.

Damit unterscheidet sich die Messung deutlich von der üblichen Montage über ein vorgegebenes Anziehdrehmoment. Das Drehmoment ist lediglich eine indirekte Größe, deren Zusammenhang mit der resultierenden Vorspannkraft stark von Reibung an Gewinde und Auflageflächen beeinflusst wird.

Ein Ringkraftaufnehmer wird dagegen direkt in den Kraftfluss der Schraubverbindung eingebaut und arbeitet praktisch als messende Unterlegscheibe.

Für ein zuverlässiges Messergebnis sind insbesondere folgende Punkte entscheidend:

• passender Messbereich,
• zentrische Schraubenführung,
• parallele und ausreichend harte Auflageflächen,
• gleichmäßige Krafteinleitung über die Ringfläche,
• Vermeidung von Querkräften und Kippmomenten,
• reproduzierbare Einbaulage,
• geeignete Messverstärkung und Kalibrierung.

Die Genauigkeit einer Vorspannkraftmessung wird deshalb nicht allein vom Kraftaufnehmer bestimmt. Schon eine schiefe Auflagefläche, eine zu weiche Unterlegscheibe oder eine außermittige Schraube kann die Krafteinleitung verändern und damit das Messergebnis deutlich beeinflussen.

Ein besonders passendes Produkt aus dem ICS-Portfolio ist der WIKA F6804 Ringkraftaufnehmer. Er wurde speziell für Schrauben- und Vorspannkraftmessungen entwickelt und ist für Nennkräfte von 3 kN bis 450 kN verfügbar.

Weitere Lösungen finden Sie unter Ringkraftaufnehmer sowie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl- und Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.

Wie misst ein Ringkraftaufnehmer die Schraubenvorspannung?

Ein Ringkraftaufnehmer ist ein Druckkraftaufnehmer mit einer zentralen Durchgangsbohrung.

Die Schraube beziehungsweise der Bolzen wird durch diese Bohrung geführt, während der Sensor zwischen zwei kraftübertragenden Flächen liegt.

Beim Anziehen der Schraube entsteht:

• eine Zugkraft in der Schraube,
• eine entsprechende Druckkraft in den verspannten Bauteilen.

Der Ringkraftaufnehmer befindet sich innerhalb dieses Druckkraftpfades und misst die durch ihn übertragene Kraft.

Im statischen Gleichgewicht

entspricht die gemessene Druckkraft im Wesentlichen der Vorspannkraft der Schraube, sofern der Kraftfluss vollständig durch den Sensor geführt wird und keine zusätzlichen Kraftpfade vorhanden sind.

Der F6804 ist speziell für diesen Anwendungsfall konstruiert und kann deshalb als:

messende Unterlegscheibe

eingesetzt werden.

Was ist die Schraubenvorspannkraft?

Beim Anziehen einer Schraube wird diese elastisch gedehnt.

Gleichzeitig werden die verspannten Bauteile zusammengedrückt.

Die dadurch erzeugte innere Kraft wird als Vorspannkraft bezeichnet.

Sie ist unter anderem wichtig für:

• sicheren Kraftschluss,
• Dichtheit von Flanschverbindungen,
• Vermeidung von Relativbewegungen,
• Dauerfestigkeit der Schraube,
• reproduzierbare Montageprozesse.

Zu geringe Vorspannkraft

kann beispielsweise zu:

• Losdrehen,
• Fugenöffnung,
• Leckage,
• wechselnder Schraubenbelastung

führen.

Zu hohe Vorspannkraft

kann dagegen:

• Schraube oder Gewinde überlasten,
• Bauteile plastisch verformen,
• Dichtungen beschädigen,
• den Kraftaufnehmer überlasten.

Eine direkte Kraftmessung ist deshalb insbesondere bei Prüfständen, Entwicklungsaufgaben und kritischen Montageprozessen sinnvoll.

Warum reicht das Anziehdrehmoment nicht als Kraftmessung?

Bei vielen Schraubverbindungen wird die Montage über ein festgelegtes Drehmoment gesteuert.

Das Anziehdrehmoment wird jedoch nur teilweise in eine Dehnung der Schraube und damit in Vorspannkraft umgesetzt.

