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Kraftmessung
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Kraftmessung

Unter Kraftmessung versteht man die Ermittlung der zwischen zwei Körpern wirkenden Kraft. Hierzu werden mechanische, hydraulische oder elektronische Kraftaufnehmer verwendet, die je nach Bauart auch als Kraftmesser, Kraftmessdose, Kraftsensor oder Dynamometer bezeichnet werden. Im weiteren Sinn wird der Begriff Kraftmessung auch auf Prüfeinrichtungen wie Universal-Prüfmaschinen angewendet, die mit einer definierten, einstellbaren Kraft das Messobjekt verformen, um Material- und Werkstoffeigenschaften oder mechanische Eigenschaften von Komponenten zu prüfen. 

Arten der Kraftmessung

Direkte Kraftmessung

Bei der direkten Kraftmessung wird der Kraftaufnehmer exakt in die Kraftachse zwischen zwei Körpern (oder Maschinenelementen) eingebaut. Dabei ist der eine Körper in der Regel fixiert und der zweite wird in der Kraftachse bewegt. Auf diese Weise können einachsige Kraftaufnehmer die resultierende Kraft in der Bewegungsrichtung unidirektional (nur Zug oder nur Druck) oder bidirektional (Zug und Druck) messen.

Beispiel: Direkte Kraftmessung mit Kraftmessgerät in der Kraftachse einer Hebelpresse

 

Indirekte Kraftmessung

Von einer indirekten Kraftmessung spricht man, wenn der Kraftaufnehmer zur Ermittlung des Kraftnebenschlusses nicht direkt in der Kraftachse sondern versetzt z.B. an einem Maschinengestell eingesetzt wird. Hierbei ist zu beachten, dass bei dieser indirekten Methode der Kraftaufnehmer nicht unabhängig vom Gesamtsystem justiert und linearisiert werden sollte, und ein Kraftnebenschluss nicht unbedingt einen proportional (linearen) Anteil der Kraft zwischen zwei Körpern darstellt.

Beispiel: Indirekte Kraftmessung - Verformung eines Pressengestells

 

Drehmomentmessung (Momentum = Bewegungskraft)

Das Drehmoment läßt sich bei bekannter Hebelarmlänge auch durch Kraftmessung erfassen. Mit dieser Vorgehensweise, bei weitestgehendem Ausschluss von parasitäten Krafteinflüssen, können Drehmomentsensoren mit Hilfe von Massen justiert und kalibriert werden.

Prinzipskizze: Drehmoment dargestellt als Kraft, die auf einen Hebelarm wirkt

 

Beschleunigungsmessung (Trägheitskraft)

Zur Beschleunigungsmessung wird einer der beiden Körper als Masse in das Sensorelement des Messgerätes integriert.

 

Kraft als vektorielle Größe

Mehrachsige Kraftmessung

Kraft ist eine vektorielle Größe, die in alle drei Richtung des Raumes wirken kann. Mehrachsige Kraftaufnehmer bieten die Möglichkeit die X-, Y-, und Z-Komponenten und ggf. das jeweilige Drehmoment auszuwerten.

Prinzipskizze: Kraft als vektorielle Größe wirkt in alle Richtungen

Einachsige Kraftmessung

In der Regel ist ein Kraftaufnehmer mit einer einachsige Kraftmessung ausreichend, insbesondere wenn der Sensor in der Lage ist, mit hinreichender Genauigkeit bidirektional zu messen. Die meisten Universalprüfmaschinen sind mit solchen Kraftsensoren ausgestattet. Auch in digitalen Kraftmessgeräten werden zumeist bidirektionale Kraftsensoren mit Dehnungsmessstreifen verwendet.

 

Messprinzipien in der Kraftmessung

Elastische Verformung mit Wegmessung

Hierbei wird als elastischer Körper z.B. eine Spiralfeder durch eine einwirkende Kraft (F) verformt. Im elastischen Bereich dieses Federkörpers gilt das Hook'sche Gesetz, mit dem beschrieben wird, dass der Quotient aus Kraftzunahme und Längenzunahme konstant ist.

Hook'sches Gesetz am Beispiel Spiralfeder für Kraftmesser

Prinzipskizze: Kraftmessung nach dem Hook'sches Gesetz

Anstelle einer Spiralfeder kann zur Kraftmessung auch ein anderer (metallischer) Körper genutzt werden, sofern die einwirkende Kraft keine plastische Verformung verursacht und das Hook'sche Gesetz angewandt werden kann.

 

Elastische Verformung mit Widerstandsmessung

Auf Grundlage der elastischen Verformung eines Körpers unter Krafteinwirkung nach dem Hook'schen Gesetz arbeitet auch der Kraftaufnehmer mit Dehnungsmesstreifen (DMS). Hierzu wird ein Federkörper so konstruiert, dass einzelne eng eingegrenzte Bereiche des Körpers bei Krafteinleitung einer relativ stärken Verformung unterliegen. Dadurch wird die Oberfläche des Körpers in diesem Bereich gedehnt oder gestaucht. An der Stelle der maximalen Dehnung wird ein Widerstand in Form eines DMS aufgebracht, dessen elektrischer Wiederstand (R) mit zunehmender Dehnung steigt.

Skizze: Federkörper - Biegebalken

Dieses Messprinzip findet sich in vielen Kraftaufnehmern wieder, wobei die Grundkonstruktion des Federkörpers je nach Einsatzgebiet und Anwendung sehr unterschiedlich sein kann. Um eine hinreichende Linearität der gemessenen Verformung in Bezug auf die eingeleitete Kraft zu erzielen, werden in der Regel mehrere Einzel-DMS eingesetzt und miteinander verschaltet.

 

Piezoelektrischer Effekt

Neben den Kraftaufnehmern auf DMS-Basis werden Sensoren auf Basis des piezoelektrischen Effekt in größerem Umfang eingesetzt. Hierbei werden zwei durch eine Elektrode getrennte Piezoelemente an einen Ladungsverstärker angeschlossen. Mit Einwirkung der Kraft auf diese beiden Körper entsteht eine proportionale, elektrische Spannung. Piezosensoren haben den Vorteil, dass sie unter Last kaum verformt werden und auch bei hohen Kräften sehr flach gebaut werden können.

Prinzipskizze: Piezoelektrischer Effekt mit Ladungsverschiebung unter Druck

 

Piezoelektrische Kraftaufnehmer können aufgrund der prinzipbedingten hohen Drift nicht für eine statische oder quasistatische Kraftmessung eingesetzt werden. Das Haupteinsatzgebiet dieser Kraftsensoren sind daher Anwendungen in denen schnelle Lastwechsel oder kurze Kraftspitzen auftreten. In Kraftmessgeräten und in Kraftaufnehmern für Universalprüfmaschinen, sowie in allen Anwendungen in denen höhere Anforderungen an die Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und die Rückführung auf die Normale der PTB oder anderere metrologische Institute gefordert sind, werden Kraftsensoren auf Basis der Widerstandsmessung eingesetzt.

 

Sonstige Verfahren

Neben den oben beschriebenen Verfahren gibt es weitere Messprinzipien, die jedoch seltener eingesetzt werden oder nur sehr eingeschränkt genutzt werden können. Hierzu zählen:

  • Optische DMS (Faser Bragg Gitter)
  • Frequenzmessung zur Ermittlung der Spannkraft
  • Elektromagnische Kompensation
  • Magnetoelastischer Effekt für sehr hohe Kräfte

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