百分表拆装及结构分析全套资料.docx

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百分表拆装及结构分析全套资料

百分表拆装及结构分析

一、实验目的

1、了解钟表式百分表的结构及工作原理。

2、熟悉齿轮、齿条、导轨、弹性元件、示数装置等零件、部件在百分表中的具体应用及其结构形式,增强感性认识。

3、学习仪表拆装技能及工具使用方法，培养实际操作能力及科学的作风。

二、百分表工作原理

百分表是美国的B。

C。

艾姆斯于1890年制成的。

钟表式百分表利用齿轮放大原理制成（见附图1），主要用于测量微小直线位移.工作时将测量杆的测头紧靠在被测量的物体上,物体的变形将引起测头的上下移动，测量杆的平齿便推动小齿轮以及和它同轴的大齿轮共同转动，大齿轮带动指针齿轮，于是大指针相随转动.如大指针在刻度盘上每转动一格，表示触头的位移为

，则放大倍数为100，称为百分表.大指针转动的圈数可由量程指针（小指针）予以记忆.

三、实验器具

百分表，螺丝刀（十字、一字），盘子，镊子,尖咀钳，放大镜。

四、实验步骤

1、从观察百分表的外观入手,了解百分表的使用方法,熟悉百分表各部分的名称（见附图2），并记下百分表小指针、长指针的初始位置，作为安装时的参考.

2、用螺丝刀旋下百分表后盖上的四个固定螺钉，取下后盖。

（1）观察机构的传动关系，画出传动系统示意图。

（2）结合思考题分析每个零件所起的作用。

3、取下固定透明表盖的弹簧卡圈，然后用尖嘴钳取下大、小指针，再取下刻度面板。

应注意保护刻度面板及指针轴.

4、将百分表的后面朝上放置，旋下固定导轨的螺钉，旋下前面固定支承板的螺钉，即可取出机芯.

5、取下弹簧、导轨，取出测量杆滑动销，旋下测量杆上部防尘帽，取下测量杆。

6、旋下机芯上的固定螺钉，取下齿轮。

注意带游丝的大齿轮不要取下，以防损坏游丝。

7、按相反的顺序，把拆下的零件一一装回。

8、检查齿轮的啮合、测量杆的移动，要灵活无卡滞现象.

9、检查游丝是否预紧.

五、注意事项:

1、不要求拆的地方，不得随意拆卸。

2、拆下的零件要轻拿轻放，放在盘内，防止丢失和损坏。

尤其要注意弹簧、游丝和指针.

3、大小指针拆卸时要特别注意.

4、安装指针时，应保证对指针位置的要求,即小指针要指向零点。

5、安装支承板时，应使游丝预紧180º—270º。

6、拆卸的过程要记录拆卸顺序.

7、拆卸完毕要画出每一个零件的结构草图.

六、实验报告内容及要求

（1）简述装配顺序。

（2）画出百分表的传动系统示意图。

（3）游丝内、外端各是如何固定的？

画出游丝固定的结构草图.

（4）做出下列思考题:

百分表测量杆上的弹簧起什么作用？

游丝起什么作用?

为什么要有180—270度的预转角？

测量杆上的滑动销的作用是什么？

表盘为什么要旋转？

旋转的导向面在何处？

画出结构草图。

百分表在下述各处采用了什么联接型式？

A、大齿轮与轴；B、轴套与壳体；C、指针与指针套；

D、指针套与齿轮轴；E、导轨与支承板；

附图1百分表工作原理

附图2百分表各部分名称

钟表式百分表的设计说明

百分表背景

　英文：

【DialIndicators】　　利用精密齿条齿轮机构制成的表式通用长度测量工具。

通常由测头、量杆、防震弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成。

百分表是美国的B。

C.艾姆斯于1890年制成的。

常用于形状和位置误差以及小位移的长度测量。

改变测头形状并配以相应的支架,可制成百分表的变形品种，如厚度百分表、深度百分表和内径百分表等.如用杠杆代替齿条可制成杠杆百分表和杠杆千分表，其示值范围较小，但灵敏度较高。

此外，它们的测头可在一定角度内转动，能适应不同方向的测量，结构紧凑。

它们适用于测量普通百分表难以测量的外圆、小孔和沟槽等的形状和位置误差.

一、设计要求:

设计钟表式百分表

具体技术指标要求如下：

1.分度值：

0.01mm

2.测量范围：

0~10mm

3.外线尺寸直径:

φ50~φ60

4.使用环境：

车间现场（要求防尘、防油、防震、防噪）

5.测杆应移动平衡、灵活、无卡住现象

6.其余按照国家标准

二、设计任务：

1.提出设计方案

2.给出装配结构示意图（A1号图纸）

3.给出2张零件图（A4号图纸）

4.给出设计说明书

三、设计目的：

本次课程设计是《精密机械设计》课的重要组成部分，是打好技术基础和进行技能训练的重要环节.其目的是:

1.训练同学们独立思考、独立运用.独立设计的能力，掌握百分表的具体原理，强化掌握平时学到的理论知识

2.扩大同学们的知识面，提高对知识的应用能力

3.培养同学们的创新能力

4.加强同学们的团队合作精神

百分表结构图

四、设计步骤：

1.去实验室观察百分表结构

2.小组人员分工，去图书馆借书,在网上搜索相关资料，然后大家一起分析资料，对百分表的功能和结构有了初步的认识

3.讨论创新方案

经过大家集思广益，我们小组提出了两点比较大的创新：

✓去掉测杆的防转槽，直接在表盘的内表面开槽,从而使百分表结构更简单

✓给百分表增加锁紧结构，在每次测量结束后可以锁紧测杆，方便读数

然后经过与老师和同学们的热烈讨论,并且认真考虑了百分表的使用方法和使用环境，决定取消锁紧结构。

只采用在表盘上开槽的改进方案.