Ein großer Teil wird für die Überwindung von Reibung benötigt.

Relevant sind insbesondere:

• Gewindereibung,
• Kopfreibung beziehungsweise Mutterauflage,
• Schmierzustand,
• Oberflächenbeschichtung,
• Werkstoffpaarung,
• Oberflächenrauheit.

Gleiches Drehmoment bedeutet deshalb nicht automatisch gleiche Vorspannkraft

Werden beispielsweise zwei baugleiche Schrauben mit demselben Drehmoment angezogen, aber eine Verbindung ist geschmiert und die andere trocken, können unterschiedliche Vorspannkräfte entstehen.

Der Ringkraftaufnehmer misst dagegen direkt die resultierende mechanische Kraft.

Für Entwicklungs- und Prüfaufgaben ist die direkte Vorspannkraftmessung deshalb besonders hilfreich, um den tatsächlichen Zusammenhang zwischen Drehmoment, Reibzustand und Schraubenkraft zu untersuchen.

Ringkraftaufnehmer richtig in den Kraftfluss einbauen

Der Sensor muss so eingebaut werden, dass die gesamte relevante Schraubenkraft durch seine Messstruktur fließt.

Ein typischer Aufbau besteht aus:

Schraubenkopf beziehungsweise Mutter → Lastverteilung → Ringkraftaufnehmer → Auflagefläche

Die Schraube läuft dabei durch die zentrale Bohrung des Sensors.

Wichtig ist ein geschlossener axialer Kraftpfad

Die Kraft darf nicht teilweise über:

• benachbarte Distanzstücke,
• seitliche Anschläge,
• Gehäuseteile,
• zusätzliche parallele Auflageflächen

am Sensor vorbeigeleitet werden.

Andernfalls misst der Kraftaufnehmer nur einen Teil der tatsächlichen Vorspannkraft.

Warum die zentrische Krafteinleitung entscheidend ist

Beim WIKA F6804 fordert der Hersteller ausdrücklich eine zentrische und querkraftfreie Einleitung der Messkraft.

Die resultierende Druckkraft sollte möglichst symmetrisch durch die Ringgeometrie verlaufen.

Bei idealer Montage

liegt die Schraubenachse möglichst konzentrisch zur Mittelachse des Kraftaufnehmers.

Die Belastung verteilt sich gleichmäßig über die dafür vorgesehene Ringfläche.

Bei außermittiger Belastung

entsteht dagegen eine unsymmetrische Verformung des Messkörpers.

Der Sensor reagiert dann nicht mehr ausschließlich auf die gewünschte axiale Druckkraft.

Mögliche Folgen sind:

• Messwertabweichung,
• schlechtere Wiederholbarkeit,
• unterschiedliche Ergebnisse nach erneuter Montage,
• mechanische Überbeanspruchung einzelner Bereiche.

Wie entstehen Querkräfte und Kippmomente?

Querkräfte entstehen, wenn die resultierende Kraft nicht exakt parallel zur Sensorachse verläuft.

Typische Ursachen sind:

• schräg stehende Schraube,
• nicht parallele Auflageflächen,
• seitlich verschobene Mutter,
• verformte Druckscheibe,
• einseitige Bauteilauflage,
• seitliche Belastung während der Montage.

Kippmoment durch schiefe Auflage

Wenn eine Seite des Kraftaufnehmers früher belastet wird als die gegenüberliegende Seite, entsteht eine exzentrische Krafteinleitung.

Der Ring wird dadurch zusätzlich gebogen.

Genau diese Belastungsart sollte vermieden werden.

Auch das Anziehen selbst kann Querkräfte erzeugen

Beim Drehen einer Mutter oder Schraube entstehen Reibkräfte an der Auflagefläche.

Deshalb muss die konstruktive Gestaltung sicherstellen, dass daraus keine unzulässige Torsions- oder Querbelastung des Sensors entsteht.

Auflageflächen richtig vorbereiten

Für den F6804 verlangt WIKA eine ebene und ausreichend harte Auflagefläche.

Der Grund dafür ist die sehr kompakte Sensorgeometrie.

