Speziell für Krane, mobile Arbeitsmaschinen und schwere Nutzfahrzeuge werden robuste Sensorlösungen, beispielsweise Motorfeedbacksysteme, lineare Wegsensoren sowie Druck- und Füllstand-Sensoren, für die in vielen Fahrzeugen obligatorischen Hydraulik-Aggregate benötigt. Um im harten Außeneinsatz die notwendige Verfügbarkeit und Langlebigkeit zu erzielen, bieten sich spezielle Heavy-Duty-Ausführungen etablierter Messprinzipien und Bauformen an.

Drehgeber sind typische Komponenten, die, versehen mit einem passenden Schutzanzug, extremen Einsatzbedingungen trotzen. Sie werden dazu in massive Leichtmetall-Gehäuse mit speziellem Oberflächenschutz und besonders robusten Lagern montiert, die den hohen axialen und radialen Kräften gewachsen sind. Trotz teilweise sehr unterschiedlicher Aufgabenstellungen gibt es dazu vielseitige Sensorlösungen: Absolute Drehgeber mit CANopen- oder SAE-J1939-Schnittstelle bewähren sich ebenso bei der Positionierung des Wasserwerfers bei Löschfahrzeugen wie für Messungen des Vorschubs von Bohrgeräten für die Bau- und Energiewirtschaft. Lagerlose, magnetische Hohlwellen-Drehgeber kombinieren wiederum das robuste magnetische Erfassungsprinzip mit einer einfachen Montage. Solche Varianten eignen sich für die direkte Winkelmessung an großen Wellen. Ein typischer Einsatzbereich ist beispielsweise die Positionsmessung und Winkelerfassung an Auslegern oder Ausziehleitern.

Neben den offensichtlichen und fühlbaren Gefährdungen wird ein Problem häufig vernachlässigt: die über die Wellenlager und das Gehäuse fließenden Oberwellenströme. Sie entstehen zum Beispiel durch Asymmetrien im magnetischen Fluss des Motors, externe Spannungen angeschlossener Maschinen oder kapazitive Kopplungen angeschlossener Frequenzumrichter, und sie führen zu Schäden an den Laufflächen. Abhilfe schafft eine zusätzliche elektrische Isolierung der Kugellager mittels Kunststoffhülsen, welche die Kugellager umschließen und somit schützen. Eine Alternative dazu sind extrem langlebige und selbstisolierende Keramikkugellager. Weitere Features eines Heavy-Duty-Drehgebers sind die Abtastung der Inkrementalscheibe mit Opto-Asic sowie die schock- und vibrationsfeste Montage der Elektronik und Spezialdichtungen.

Kurzschlussfeste Leitungstreiber mit temperaturüberwachten Leistungstransistoren, besondere Filterschaltungen für die Versorgungsspannung sowie EMV-gerechte Klemmenkasten und die flexible Statorkupplung oder die massive Drehmomentstütze erhöhen die Zuverlässigkeit der Drehgeber unter rauen Einsatzbedingungen. Oft sind bei drehzahlgeregelten Antrieben außer der aktuellen Drehzahl oder Position weitere Werte zu erfassen, zum Beispiel die Einhaltung von Grenzdrehzahlen. Hier bietet sich die Kombination mit elektronischen oder mechanischen Drehzahlschaltern an. Zusätzliche Sicherheit bringt eine Funktionsüberwachung wie das „En­hanced Monitoring System“ (EMS) der Firma Baumer, das kontinuierlich sämtliche Drehgeber-Funktionen überwacht. Störungen können damit schnell ermittelt und über einen zusätzlichen Alarmausgang der Steuerung gemeldet werden.

Sicherheit – ein ständiger Begleiter

Neigungssensoren werden in schweren Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen mehr und mehr eingesetzt, da sie einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit leisten – etwa bei den Kippsicherungssystemen von fahrbaren Betonpumpen, Hubarbeitsbühnen oder Feuerwehr-Drehleiterwagen. Je größer die Ausfahrwege sind, umso breiter müssen die Fahrzeuge im Einsatzfall abgestützt werden. Neigt sich das Fahrzeug dennoch über einen Grenzwert hinaus, wird dies von den Neigungssensoren gemessen und der Vorgang automatisch gestoppt. Vergleichbar mit einer Wasserwaage messen sie die Abweichung von Fahrzeugrahmen, Lade-Einrichtungen oder von Auslegern zur Horizontalen – nur wesentlich genauer als die Wasserwaagen aus dem Baumarkt: Bei Messbereichen zwischen 15° und 60° erzielt die zweiachsige Baureihe GNAMG eine Auflösung von bis zu 0,001°. Auch die Neigungssensoren kommunizieren mit allen im mobilen Einsatz üblichen Feldbussen und sind entsprechend des Einsatzspektrums in einem schlagfesten, IP67-dichten Metallgehäuse untergebracht. Für die Messung des Auslegerwinkels oder der Lade-Einrichtung kommen als Alternative zu Neigungssensoren auch magnetische Winkelsensoren infrage. Sie erfassen Drehwinkel berührungslos mit einer Auflösung von 0,09°. Kippschutzlösungen lassen sich ebenfalls mit so genannten Dehntrafos realisieren. Das Messglied der Baumer Dehntrafos ist eine FEM-optimierte DMS-Vollbrücke, deren integrierte Temperaturkompensation Messfehler verhindert.

