本文以電阻應(yīng)變式傳感器靜態(tài)稱重理論為基礎(chǔ)，對一款電子秤承重系統(tǒng) 進行了介紹，對承重系統(tǒng)塑料材質(zhì)作了選擇，通過一款“支承體”零件設(shè)計舉例分析，對塑 料承重系統(tǒng)的推廣應(yīng)用作了說明。

一、電子秤承重系統(tǒng)介紹 在多種多樣的采用電阻應(yīng)變式靜態(tài)稱重設(shè)計 方案的電子衡器中，承重系統(tǒng)都起著核心結(jié)構(gòu)件 的作用，引用相關(guān)定義，此處對承重系統(tǒng)介紹為 “承受及傳遞外載荷及固定傳感器的具有足夠強度 和剛度的結(jié)構(gòu)零部件”。據(jù)此介紹，電子衡器的承 重系統(tǒng)包括三部分：即指承重面和支承體以及作 為核心部件的傳感器。如圖1所示，為一個典型 的電子秤承重系統(tǒng)。

其中“承重面1”承受外來的載荷，并將外載 荷傳遞給“電阻應(yīng)變式傳感器2”的一端，“電阻 應(yīng)變式傳感器2”的另外一端則固定于“支承體上。介紹中還提到，承重面和支承體還應(yīng)具有 足夠的強度和剛度。足夠的強度是指需要保證該電子秤在受到一定的沖擊載荷（一般為傳感器滿量 程的2.5倍即2.5FS時，結(jié)構(gòu)不會受到剪切破壞； 足夠的剛度則是指承重面及支承體在滿量程載荷 FS時，其彎曲變形不會超出設(shè)計所要求的范圍， 因而不會影響產(chǎn)品秤量的穩(wěn)定性。該款塑料承重 系統(tǒng)的設(shè)計正是基于以上理解而開展的。

二、塑料承重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要任務(wù)和影響因素

承重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)綜合考慮各種因素， 既要保證工作性能，又要工藝性好，同時要節(jié)約 成本，也要兼顧外觀。合理的結(jié)構(gòu)是在最小重量 條件下具有最好的強度及剛度，所以其設(shè)計準(zhǔn)則 包括以下幾個方面的要求。

(一）剛度：包括靜剛度和動剛度，靜剛度限 制外力作用下的變形量，動剛度則主要是指結(jié)構(gòu) 的抗振能力及熱變形能力，對靜態(tài)電子秤而言，此 處所言的剛度就是靜剛度，對于電子秤而言, 支承系統(tǒng)的變形量可以作為設(shè)計輸入而給定，但 大多數(shù)情況下則是通過相關(guān)試驗數(shù)據(jù)獲取的，下 文案例中的零件也是試驗獲取剛度值的例子。

（二）強度：要求在最大外載荷（包括突然性 載荷下，保證機架不會受到損壞，機架的強度 包括靜強度和疲勞強度。此處的強度指的是靜強 度，主要是相關(guān)結(jié)構(gòu)件不致剪切破壞即可，通過 下文的剪力圖，可指導(dǎo)相關(guān)強度設(shè)計。

（三）穩(wěn)定性：包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和精度穩(wěn)定性 即尺寸穩(wěn)定性。電子秤承重系統(tǒng)受壓或壓變 斜彎時產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題較少出現(xiàn)，此處帶 過，下文不作討論。

（四）此外，還要求有美觀的造型，電子秤整體 的外觀造型很大程度上決定于承重系統(tǒng)的造型, 實用、美觀和低成本是設(shè)計的基本原則，按照比 例、統(tǒng)調(diào)、平衡及安定等規(guī)則使得承重系統(tǒng)與產(chǎn) 品的外觀融為一體。

三、電子秤承重系統(tǒng)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計舉例 如圖2所示，為某款電子秤的支承體零件, 現(xiàn)以該零件的設(shè)計舉例。

支承體局部結(jié)構(gòu)與傳感器裝配示意，如圖2 所示。

該電子秤的最大秤量為10kg,分度值為2g, 精密度為1/5000，屬于III級電子秤。下面分別從材 質(zhì)的選擇、受力情況分析、設(shè)計過程等方面進行 簡單分析如下：

一材質(zhì)及關(guān)鍵尺寸的選擇 該零件既是一個承重的功能件，同時因為定 位較高，對外觀又有較高的要求，所以選用了綜 合性能較好的ABS121工程塑料作為原材料，設(shè)計 零件平均壁厚為2mm,并采用加強筋。這樣的設(shè) 計一方面可以保證零件的使用要求，同時可以節(jié) 約原材料的用量。加強筋厚度為b=0.7a=1.4mm,

加強筋的高度取6b=8.4mm,取8.5mm。零件的外 形尺寸約為：長x寬x高=212mm x 150mm x 23mm。上述數(shù)據(jù)部分是通過查手冊搜集而得，部 分是設(shè)計輸入要求，下一步要考慮筋位的分布， 就要清楚零件的受力情況，以使結(jié)構(gòu)更加合理。