Eine weiche oder unebene Fläche kann sich unter Last unterschiedlich verformen und damit die Kraftverteilung über den Ring verändern.

Geeignete Auflageflächen sollten

• eben,
• sauber,
• frei von Graten,
• ausreichend steif,
• ausreichend hart

sein.

Problematisch sind beispielsweise

• Lackreste,
• Schweißspritzer,
• Beschädigungen,
• weiche Kunststoffzwischenlagen,
• punktförmige Auflagen.

Die Qualität der mechanischen Auflage ist Bestandteil der Messkette und nicht lediglich eine Montagefrage.

Lastverteilung über Scheiben und Druckstücke

Je nach Schrauben- und Sensorgeometrie kann eine ausreichend steife Lastverteilung zwischen Mutter beziehungsweise Schraubenkopf und Kraftaufnehmer erforderlich sein.

Die Aufgabe einer solchen Zwischenlage besteht darin, die Schraubenkraft möglichst gleichmäßig auf die vorgesehene Ringfläche zu übertragen.

Eine zu dünne oder zu weiche Scheibe kann sich durchbiegen

Dadurch konzentriert sich die Belastung stärker in der Nähe der Schraube und verteilt sich nicht gleichmäßig über den Sensor.

Bei hohen Kräften sollte deshalb geprüft werden, ob:

• eine gehärtete Scheibe,
• ein geschliffenes Druckstück,
• eine speziell ausgelegte Lastverteilerplatte

erforderlich ist.

Die tatsächliche Gestaltung muss dabei zur Geometrie und den Herstellervorgaben des eingesetzten Kraftaufnehmers passen.

Innendurchmesser und Schraubendurchmesser richtig wählen

Die Durchgangsbohrung des Ringkraftaufnehmers muss zur eingesetzten Schraube beziehungsweise zum Bolzen passen.

Zu wenig Spiel

kann dazu führen, dass die Schraube den Sensor seitlich berührt.

Dadurch können Querkräfte beziehungsweise zusätzliche Kraftpfade entstehen.

Zu großes Spiel

erleichtert zwar die Montage, erhöht aber die Gefahr einer außermittigen Positionierung.

Bei der konstruktiven Auslegung sollte deshalb eine reproduzierbare Zentrierung vorgesehen werden, ohne die Schraube am Sensorkörper seitlich abzustützen.

Messbereich richtig dimensionieren

Der Messbereich sollte zur tatsächlich erwarteten maximalen Vorspannkraft passen.

Der WIKA F6804 ist mit Nennkräften von:

3, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 200, 300 und 450 kN

verfügbar.

Ein zu großer Messbereich

reduziert die nutzbare Signaländerung für kleine Schraubenkräfte.

Ein zu kleiner Messbereich

birgt dagegen die Gefahr einer Überlastung beim Anziehen.

Als Grenzkraft sind für den F6804:

150 % Fnom

angegeben.

Die Bruchkraft liegt bei:

200 % Fnom

.

Diese Grenzwerte sind jedoch keine regulären Arbeitsbereiche. Die vorgesehene Schraubenvorspannkraft sollte innerhalb des spezifizierten Nennmessbereiches liegen.

Messwert bereits während der Montage überwachen

Bei Schraubverbindungen kann die Kraft während des Anziehens sehr schnell steigen.

WIKA empfiehlt deshalb ausdrücklich, den Kraftaufnehmer bereits während der Montage elektrisch anzuschließen und den Messwert zu überwachen.

Das bietet zwei Vorteile

• die gewünschte Vorspannkraft kann direkt beobachtet werden,
• eine versehentliche Überlastung des Sensors lässt sich früher erkennen.

Bei einem Montageversuch sollte daher nicht zuerst vollständig angezogen und erst anschließend das Messgerät angeschlossen werden.

Die Kraftmessung sollte bereits vor dem Beginn des eigentlichen Anziehvorgangs betriebsbereit sein.

mV/V-Signal richtig auswerten

Der F6804 arbeitet mit einem DMS-basierten Brückensignal.

