十字形称重传感器设计

　　1 前言

　　在实际桥式传感器应用中，往往出现抗侧向力不足的缺点，基于这个问题提出十字形传感器设计。现以 30t 十字型传感器为例子进行说明。

　　条件：设计一承受压向负荷的额定量程为 30t的 40CrNiMoA 合金钢 QSSZ 称重传感器，要求设计输出灵敏度为 2.2mV/V 左右，合金钢的弹性模量 E=2.14×1011Pa，泊松比 u=0.3。

　　设计传感器为工字梁剪切应力形式，如图 1，先大致确定 H，h，B，然后根据茹拉夫斯基公式计算截面剪切应力、剪应变，并根据推导出的灵敏度计算公式确定壁厚，然后根据所计算的壁厚对其他尺寸进行调整，初步得出工字尺寸，从而绘制图纸，并进行有限元分析，进行验证。

　　2 传感器弹性体设计

　　2.1 工字尺寸计算

　　由于计算的繁琐，因此对计算方法进行了 VC语言编程，设计出了软件，只要输入量程为：Q=30000kg;灵敏度：2.2mV/V;初取 H=42mm、h=30mm、B=40mm;灵敏度系数：K=2;支撑点数：N=4，就可计算出壁厚尺寸 b 及剪切应力，具体结果如图 2 所示。

　　由图可得壁厚 b=12.847589mm，最大剪切应力T =18.107693 ×107Pa =180.11MPa。 取 b=13mm，再次进行计算，结果如图 3 所示。

　　由结果可知灵敏度为 2.176658mV/V，最大剪切应力 T=17.915567x107Pa=179MPa，可初步确定工字尺寸如图 4 所示。

　　2.2 十字形称重传感器图纸绘制

　　根据工字基本尺寸，初步设计出十字形称重传感器弹性体图如 5 所示。

　　3 十字形称重传感器弹性体有限元分析

　　首先在 pro/e 三维造型软件里进行三维绘制实体，如图 6 所示。

　　将三维实体导入 ansys 有限元分析软件里进行分析，结果如图 7 所示。

　　3.1 可靠性分析

　　40CrNiMoA 屈服极限为 1000MPa，通过总应力分析可知，除了正中间加载点应力集中超过了屈服极限外，其他部位基本在屈服极限的范围之内，而正中间应力集中现象是在正中间节点上施加点力 300000N 所至，现实当中是小面接触，不会产生这样大的应力集中现象，所以不必关心，可以忽略。因此，该传感器弹性体及底座安装，在 30t 承载时是可靠的。

　　3.2 贴片盲孔应力分析

　　贴片盲孔主要关心的是剪切应力在途中关心的是 xz、yz 平面内的剪切应力，现以 xz 平面内剪切应力为例，yz平面内的类似，如图 8 所示。

    由图可知，贴片区所受剪切应力很均匀，由云图颜色可知左侧盲孔剪切应力为 +133.33MPa～+222.22MPa 之间，右侧的为 - 133.33 MPa～- 222.22MPa 之间。具体应力数值通过测定盲孔内的具体节点可得，如图 9 所示。