[Zusammenfassung] Durch die Optimierung der Scherspannungsverteilung im Messbereich eines Brückensensors mit kleinem Messbereich wurde ein Sensorprodukt entwickelt und gefertigt, das sich deutlich von theoretischen Berechnungen unterscheidet. Schlüsselwörter: Spannungsverteilung, Spannungskonzentration, Brückensensor. Einleitung: Unter den verschiedenen Struktursensoren der chinesischen Wägesensorindustrie hat der Stahlbrückensensor mit seiner einzigartigen Struktur – beidseitige Lagerung und mittige Kraftaufnahme – den Einsatz von Sensoren mit hoher Tonnage im Bereich der hochpräzisen und zuverlässigen Messtechnik ermöglicht. Die Kraftübertragungskomponente nutzt einen Kugeleindringkörper und profitiert so von deren automatischer Rückstellung und Selbstausrichtung, der hohen Beständigkeit gegenüber Seitenkräften und Stößen, der einfachen Installation und der guten Austauschbarkeit. Dadurch spielt der Sensor eine führende Rolle im Bereich der Lkw-Waagen in China. Die meisten Sensoren sind jedoch auf einen Messbereich von 10 Tonnen oder mehr beschränkt, nur wenige decken Bereiche unter 10 Tonnen ab. Um den Bedürfnissen der Anwender gerecht zu werden, haben wir einen 3-Tonnen-Sensor mit kleinem Messbereich entwickelt. 1. Konstruktion des 3-Tonnen-Brückensensors Um eine einfache und vielseitige Installation und Anwendung zu gewährleisten, verwendet der 3-Tonnen-Sensor die Einbauabmessungen des 10-Tonnen-Sensors. Gleichzeitig müssen alle Komponenten außer dem elastischen Körper austauschbar sein. Dies erfordert, dass während des Konstruktionsprozesses des Sensors nur die Abmessungen der Dehnungszone geändert werden dürfen, ohne die Einbauabmessungen des Sensors zu beeinflussen. 1.1 Konstruktionsmängel der Brückensensorstruktur für kleine Reichweiten Die Brückensensorstruktur ist an beiden Enden fixiert, wobei eine Scherkraft auf den I-förmigen Querschnitt wirkt (Abbildung 1). Daher gilt: Die Scherkraft auf die Kontaktfläche beträgt: ½ F; Aus dem Kraftanalysediagramm des Querschnitts der Dehnungszone des elastischen Körpers (Abbildung 2) ergibt sich die Schubspannung: Dabei ist die Querkontraktionszahl ν. Elastizitätsmodul des Materials: E. Gemäß den Formeln (2) und (4) ergibt sich die quadratische Gleichung des Dehnungsbalkens t des Sensors: Bei einer Empfindlichkeit von 2 mV/V und ε = 1200 με setzen wir ν = 0,3 und E = 2,1 × 10⁴ kg/mm². Durch Einsetzen der Abmessungen des elastischen Sensorkörpers (c × d × h = 56 mm × 52 mm × 35 mm) in die Formel erhalten wir: t₁ = 1,78 mm, t₂ = -25,81 mm (verworfen). Gleichzeitig gilt: ½(dh) = ½(52-35) = 8,5 mm > 1,78 mm. Die Abmessungen der oberen und unteren horizontalen Träger des I-Trägers in Abbildung 2 sind somit deutlich größer als die Abmessungen des vertikalen Trägers (Dehnungsbalken). Während des Belastungsprozesses des Dehnungsbalkens im Sensor ist die Festigkeit der oberen und unteren horizontalen Träger deutlich höher als die des Dehnungsbalkens selbst. Die durch die Belastung erzeugte Scherspannung kann ihre Wirkung nicht voll entfalten, sodass der Dehnungsbalken keine vergleichbare Verformung und somit keine ausreichende Mikrodehnung erzeugt. Die Ausgangsempfindlichkeit des Sensors liegt daher deutlich unter der geforderten Empfindlichkeit von 2 mV/V. 1.2 Verbesserte Lösung: Lösung 1: Um eine ausreichende Scherspannung zu gewährleisten, werden A, d und h so angepasst, dass die Abmessungen der oberen und unteren Querträger in Abbildung 2 möglichst genau den Abmessungen des Dehnungsbalkens entsprechen. Gemäß den Konstruktionsvorgaben dürfen die Abmessungen c und A nicht verändert werden, eine Änderung von d erfüllt unsere Anforderungen wahrscheinlich nicht, und eine Verringerung von h erhöht t. Aufgrund der Abhängigkeit von c würde ein zu kleines h die Sensorfertigung jedoch erheblich erschweren. Daher wählen wir eine Lösung, die die lokalen Abmessungen des Dehnungsbereichs des elastischen Körpers reduziert, die