Der Nennkennwert beträgt:

1,0 ±10 % mV/V

bei einer empfohlenen Versorgung von:

5 V DC

mit maximal:

10 V DC

Beispiel

Bei einer Brückenspeisung von 5 V ergibt ein Nennkennwert von 1 mV/V bei Nennkraft ungefähr:

5 mV Ausgangssignal

Das ist ein sehr kleines Messsignal.

Für die praktische Auswertung wird deshalb ein geeigneter:

• DMS-Messverstärker,
• Wägeindikator,
• Messdatenerfassungseingang

benötigt.

Wichtig für die Verkabelung

Bei Millivolt-Signalen können Störungen und Spannungsabfälle eine größere Rolle spielen als bei bereits verstärkten Industriesignalen.

Deshalb sind:

• geeignete geschirmte Messleitungen,
• saubere Steck- beziehungsweise Klemmverbindungen,
• Trennung zu störenden Leistungsleitungen

besonders wichtig.

Kalibrierung und Einbaulage berücksichtigen

Ein Ringkraftaufnehmer kann empfindlich auf die konkrete mechanische Einbausituation reagieren.

WIKA weist beim F6804 ausdrücklich darauf hin, dass die kleine Geometrie empfindlich auf veränderte beziehungsweise unterschiedliche Einbaulagen reagiert.

Für eine unveränderte Einbaustellung wird im Datenblatt eine relative Spannweite von:

0,5 % Fnom

angegeben.

Für reproduzierbare Messungen bedeutet das

Die mechanische Einbausituation sollte möglichst konstant bleiben.

Werden zwischen zwei Messungen beispielsweise geändert:

• Auflageplatte,
• Lastverteilerscheibe,
• Schraubenposition,
• Anzugsseite,
• Montageorientierung,
• Kontaktflächen,

kann sich auch das Messergebnis verändern.

Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte die Kalibrierung beziehungsweise Überprüfung deshalb möglichst die reale mechanische Einbausituation berücksichtigen.

Einfluss des Sensors auf die Schraubverbindung

Das Einsetzen eines Ringkraftaufnehmers verändert die Geometrie und die Steifigkeit der ursprünglichen Schraubverbindung.

Der Sensor besitzt eine definierte Bauhöhe und elastische Verformung.

Dadurch können sich verändern

• Klemmlänge der Schraube,
• Steifigkeitsverhältnis zwischen Schraube und verspannten Bauteilen,
• Setzverhalten,
• erforderliche Schraubenlänge.

Das ist besonders wichtig, wenn der Ringkraftaufnehmer nur vorübergehend zur Untersuchung einer bestehenden Serienverschraubung eingesetzt wird.

Die mit Sensor gemessene Verbindung ist mechanisch nicht in jedem Fall exakt identisch mit der späteren Verbindung ohne Sensor.

Für Entwicklungsversuche

sollte deshalb geprüft werden, ob:

• der Sensor dauerhaft Teil der Konstruktion ist,
• eine spezielle Messverschraubung aufgebaut wird,
• der Einfluss der zusätzlichen Bauhöhe berücksichtigt werden muss.

Statische und dynamische Schraubenkräfte unterscheiden

Der F6804 eignet sich besonders zur Ermittlung von Schrauben- und Vorspannkräften.

Bei einer rein statischen Messung wird beispielsweise die Vorspannkraft unmittelbar nach dem Anziehen bestimmt.

Im realen Betrieb können zusätzlich auftreten

• wechselnde Betriebskräfte,
• Vibrationen,
• thermische Ausdehnung,
• Setzerscheinungen,
• Relaxation.

Dadurch kann sich die gemessene Schraubenkraft während des Betriebs verändern.

Für eine Langzeituntersuchung muss deshalb neben dem Kraftaufnehmer auch die eingesetzte Messdatenerfassung für die gewünschte zeitliche Auflösung geeignet sein.

Temperatureinflüsse berücksichtigen

Auch ein DMS-Kraftaufnehmer besitzt temperaturabhängige Eigenschaften.

Für den F6804 ist ein Nenntemperaturbereich von:

-10 … +60 °C

angegeben.

Der Gebrauchstemperaturbereich beträgt:

-20 … +80 °C

.

