Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt zwei häufig angewandte Prinzipien der Spannungskonzentration bei der Konstruktion von Kraftsensoren vor. Die Auslegung des elastischen Körpers nach diesen Prinzipien kann die Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Kraftsensors effektiv verbessern. Schlüsselwörter: Kraftsensor, Spannungskonzentration, Genauigkeit, Empfindlichkeit. I. Überblick: Bei Widerstands-Dehnungsmessstreifen-Kraftsensoren (im Folgenden „Kraftsensoren“) haben die Form und die Abmessungen des elastischen Körpers einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Kraftsensors. Die Leistungsfähigkeit des Kraftsensors hängt maßgeblich von der Form und den Abmessungen seines elastischen Körpers ab. Ist die Auslegung des elastischen Körpers ungeeignet, kann der Kraftsensor selbst bei hoher Bearbeitungsgenauigkeit oder hoher Qualität der aufgeklebten Widerstands-Dehnungsmessstreifen keine hohe Messgenauigkeit erzielen. Daher ist eine sinnvolle Auslegung des elastischen Körpers ein entscheidender Faktor im Konstruktionsprozess von Kraftsensoren. Die Auslegung des elastischen Körpers fällt grundsätzlich in den Bereich der mechanischen Konstruktion, unterscheidet sich jedoch aufgrund der Anforderungen an die Kraftmessung von herkömmlichen mechanischen Bauteilen. Im Allgemeinen müssen gewöhnliche mechanische Teile und Komponenten lediglich die Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit bei ausreichend hohem Sicherheitsfaktor erfüllen; die Spannungsverteilung unter Belastung ist nicht streng vorgeschrieben. Bei Elastomeren hingegen ist es neben der Erfüllung der Anforderungen an mechanische Festigkeit und Steifigkeit unerlässlich, dass die Spannung (Dehnung) an der Stelle, an der der Dehnungsmessstreifen am Elastomer angebracht ist (im Folgenden „Anbringungsstelle“ genannt), exakt der auf das Elastomer wirkenden Last (gemessenen Kraft) entspricht. Um die Empfindlichkeit des Kraftsensors zu verbessern, sollte die Anbringungsstelle zudem eine hohe Spannung (Dehnung) aufweisen. Daher müssen bei der Konstruktion von Elastomeren die folgenden zwei Anforderungen erfüllt sein: (1) Die Spannung (Dehnung) an der Anbringungsstelle muss exakt der gemessenen Kraft entsprechen; (2) Die Anbringungsstelle muss eine hohe Spannung (Dehnung) aufweisen. Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, wird bei der Konstruktion von Elastomeren für Kraftsensoren häufig das Prinzip der Spannungskonzentration angewendet. Dadurch wird ein hohes Spannungs- (Dehnungs-)Niveau an der Befestigungsstelle sichergestellt und eine enge Korrelation mit der gemessenen Kraft gewährleistet. Dies verbessert die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Kraftsensors. II. Das Prinzip der Spannungskonzentration zur Verbesserung unregelmäßiger Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung. Bei der Konstruktion von mechanischen Teilen oder Komponenten wird im Allgemeinen von einer regelmäßigen Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung ausgegangen. Ändert sich die Querschnittsform des Teils oder der Komponente nicht, muss das Problem einer unregelmäßigen Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung nicht berücksichtigt werden. Bei der Konstruktion von mechanischen Teilen oder Komponenten wird das Problem einer unregelmäßigen Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung jedoch nicht ignoriert, sondern durch den Sicherheitsfaktor in den Festigkeitsberechnungen berücksichtigt. Bei Kraftsensoren wird die Größe der gemessenen Kraft durch Messung der Dehnung