Merkmale von Piezobolt Kraftaufnehmern
Robustheit gegenüber unerwünschten Einflüssen von Biege- und Torsionsmomenten
PiezoBolts konzentrieren das sensoraktive Material im Kern des Kraftaufnehmers. Das hat gegenüber Kraftmessringen und Kraftmessdosen den Vorteil, dass die Elementarsensorik zur Wandlung des Kraftsignals konstruktionsbedingt robust gegen Biegung und Torsion ist, denn Spannungen aus Biege- und Torsionsmomenten steigen im elastischen Fall linear mit zunehmenden Radius. Abbildung 1 verdeutlicht den Zusammenhang grafisch. Die Abbildung zeigt den Einfluss von Biege- und Torsionsmomenten zur Hauptmessrichtung bei verschiedenen Standard Kraftmesselementen. a) PiezoBolt von ConSenses GmbH, b) Kraftmessring, c) Kraftmessdose, d) applizierter DMS.
Bei Kraftmessringen und Kraftmessdosen liefern daher bei außermittiger Belastung oft suspekte Werte oder neigen zu Beschädigung, weshalb in den Einbaubedingungen deutlich auf Kompensation dieser störenden Einflüsse hingewiesen wird.
Aus Gründen der Vollständigkeit wird hier auch aufapplizierte DMS verwiesen, wenn DMS auf außen liegenden Oberflächen appliziert werden (häufiger Fall wegen Zugänglichkeit) erfassen sie typischerweise Dehnungen an Stellen, bei denen Einflüsse von Biegung und Torsion am höchsten sind.
Messung mit Kraftaufnehmern ohne Beeinträchtigung der Funktion des zu vermessenden Objektes
Da jede technische Kraftmessung im Grunde auf eine Dehnungsmessung zurückgeht, kommt es bei der Wahl des Messortes häufig zum Zielkonflikt: Einerseits ist die wertmäßig größte Signalausbeute (größte Kräfte) und eine eindeutige Kraftleitung (einachsiger Lastfall) gewünscht, andererseits besteht die Anforderung Sensoren einfach zu integrieren und die Steifigkeit des Systems so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. Abbildung 2 verdeutlicht das an typischen Lösungsmöglichkeiten, bei denen mit Hilfe von Standard-Kraftaufnehmern die anpressende bzw. abhebende Kraft zwischen zwei Platten erfasst werden soll. a) PiezoBolt, b) Kraftmessring, c) Kraftmessdose, d) Kraftmessring im Hauptkraftfluss.
Die nähere Betrachtung der Kraftaufnehmer-Integrationsvorschläge zeigt, dass PiezoBolts offensichtlich den geringsten Änderungsaufwand mit sich bringen. Noch wesentlicher ist in der praktischen Anwendung allerdings regelmäßig, dass die Lösungen b), c) und d) neben der eingangs erläuterten Empfindlichkeit hinsichtlich Momenteneinleitung oftmals signifikant die Steifigkeit des zu vermessenden Systems reduzieren. Darüber hinaus steigen bei Kraftmessdosen und Ringen wegen der notwendigen Tragfähigkeit die Preise typischerweise quadratisch mit dem Durchmesser, wohingegen das Invest für PiezoBolts im Wesentlichen unabhängig von der zu erfassenden Last ist.
Diese Vorteile können mit PiezoBolts nur erschlossen werden, weil das eingesetzte sensoraktive Material eine große Signalausbeute ermöglicht und der spezielle Sensoraufbau über den Arbeitsbereich hervorragende Linearitätseigenschaften ermöglicht. DMS- oder ultraschallbasierte Schraubensensoren können dieses Auflösungsvermögen für Kraftsignale prinzipbedingt nicht erreichen.
Vorspannung von Piezo-Kraftaufnehmern, um lineare Signale im Einbaufall zu erreichen
Eine besondere Eigenschaft von PiezoBolts gegenüber anderen piezobasierten Kraftaufnehmern ist, dass das integrierte Piezomaterial dann maximal vorgespant ist, wenn der Sensor noch nicht montiert ist. Sobald der PiezoBolt in der Kraftmessstelle eingebracht wird, reduziert das die Vorspannung des Piezomaterials. Für Messungen im Dauerbetrieb bedeutet diese Eigenschaft, dass der Elementarsensor praktisch nicht überbelastet werden kann. Praktisch versagt die schraubenförmige Tragstruktur, bevor die Sensorfunktion Schaden nehmen kann.
Natürlich kann die Aufbringung der Vorspannkraft auch während der Kraftsensormontage gemessen werden. Das erlaubt die sehr präzise Einstellung der Montagebedingungen des Kraftaufnehmers. Das eröffnet weitere Einsatzoptionen, beispielsweise bei der Analyse von Schraubfällen.
Typische Einbauorte von PiezoBolt Kraftaufnehmern in Strukturkomponenten
Typische Einbauorte für ConSenses PiezoBolt Kraftaufnehmer sind lasttragende Maschinenkomponenten. Abbildung 3 zeigt die Integration beispielhaft an Stab- und Profilartigen Trägern. Die Krafterfassung erfolgt über Querkontraktion an Stäben a) und Profilen b). Während an der Einbaustelle a) von axialen Kraftflüssen ausgegangen wird, ermöglicht die räumlich verteilte Integration mehrerer PiezoBolts auch die sichere Auflösung mehrerer Kraftkomponenten. Gegenüber DMS ist hier der Vorteil, dass lokale Dehnungsspitzen an der Oberfläche die Messungen nicht verzerren und die ausgesprochen gute Signalausbeute auch bei kleinen Dehnungen sehr gute Rückschlüsse auf die anliegenden Kräfte und Momente erlaubt.
Typische Einbauorte von PiezoBolt Kraftaufnehmern in Baugruppen
Selbstredend können PiezoBolt Kraftaufnehmer ihre Stärken auch bei der Integration in Baugruppen ausspielen. Abbildung 4 zeigt typische Einbausituationen die so oder in variierter Form regelmäßig zum Einsatz kommen. Beispielhafte Kraftmessorte im Kontext von Baugruppen sind: a) Lagerdeckel oder Flanschverschraubung, b) Lagerbock oder Flansch mit Querbelastung, c) Modifikation von Druckstücken, d) Krafterfassung in Hinterlagen oder bei Zusammenbauten.
Bei den Messstellen a), b), und d) können schraubentechnische Grundkenntnisse zur Bewertung des Krafteinleitungsfalls für die Bewertung des zu erwartenden Messergebnisses herangezogen werden. Anwendungsfall c) lässt sich über die Abschätzung des Dehnungsfeldes infolge von Querkontraktion bewerten.
Zusammenfassung
PiezoBolts sind präzise Kraftaufnehmer, die durch Ihre Bauform in Schraubenform besonders leicht zu integrieren sind. Neben den Handhabungsvorteilen bietet der Sensoraufbau mit zentral liegendem Elementar-Kraftaufnehmer insbesondere technologische Vorteile hinsichtlich der Robustheit gegenüber Kipp- und Torsionsmomenten sowie der Langlebigkeit.
Für den Industriellen Einsatz ebenso wie für Laboranwendung bestehen umfassende und langjährig erprobte Lösungen für die geeignete Signalübertragungen. ConSenses Erfassungssysteme, Auswerte- und Berichtssoftware für Einzelsysteme und Systemflotten und begleitende Sensorik runden typischerweise Messsysteme ab.