Der Temperatureinfluss auf Nullsignal und Kennwert wird jeweils mit:

0,05 % Fnom / 10 °C

angegeben.

Bei Temperaturversuchen

sollten daher Sensor und Schraubverbindung ausreichend thermisch stabilisiert werden.

Zusätzlich kann die Temperatur selbst die Schraubenvorspannung verändern, wenn Schraube und verspannte Bauteile unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

Eine Veränderung des gemessenen Kraftwertes bei Temperaturänderung muss deshalb nicht ausschließlich vom Sensor stammen, sondern kann eine tatsächliche Änderung der Schraubenkraft darstellen.

Praxisbeispiel: Vorspannkraft einer Schraubverbindung prüfen

In einem Prüfstand soll untersucht werden, welche Vorspannkraft bei einem festgelegten Anziehdrehmoment tatsächlich erreicht wird.

Versuchsaufbau

• Schraube durch die zentrale Bohrung des Ringkraftaufnehmers,
• ebene und ausreichend harte Gegenfläche,
• steife Lastverteilung zwischen Mutter und Sensor,
• Sensor konzentrisch zur Schraubenachse,
• DMS-Messverstärker bereits vor dem Anziehen angeschlossen.

Vorgesehene Vorspannkraft

40 kN

Für die Anwendung wird beispielsweise eine F6804-Ausführung mit geeignetem Nennmessbereich oberhalb der maximal zu erwartenden Schraubenkraft gewählt.

Erster Versuch

Die Schraube wird auf das definierte Drehmoment angezogen.

Gemessene Vorspannkraft:

36 kN

Zweiter Versuch mit gleicher Schraube und gleichem Drehmoment

Nach einer Änderung des Schmierzustandes beträgt die gemessene Kraft:

43 kN

Das Beispiel zeigt unmittelbar, dass das gleiche Drehmoment nicht zwingend dieselbe Vorspannkraft erzeugt.

Zusätzliche Wiederholungsprüfung

Schwanken die Kraftwerte trotz identischem Montageprozess stark, sollte nicht sofort der Sensor verdächtigt werden.

Zu prüfen sind insbesondere:

• Reibbedingungen,
• Auflageflächen,
• Zentrierung,
• Schraubenqualität,
• Setzverhalten,
• Wiederholbarkeit der Montageposition.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Messwert ändert sich nach erneutem Einbau deutlich	andere Einbaulage oder Kraftverteilung	Auflageflächen und Zentrierung vergleichen
Messwert steigt beim seitlichen Bewegen der Schraube	Querlast beziehungsweise Kontakt mit Sensorbohrung	Schraubenführung und radialen Freigang prüfen
Unterschiedliche Werte bei gleicher Vorspannung erwartet	exzentrische Krafteinleitung	Sensor und Lastverteilung neu zentrieren
Nullpunkt verändert sich nach Montage	mechanische Vorspannung oder verkantete Auflage	Sensor entlasten und Montageflächen prüfen
Sensor zeigt beim Anziehen plötzlich sehr hohe Kraft	Messbereich zu klein oder Lastspitze	Montage stoppen und Nennkraft überprüfen
Messwert driftet nach dem Anziehen	Setzen der Verbindung oder Kriechen	Kraftverlauf über definierte Zeit beobachten
Signal stark verrauscht	mV/V-Signal durch EMV beeinflusst	Schirmung und Leitungsführung prüfen
Sensor reagiert auf Drehbewegung der Mutter	Torsion beziehungsweise Reibmoment wird eingeleitet	Lastverteilung und Montagekonzept prüfen
Werte ändern sich mit Temperatur	Sensor- und/oder reale Schraubkraftänderung	Temperatur mit aufzeichnen und System thermisch stabilisieren
Kraft ist deutlich kleiner als aus Drehmoment erwartet	Reibung oder paralleler Kraftpfad	Schraubprozess und Kraftfluss prüfen
Ring zeigt sichtbare einseitige Druckspuren	ungleichmäßige Auflage	Auflagefläche und Druckstück ersetzen beziehungsweise nacharbeiten