im Bereich der Auflagefläche eines elastischen Körpers mithilfe von Dehnungsmessstreifen ermittelt. Um eine exakte Übereinstimmung zwischen der Spannung (Dehnung) im Messbereich und der gemessenen Kraft zu gewährleisten, ist es unerlässlich, dass die Spannung (Dehnung) im Messbereich des elastischen Körpers bei Krafteinwirkung auf den Kraftsensor einem bestimmten Muster folgt. In der Praxis beeinflussen hauptsächlich Änderungen der Spannungszustände des elastischen Körpers die Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung im Messbereich. Diese Änderungen beziehen sich auf Änderungen des Kraftangriffspunkts oder der Kontaktbedingungen zwischen dem elastischen Körper und seinen angrenzenden Last- und Lagerkomponenten bei konstanter Krafteinwirkung. Wird dieser Aspekt bei der Konstruktion der Elastomerstruktur nicht berücksichtigt, kann dies zu unregelmäßigen Änderungen der Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung im Elastomer führen. Ein typisches Beispiel hierfür ist der zylindrische Kraftsensor. Um den durch Änderungen der Kraftbedingungen im Elastomer verursachten Kraftmessfehler zu reduzieren, haben einige Sensorentwickler die Methode angewendet, die Anzahl der Messpunkte auf dem Elastomer zylindrischer Kraftsensoren zu erhöhen. Dadurch soll die ungleichmäßige Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung entlang des Umfangs der Messpunkte möglichst genau erfasst werden. Dieser Ansatz ist zwar wirksam und kann den durch Änderungen der Kraftbedingungen im Elastomer verursachten Kraftmessfehler verringern, jedoch handelt es sich letztlich um einen passiven Ansatz. Die Anzahl der hinzugefügten Messpunkte ist begrenzt, und es ist weiterhin schwierig, die gesamte ungleichmäßige Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung entlang des Umfangs der Messpunkte zu erfassen. Die Reduzierung des Kraftmessfehlers ist daher nicht ausreichend. Die Ursache für den durch Änderungen der Spannungsbedingungen im elastischen Körper verursachten Kraftmessfehler liegt in der unregelmäßigen Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung entlang des Umfangs der Messpunkte. Wenn die Spannungs- (Dehnungs-)verteilung am Umfang des elastischen Körperteils unter bestimmten Bedingungen eingeschränkt werden kann, sodass sich die Spannung (Dehnung) im Teil nach einem bestimmten Gesetz verteilt, korrespondiert die Spannung (Dehnung) im elastischen Körperteil exakt mit der gemessenen Kraft. Dadurch wird der durch Änderungen der Spannungszustände im elastischen Körper verursachte Kraftmessfehler reduziert. Der Autor hat die oben beschriebene Methode zur Verbesserung des zylindrischen Kraftsensors eingesetzt. Der Kraftmessfehler des herkömmlichen zylindrischen Sensors lag vor der Verbesserung bei über 1 % des Messbereichsendwertes (FS), während der Kraftmessfehler des verbesserten (teilweise ausgehöhlten) zylindrischen Sensors 0,1–0,3 % FS betrug. Die Genauigkeit der Kraftmessung wurde somit deutlich verbessert. III. Prinzip der Spannungskonzentration zur Verbesserung des Spannungs- (Dehnungs-)Niveaus: Um eine hohe Empfindlichkeit des Kraftsensors zu erreichen, sollte der Widerstandsdehnungsmessstreifen im Allgemeinen ein hohes Dehnungsniveau aufweisen, d. h. der Bereich des elastischen Körpers sollte ein hohes Spannungs- (Dehnungs-)Niveau aufweisen. Es gibt zwei gängige Methoden, um eine höhere Spannung (Dehnung) im Bereich der Reparaturstelle eines Elastomers zu erzielen: (1) Verringerung der Gesamtgröße des Elastomers, um die Spannung (Dehnung) im gesamten Elastomer zu verbessern; (2) lokale