Seilzuggeber kommen aufgrund ihres einfachen Prinzips und ihrer Zuverlässigkeit an Kranen und schweren Fahrzeugen bei verschiedensten Messaufgaben zum Einsatz. Sie wandeln lineare Bewegungen in Drehbewegungen um, die wiederum einen Inkremental- oder Absolutdrehgeber antreiben. Eingesetzt werden sie, um die Länge eines Auslegers oder von Stützen zu erfassen – wegen der sicherheitskritischen Anwendung oft in redundanter Ausführung mit zwei Kanälen. Zum Thema Sicherheit gehört außerdem eine zuverlässige Lastkontrolle mittels Kraftmesszellen und Kraftmessbolzen. Dank Werkskalibrierung lassen sich beide Sensortypen schnell in Betrieb nehmen und kommunizieren über Feldbus mit der Fahrzeug- oder Kransteuerung.

Sensoren für Hubarbeitsbühnen dienen dem Kippschutz (Dehntrafo DSRT), überprüfen die Position der Abstützungen (Seilzug-Encoder BMMS) und erfassen die Fahrzeugneigung (Neigungssensoren GNAMG).

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Ist nur die Endlage von Stützen oder die Verriegelung von Klappen zu erfassen, reichen induktive Sensoren aus, beispielsweise die Serie IFRR, die in ihrem Arbeitstemperaturbereich von –40 °C bis +80 °C und mit dem Dichtigkeitskonzept proTect+ auch nach mehreren Temperaturzyklen die Schutzart IP69K behalten. Dazu wurden die Sensoren hinsichtlich Design und Material speziell optimiert. Materialien wie V4A-Edelstahl, Liquid Silicon Rubber und Polyamid sorgen für die Beständigkeit der Sensoren. Das spezielle Design der mechanischen Schnittstellen sorgt gleichermaßen bei Schaum- und Hochdruckreinigung für Dichtheit, sogar an den kritischen Stellen wie Kabelabgang oder der LED-Schaltzustandsanzeige.

Prinzipbedingt stoßen induktive Sensoren ab einigen Zentimetern Schaltabstand an ihre Grenzen. Der Grund: Je größer die Spule sein muss, die das induktive Detektionsfeld erzeugt, desto langsamer wird der Sensor. Außerdem würde die Baugröße und Stromaufnahme die Designfreiheit beim Planen des Fahrzeugs einschränken. Eine Alternative stellen magnetische Näherungsschalter dar, die einen externen Permanentmagneten über Distanzen von bis zu 60 mm detektieren. Wenn die Position von Drehkränzen detektiert werden muss, sind Hall-Sensoren eine gute Wahl, die in Verbindung mit einem zweikanaligen Ausgang auch die Drehrichtung erfassen. Anwesenheitskontrollen spielen ebenfalls bei vielen Arbeitsabläufen eine wichtige Rolle, beispielsweise muss bei automatischen Müllfahrzeugen die Mülltonne erkannt werden. Hier haben sich wegen der Kunststoffe optische Sensoren in IP69K bewährt, die verschiedenste Objekte unabhängig von ihrer Farbe auf Distanzen bis 400 mm erkennen.

Ohne Hydraulik geht nichts

Aufgrund der engen Platzverhältnisse werden Betonpumpen häufig im so genannten einseitigen Abstützmodus betrieben. Den dadurch eingeschränkten Arbeitsbereich überwachen CANopen-Drehgeber und Neigungssensoren.

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Ein ausreichender Hydraulikdruck spielt in fast allen mobilen Anwendungen eine zentrale Rolle. Entsprechend wichtig ist dessen Kontrolle über geeignete Sensoren, die eine hohe Genauigkeit von 0,1 % haben sollten. Oft erweist sich dabei der weite Arbeitstemperaturbereich zwischen –40 °C und +85 °C als Problem, da der Messfehler mit der Temperatur driftet. Abhilfe schafft eine aktive Temperaturkompensation, die den Messfehler unter Berücksichtigung der aktuell gemessenen Temperatur elektronisch kompensiert.

Für den Trockenlaufschutz von Getrieben oder Lagern gibt es ebenfalls wartungsfreie und widerstandsfähige Sensorlösungen für Betriebstemperaturen von –10 °C bis +115 °C, hoher Schaltempfindlichkeit und kurzen Ansprechzeiten. Um die Kolbenposition der Hydraulikzylinder zu erfassen, bieten sich induktive Sensoren an. Dank des Edelstahlgehäuses und aktiver Flächen aus Zirkoniumoxid trotzen sie ex­tremsten Bedingungen.

Autor: Ralph Werren ist Vertriebsleiter Motion-Control bei der Baumer Group in Frauenfeld.