Empfohlener Mess- und Montageablauf

1. Maximale Vorspannkraft bestimmen: Erwarteten Kraftbereich und mögliche Montagespitzen berücksichtigen.
2. Passenden Nennmessbereich auswählen: Sensor nicht unnötig groß, aber mit ausreichender Überlastreserve dimensionieren.
3. Innendurchmesser prüfen: Schraube muss frei und ohne seitlichen Kontakt durch den Sensor geführt werden.
4. Auflageflächen kontrollieren: Ebenheit, Härte, Sauberkeit und Gratfreiheit sicherstellen.
5. Lastverteilung festlegen: Ausreichend steife Scheibe beziehungsweise geeignetes Druckstück verwenden.
6. Sensor zentrieren: Schraubenachse möglichst konzentrisch durch die Ringmitte führen.
7. Querkräfte vermeiden: Schiefe und seitliche Belastungen ausschließen.
8. Messverstärker anschließen: Sensor bereits vor dem Anziehen elektrisch betriebsbereit machen.
9. Nullpunkt kontrollieren: Vor Belastung korrekt nullen beziehungsweise Ausgangssignal dokumentieren.
10. Schraube kontrolliert anziehen: Kraftwert während des gesamten Montagevorgangs beobachten.
11. Nennkraft nicht überschreiten: Bei ungewöhnlichem Kraftanstieg Montage sofort stoppen.
12. Endwert dokumentieren: Vorspannkraft direkt nach dem Anziehen erfassen.
13. Setzverhalten beobachten: Bei Bedarf Kraft nach einer definierten Wartezeit erneut erfassen.
14. Montage wiederholen: Wiederholbarkeit über mehrere Schraubvorgänge prüfen.
15. Temperatur dokumentieren: Besonders bei vergleichenden Präzisionsmessungen.
16. Einbausituation konstant halten: Auflage, Zentrierung und Kraftpfad zwischen Messungen nicht verändern.
17. Ergebnisse bewerten: Vorspannkraft, Drehmoment und gegebenenfalls Reib- oder Prozessparameter gemeinsam betrachten.

Passende Ringkraftaufnehmer bei ICS Schneider

WIKA F6804 – speziell für Schrauben- und Vorspannkräfte

Der WIKA F6804 ist für die Messung von Druckkräften ausgelegt und speziell für Schrauben- und Vorspannkraftmessungen konstruiert.

Zu den wichtigsten technischen Daten gehören:

• Nennkräfte: 3 … 450 kN,
• relative Linearitätsabweichung: 2 % F_nom,
• Nennkennwert: 1,0 ±10 % mV/V,
• Grenzkraft: 150 % F_nom,
• Bruchkraft: 200 % F_nom,
• Messkörper: CrNi-Stahl,
• Schutzart: IP65,
• Nenntemperaturbereich: -10 … +60 °C.

Besonders relevant für Schraubverbindungen ist die Herstellerangabe, dass die Messkraft:

zentrisch und querkraftfrei

eingeleitet werden muss.

Ebenso sind ebene und ausreichend harte Auflageflächen erforderlich.

WIKA F6212 – flacher Ringkraftaufnehmer bis 100 kN

Wenn insbesondere eine geringe Bauhöhe beziehungsweise ein größerer Innendurchmesser benötigt wird, kann auch der WIKA F6212 interessant sein.

Die Baureihe bietet:

• Nennkräfte von 2 kN bis 100 kN,
• flache Bauweise,
• Druckkraftmessung,
• Messkörper aus CrNi-Stahl,
• Schutzart IP65.

Der F6212 ist insbesondere für allgemeine statische Kraftmessungen mit Ringgeometrie sowie für Spindel- und Pressenanwendungen vorgesehen.

Für die direkte Ermittlung von Schraubenvorspannungen ist der F6804 jedoch die besonders passende Produktauswahl, da WIKA diesen Sensor ausdrücklich für Schraubenkräfte und den Einsatz als messende Unterlegscheibe vorsieht.

Weitere Ausführungen finden Sie unter Ringkraftaufnehmer bei ICS Schneider.

Fazit

Ringkraftaufnehmer ermöglichen eine direkte und sehr anschauliche Messung der tatsächlich entstehenden Schraubenvorspannkraft und sind damit besonders für Entwicklung, Prüfstände und Montageuntersuchungen geeignet.