Schwächung des Elastomers in der Nähe der Reparaturstelle, um die lokale Spannung (Dehnung) in diesem Bereich zu erhöhen, während die Spannung (Dehnung) in anderen Bereichen des Elastomers im Wesentlichen unverändert bleibt. Beide Methoden können die Spannung (Dehnung) im Bereich der Reparaturstelle verbessern. Für die Gesamtleistung des Elastomers ist die lokale Schwächung jedoch deutlich effektiver als die Verringerung der Gesamtgröße. Denn durch die lokale Schwächung des Elastomers wird sowohl die Spannung (Dehnung) im Bereich der Reparaturstelle erhöht als auch die Gesamtfestigkeit und Steifigkeit des Elastomers erhalten, was die Leistung und Anwendbarkeit des Sensors verbessert. Das Prinzip der lokalen Schwächung des Elastomers zur Verbesserung der Spannungs- (Dehnungs-)Verteilung im Bereich der Verstärkung beruht darauf, dass durch die lokale Schwächung eine lokale Spannungskonzentration entsteht. Dadurch ist die Spannung (Dehnung) im Bereich der Spannungskonzentration deutlich höher als in anderen Bereichen des Elastomers. Durch Anbringen eines Dehnungsmessstreifens im Bereich der Spannungskonzentration lässt sich eine höhere Dehnung messen. Die Methode der lokalen Spannungs- (Dehnungs-)Konzentration wird häufig bei der Konstruktion von Kraftsensoren eingesetzt, insbesondere bei der Konstruktion elastischer Körper für Balkenkraftsensoren (z. B. Biege- und Schubkraftsensoren). Schubkraftsensoren zählen zu den erfolgreichsten Anwendungen dieser Methode. Sie messen die Kraft durch Erfassung der Schubspannung (Schubdehnung) im elastischen Balkenkörper. Bei balkenförmigen Bauteilen ist die Biegefestigkeit von primärer Bedeutung. Erfüllt ein Balken die Anforderungen an die Biegefestigkeit, ist die Schubfestigkeitsreserve in der Regel groß. Wird ein Sackloch in der Nähe der neutralen Faser gebohrt, steigt die Schubspannung (Schubdehnung) im Steg dieses Abschnitts deutlich an, während der Anstieg der Biegespannung in diesem Abschnitt minimal ist. Durch die Anwendung des Verfahrens der lokalisierten Spannungskonzentration auf den elastischen Scherbalkenkörper wird die gemessene Scherverformung deutlich erhöht, was die Empfindlichkeit des Kraftsensors signifikant verbessert. Gleichzeitig wird die Biegefestigkeit des Balkens nur minimal beeinträchtigt, wodurch Festigkeit und Steifigkeit erhalten bleiben. IV. Zusammenfassung: Werden die beiden oben genannten Prinzipien der Spannungskonzentration bei der Konstruktion des elastischen Körpers bewusst berücksichtigt, lassen sich Messgenauigkeit und Empfindlichkeit des Kraftsensors verbessern. Die flexible und sachgerechte Anwendung des Prinzips der Spannungskonzentration ist für die Entwicklung und Produktion von Hochleistungskraftsensoren von großer praktischer Bedeutung. Referenzen: [1] Liu Hongwen (Hrsg.), Mechanik der Werkstoffe, Higher Education Press, 1979. Prinzipien der Spannungskonzentration bei der Konstruktion von Kraftmessdosen. Zusammenfassung: Dieser Artikel stellt zwei Prinzipien der Spannungskonzentration vor, die üblicherweise bei der Konstruktion von Kraftmessdosen Anwendung finden. Auf Grundlage dieser Prinzipien werden die elastischen Körper von Kraftmessdosen konstruiert, wodurch eine hohe Messgenauigkeit und -empfindlichkeit erzielt werden kann. Schlüsselwörter: Wägezelle, konzentrierte Spannung, Genauigkeit, Empfindlichkeit Autorenvorstellung: Zhu Chaofu: Fakultät für Maschinenbau, Universität für Wissenschaft und Technologie Peking Chen Huping: Rohmaterialwerk Hafen, Maanshan Iron and Steel Co., Ltd. Liu Zhe: Shijiazhuang Iron and Steel Company