Werte von d und h anpasst, die Einbauabmessungen jedoch beibehält (siehe Abbildung 3). Anhand des in Abbildung 3 dargestellten Schemas zur Dimensionierung des elastischen Körpers wurden fünf BM-LS-3-Sensoren auf ihre Empfindlichkeit geprüft. Die ersten Testergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Die durchschnittliche Empfindlichkeit der fünf Sensoren beträgt 1,2718 mV/V und zeigt eine gute Übereinstimmung, liegt aber deutlich unter der berechneten Anforderung von 2 mV/V. Die Linearitäts- und Hysteresekennwerte weisen hingegen eine gute Übereinstimmung auf. Schema 2: Basierend auf Schema 1 und unter Bezugnahme auf das Kraftdiagramm 2 des Dehnungsmessbereichs des Sensors erzeugt die Scherkraft auf den elastischen Körper nicht genügend Mikrodehnung im Dehnungsmessbalken. Dies ist der Hauptgrund für die geringe Empfindlichkeit. Daher kann die Erzeugung von Mikrodehnung durch Verkleinerung des Dehnungsmessbalkens t verbessert werden. Die Spannungsverteilung entspricht der von Schema 1. In unseren Experimenten war der Effekt dieses Schemas jedoch nicht signifikant. Schema 3: Aus der Analyse von Abbildung (2) geht hervor, dass die erzeugte Schubspannung τ ihrem Maximalwert τ_max am nächsten kommt, wenn y nahe bei „0“ liegt. Lässt sich nur der lokale Bereich der maximalen Schubspannung erzeugen und der Rest entfernen? Unter Berücksichtigung der für den Dehnungsmessstreifen benötigten Größe und der einfachen Bearbeitung des elastischen Körpers wird eine Durchgangsbohrung 2-ΦB entlang der Belastungsrichtung des Sensors gebohrt (Abbildung 4). Nach einer einfachen Spannungsverteilungsanalyse (Abbildung 4, wobei die gestrichelte Linie die Spannungskurve aus Schema 2 darstellt) zeigt sich, dass die maximale Spannung τ_2max im Vergleich zu τ_1max nicht nur deutlich höher, sondern auch stärker konzentriert ist. 1.3 Experimentelle Ergebnisse: Drei der fünf in Tabelle 1 aufgeführten Sensoren wurden für einen Durchgangsbohrungsversuch mit einer 2-ΦB-Durchgangsbohrung ausgewählt. Die Ergebnisse des Sensitivitätstests sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Linearitäts- und Hysteresekennwerte änderten sich nicht signifikant und lagen nahe an den Werten in Tabelle 1. Im Vergleich von Tabelle 1 und Tabelle 2 zeigte sich, dass die Sensitivität desselben Sensors stark variierte und über alle Sensoren hinweg um etwa 1,2 mV/V anstieg. Daraufhin wurde die Dicke des Dehnungsmessstreifens weiter angepasst, um die Sensitivität dem Zielwert von 2 mV/V anzunähern. Die Sensitivitätswerte der kleinen Sensorserie nach der Anpassung sind in Tabelle 3 dargestellt. Die maximale Sensorsensitivität betrug 2,251 mV/V, die minimale 2,00243 mV/V, was eine große Streuung verdeutlicht. Dieses Phänomen ist auf das manuelle Anritzbohrverfahren zurückzuführen, das beim Bearbeiten der 2-ΦB-Durchgangslöcher im Sensorelastomer angewendet wurde. Dieses Verfahren beeinträchtigt die Mittelposition, Symmetrie und Größenkonsistenz der beiden Löcher. Solange wir bei der Weiterverarbeitung des Elastomers hochpräzise Bohrvorrichtungen verwenden, um die Bearbeitungsgenauigkeit der beiden Durchgangslöcher zu gewährleisten, ist die gleichbleibende Sensorempfindlichkeit sichergestellt. 2. Fazit: Die Testergebnisse des in dieser Studie hergestellten 3-t-Sensors erfüllen alle Anforderungen der Klasse C3 gemäß GB/T7551-1997 „Wägesensoren“. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Konstruktions- und Fertigungsprozess die konzentrierte Scherspannungsverteilung im elastischen Körper optimal nutzt. Basierend auf theoretischen Berechnungen wird durch Anpassung der Struktur des Dehnungsmessstreifens die Scherspannung im elastischen Körper so weit wie möglich im Bereich der Dehnungsmessstreifen konzentriert, was maßgeblich zur Einstellung der Sensorempfindlichkeit beiträgt. Dies wird uns bei der zukünftigen Konstruktion und Fertigung von Sensoren mit kleineren Messbereichen sehr hilfreich sein.