Die Kraft muss axial eingeleitet werden

Schraubenachse und Sensormitte sollten möglichst konzentrisch zueinander liegen.

Querkräfte und Kippmomente verfälschen die Messung

Schiefe Auflageflächen, seitlicher Schraubenkontakt oder eine ungleichmäßige Lastverteilung müssen vermieden werden.

Die Auflageflächen gehören zur Messkette

Sie müssen eben, ausreichend hart und mechanisch stabil sein.

Die Last muss gleichmäßig verteilt werden

Zu weiche oder sich durchbiegende Scheiben können die Ringfläche ungleichmäßig belasten.

Der Messbereich muss zur Schraubenkraft passen

Ein zu kleiner Sensor kann beim Anziehen überlastet werden, während ein unnötig großer Messbereich die nutzbare Signalauflösung reduziert.

Der Sensor sollte bereits während des Anziehens gemessen werden

Dadurch lässt sich sowohl die gewünschte Vorspannkraft einstellen als auch eine Überlast frühzeitig erkennen.

Die Einbausituation muss reproduzierbar bleiben

Bei kompakten Ringkraftaufnehmern können Veränderungen der mechanischen Montage das Messergebnis beeinflussen.

Für die Praxis gilt

Maximale Schraubenkraft bestimmen → passenden Messbereich auswählen → Schraube und Sensor konzentrisch ausrichten → ebene und harte Auflageflächen schaffen → ausreichend steife Lastverteilung vorsehen → Querkräfte und Kippmomente vermeiden → Messverstärker vor dem Anziehen anschließen → Nullpunkt prüfen → Vorspannkraft während der Montage überwachen → Setzverhalten erfassen → Einbausituation bei Vergleichsmessungen unverändert halten.

FAQ: Ringkraftaufnehmer für Schraubenvorspannung richtig einsetzen

Was ist ein Ringkraftaufnehmer?

Ein Ringkraftaufnehmer ist ein Kraftsensor mit zentraler Durchgangsbohrung, der Druckkräfte im direkten Kraftfluss messen kann.

Kann man damit die Vorspannkraft einer Schraube messen?

Ja. Ein speziell dafür ausgelegter Ringkraftaufnehmer kann wie eine messende Unterlegscheibe in die Schraubverbindung eingebaut werden.

Welcher WIKA-Sensor ist speziell für Schraubenvorspannungen geeignet?

Der WIKA F6804 ist ausdrücklich für Schrauben- und Vorspannkraftmessungen ausgelegt.

Wie wird der Ringkraftaufnehmer montiert?

Die Schraube wird durch die zentrale Bohrung geführt und der Sensor innerhalb des axialen Kraftpfades zwischen geeigneten Auflageflächen montiert.

Warum muss die Schraube zentrisch durch den Sensor laufen?

Eine außermittige Position führt zu einer ungleichmäßigen Belastung der Ringgeometrie und kann dadurch den Messwert beeinflussen.

Was bedeutet querkraftfreie Krafteinleitung?

Die Messkraft soll ausschließlich axial durch den Kraftaufnehmer wirken. Seitliche Kräfte und Kippmomente sollen vermieden werden.

Was verursacht Querkräfte?

Typische Ursachen sind schiefe Schrauben, unebene Auflagen, seitlicher Kontakt zwischen Schraube und Sensorgehäuse oder exzentrisch belastete Druckstücke.

Warum müssen die Auflageflächen hart sein?

Weiche Flächen können sich unter Last verformen und dadurch die Kraftverteilung auf dem Sensor verändern.

Warum müssen die Auflageflächen eben sein?

Eine unebene Fläche belastet den Ring zunächst nur partiell und erzeugt dadurch eine exzentrische Kraft- beziehungsweise Biegebeanspruchung.

Brauche ich zusätzliche Unterlegscheiben?

Das hängt von der Konstruktion ab. Entscheidend ist eine ausreichend steife und gleichmäßige Kraftverteilung auf der vorgesehenen Ringfläche.

Kann eine normale dünne Unterlegscheibe problematisch sein?