二受力情況分析 1首先作如下簡化

①將傳感器所受的分布載荷簡化為集中載荷N ；

②將傳感器傳遞給塑料底殼的剪力及彎矩簡 化為彎矩IM-M,其大小為m ；

③將塑料底殼簡化為材質(zhì)具有連續(xù)性、均勻 性和各向同性的桿件，找出其彎矩分布的規(guī)律。

（2）簡化后的支承體受力情況如圖3所示。

（3）作相關(guān)計算：

D截面外加載荷：N=98N A截面及C截面支撐力：FA=FC=49N B截面兩側(cè)彎矩：

m 1=49x 0.07=3.43 Nl*m) m 2=49 x0.07-98 x 0.03=0.49 Nl*m)

D截面兩側(cè)彎矩：

m3=49x 0.1-98 x0.03=1.96(N*m) m4=49x 0.1-98 x0.03=1.96(N*m)

（4）根據(jù)上述數(shù)據(jù)繪制FS-x及m-x圖形，如 圖4所示。

0圖示較大彎矩出現(xiàn)在B、D截面，其中B 截面兩側(cè)為固定傳感器位置，該截面出現(xiàn)了最大彎矩，而D截面會隨著秤體受力點的變化而移位, 此處僅作特例說明。

㈢優(yōu)化設(shè)計

到此階段，可進行細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計的 成敗就在筋位布置的合理性。過少的筋會導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)強度較差、剛性不足。特別是當(dāng)剛度不足時， 會直接影響到傳感器的使用性能，其影響的程度 此處不作論述；過多的筋則會導(dǎo)致零件重量增 加，成本上升，直接影響到產(chǎn)品的市場競爭力。 所以結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)依據(jù)受力分析的結(jié)果來進行優(yōu) 化，如圖5所示。

依據(jù)初始經(jīng)驗進行的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計，其理論 基礎(chǔ)主要是塑料件的一些基本性能，比如ABS塑 料在常溫下可制作具有一定強度、剛度和穩(wěn)定性 的零部件。其一，綜合考慮其受力及變形的方式, 設(shè)計所要分析的側(cè)重點則為該零件的強度及剛度， 因為不屬于細(xì)長桿，可不考慮其穩(wěn)定性；其二， 塑料制品的強度及剛度不需要嚴(yán)格計算，一般都 是通過樣機測試的數(shù)據(jù)反饋給結(jié)構(gòu)設(shè)計后，根據(jù) 實際需要進行改模。可見，若能遵循上述布筋圖 線進行原始設(shè)計，如圖5所示的“1”、“2”兩條 筋上按比例增加高度，同時在其附近增加筋位的 數(shù)量，就有可能一次到位，有效地減少改模的工 作量、節(jié)約項目開發(fā)時間、實現(xiàn)零件成本的優(yōu)化。

四運用3D軟件根據(jù)外觀對零件進行結(jié)構(gòu) 設(shè)計后，使用M odel Analysis軟件對塑料件的各點 傳遞函數(shù)及模太擬合分析后表明，零件的注塑工 藝性良好。

四、塑料承重系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

電子秤塑料承重系統(tǒng)與傳統(tǒng)的鋼質(zhì)承重系 統(tǒng)最顯著的特點就是減少了零部件的數(shù)量，同時 降低了成本。但與鋼材相比，塑料的彈性模模量 不高，例如ABS:彈性模量E=2.0GPa—2.5GPa,泊 松比 p=0.38_0.4。而普通鋼材 E=180GPa_220GPa, 泊松比卜=0.25_0.3。這就決定了塑料承重系統(tǒng)若 單獨使用，則只能用于載荷較小、精度要求不高產(chǎn)品精密度不高于II級的設(shè)計及使用場合。

綜合塑料及鋼材的特點，新的設(shè)計中將兩者 結(jié)合起來使用，即一方面利用塑料的易成型、成 本低、便于修改等優(yōu)點，另一方面利用鋼材的高 強度及耐候性的優(yōu)點，使得新型“塑料結(jié)合鋼材” 承重系統(tǒng)成為了推廣應(yīng)用的主流。依托不同的制 造工藝，“塑料結(jié)合鋼材”主要有以下幾種形式： 1塑料包鋼件：此形式是以鋼件為嵌件，在 注塑或壓塑機上成型而得；

Q鋼板包塑件：此形式是以塑料件為嵌件， 在沖壓機上對鋼板進行成形而得；

0機械連接：此形式是通過螺釘固定或熱鉚 塑料等方式使得塑件與鋼件連接成為一體而得。

五、小結(jié)

承重系統(tǒng)作為一臺電子秤的核心部件，其結(jié) 構(gòu)零件無論采用何種設(shè)計方式，除了工藝、技術(shù)、 成本的考慮外，還必須搜集市場及客戶的需求， 并不斷進行改進和優(yōu)化，以滿足客戶需求為根本 出發(fā)點和最終目的，繼續(xù)實現(xiàn)突破創(chuàng)新。