Ja. Wenn sie sich unter hoher Schraubenkraft deutlich durchbiegt, kann die Kraft ungleichmäßig in den Sensor eingeleitet werden.

Ist das Anziehdrehmoment gleich der Schraubenvorspannkraft?

Nein. Das Anziehdrehmoment wird stark von Reibung im Gewinde und unter Schraubenkopf beziehungsweise Mutter beeinflusst.

Warum ist die direkte Kraftmessung besser für Versuche?

Sie erfasst die tatsächlich resultierende Vorspannkraft und ermöglicht damit eine direkte Beurteilung des Montageprozesses.

Welche Messbereiche bietet der WIKA F6804?

Der F6804 ist mit Nennkräften von 3 kN bis 450 kN verfügbar.

Welche Linearitätsabweichung besitzt der F6804?

Für den F6804 wird eine relative Linearitätsabweichung von 2 % der Nennkraft angegeben.

Welches Ausgangssignal besitzt der F6804?

Der Nennkennwert beträgt 1,0 ±10 % mV/V.

Benötigt der F6804 einen Messverstärker?

Für die praktische Auswertung des sehr kleinen mV/V-Brückensignals wird üblicherweise ein geeigneter DMS-Messverstärker oder eine entsprechende Messdatenerfassung verwendet.

Welche Versorgung benötigt der F6804?

Im Datenblatt wird eine Speisespannung von 5 V DC mit maximal 10 V DC angegeben.

Kann ich den Sensor erst nach dem Anziehen anschließen?

Technisch wäre eine spätere Messung möglich, WIKA empfiehlt jedoch, den Sensor bereits während der Montage anzuschließen und den Messwert zu überwachen, um eine Überlast zu vermeiden.

Wie hoch darf der F6804 überlastet werden?

Als Grenzkraft werden 150 % der Nennkraft angegeben. Dieser Wert ist jedoch kein regulärer Messbereich.

Kann der Sensor durch eine zu hohe Vorspannkraft beschädigt werden?

Ja. Deshalb sollten der passende Nennmessbereich gewählt und der Messwert bereits während des Anziehens beobachtet werden.

Kann die Einbaulage den Messwert beeinflussen?

Ja. WIKA weist ausdrücklich darauf hin, dass die kompakte Geometrie des F6804 empfindlich auf unterschiedliche beziehungsweise veränderte Einbausituationen reagiert.

Warum ändert sich die Schraubenkraft nach dem Anziehen noch?

Setzvorgänge, Relaxation, Temperaturänderungen und mechanische Anpassungen der Kontaktflächen können die Vorspannkraft nachträglich verändern.

Kann ich den Kraftaufnehmer dauerhaft in der Schraubverbindung lassen?

Das ist grundsätzlich eine konstruktive Anwendungsfrage. Dabei müssen Bauhöhe, Messbereich, Umgebungsbedingungen, Kabelschutz und die Auswirkungen des Sensors auf die Verbindung berücksichtigt werden.

Verändert der Ringkraftaufnehmer die Schraubverbindung?

Ja. Durch seine zusätzliche Bauhöhe und Steifigkeit verändert er unter Umständen Klemmlänge und Steifigkeitsverhältnis der Verbindung.

Kann ich den Sensor für dynamische Kraftänderungen verwenden?

Kraftänderungen können grundsätzlich erfasst werden, sofern Sensor, Montage und nachgeschaltete Messdatenerfassung für die gewünschte Dynamik geeignet sind.

Welchen Temperaturbereich besitzt der F6804?

Der Nenntemperaturbereich beträgt -10 … +60 °C, der Gebrauchstemperaturbereich -20 … +80 °C.

Welche Schutzart besitzt der F6804?

Der Ringkraftaufnehmer besitzt die Schutzart IP65.

Welche Alternative gibt es bei besonders flacher Bauform?

Der WIKA F6212 ist ein flacher Ringkraftaufnehmer für Druckkräfte bis 100 kN.

Wo finde ich weitere Ringkraftaufnehmer?

Weitere Ausführungen finden Sie unter Ringkraftaufnehmer bei ICS Schneider.