4.确定设计方案

5.计算数据

6.绘制正式设计装配图（用AUTOCAD软件绘制，A1号图纸）

7.绘制零件图（手绘，A4号图纸）

8.完善百分表设计说明书

五、百分表工作原理分析：

百分表是利用齿条齿轮或杠杆齿轮传动，将测杆的直线位移变为指针的角位移的计量器具。

主要用于测量制件的尺寸和形状、位置误差等。

百分表通常由测头、量杆、弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成

百分表的结构较简单,传动机构是齿轮系,外廓尺寸小，重量轻，传动机构惰性小，传动比较大，可采用圆周刻度,并且有较大的测量范围，不仅能作比较测量,也能作绝对测量。

百分表的工作原理，是将被测尺寸引起的测杆微小直线移动，经过齿轮传动放大，变为指计在刻度盘上的转动,从而读出被测尺寸的大小。

百分表的构造主要由3个部件组成：

表体部分、传动系统、读数装置。

六、数据计算:

（一）、齿轮设计

结构简图

1.选择齿轮材料：

考虑百分表的外廓尺寸不宜过大,大小齿轮都选用40Cr,对小齿轮Z2，Z1表面淬火48~55HRC，对大齿轮Z3调制处理，硬度为280HBW

2.强度校核:

1.许用弯曲应力：

因为

又由《精密机械设计基础》课本148页表7-9查表可知

flimb1=600N/mm2

flimb2=1.8HBW=（1.8×280）N/mm2=504N/mm2

取Sf=2,双向传动取KFC=0。

7,Kfl=1

由此可得小齿轮Z2的弯曲应力[

F］1=600÷2N/mm2=300N/mm2

大齿轮Z3的弯曲应力[

F］2=504÷2N/mm2=252N/mm2

转矩：

小齿轮Z1T1=F×r1=1。

5×1N。

mm=1。

5N.mm

小齿轮Z2T2=F×r2=1.5×1。

6N。

mm=2.4N。

大齿轮Z3T3=F×r3=1.5×10N.mm=15N.mm

验算弯曲应力：

由公式

再由又有《精密机械设计基础》课本147页图7—38查图可知

Z2=16Yf2=4。

Z3=100Yf3=3，75

=300÷4.35=68。

9N/mm2

=252÷3.75=67。

2N/mm2

因为

，所以我们应该验算大齿轮的弯曲应力

N/mm2=3。

0375N/mm2＜

=252N/mm2

通过以上校核可知齿轮满足弯曲强度要求,设计合理，可以用于生产

2.确定齿数：

由传动机构的特性我们取各齿轮的齿数z1=10，z3=100

在充分考虑对强度与耐冲击承受能力,我们小组取z2=16

计算齿轮模数：

由传动比的计算公式

式中：

ɑmax：

相应于测杆最大位移的指针转角,Smax：

测杆的最大位移（示值范围）。

——齿轮Z3和Z1的传动比。

—-相应于SmaxZ2轮转角.

——齿条（测杆）与齿轮Ｚ的传动系数。

因Ｚ2齿轮的分度圆半径：

故有：

所以可得：

所以由以上数据可得:

经过国家标准圆整后取m=0.2mm

为减少刀具数量，我们小组将Z1、Z3模数也取与Z2相同.

即m1=m2=m3=0.2mm

4.齿轮几何参数的计算

齿距：

p1=p2=p3=mπ=0。

628mm

各齿轮分度圆直径：

d1=mz1=0。

2×10=2mm

d2=mz2=0.2×16=3。

2mm

d3=mz3=0.2×100=20mm

齿顶高：

ha=m=0.2mm

齿根高：

hf=1.35m=0.27mm

顶隙:

c=0。

35m=0。

07mm

齿厚:

s=πm/2=0。

31415mm

齿间宽:

e=πm/2=0。

31415mm

齿宽：

b1=12m=2。

4mm,

b2=12m=2.4mm

b3=b4=10m=2mm

标准中心距：

a=m×（Z1+Z3）/2=11mm

5.最小变位系数的确定:

因为根切现象的存在，标准齿轮的最小齿数：

由Zmin=2ha＊/sina2有:

当α=20°，ha*=0。

8时，Zmin=14

而所取函数Z1=10

齿数Zmin,对此该齿轮应该采用变为齿轮。

并且采用正变位的方法。

最小变位齿数计算公式:

3．总结

由以上计算，

大小齿轮都选用40Cr，对小齿轮Z2，Z1表面淬火48～55HRC,对大齿轮Z3调制处理，硬度为280HBW

应该选取的3个齿轮为

齿轮1：

分度圆直径d1=2mm，齿宽为b1=2.4mm

齿轮2：

分度圆直径d2=3。

2mm，齿宽为b2=2.4mm

齿轮3：

分度圆直径d3=20mm，齿宽为b3=2mm

齿轮的齿锯为0。

628mm，齿顶高为0.2mm，齿根高为0.27mm，顶隙为0.07mm,齿厚为0.31415mm，齿间宽为0.31415mm，标准中心距为11mm

（二）、游丝设计

1．选取材料：

GB/T3134—1982铍青铜线

优点：

弹性滞后和弹性后效比较小，强度高，可实现在给定特性的条件下减轻重量并具有较好的振动稳定性

加工方法:

回火

2．计算:

1、游丝的最小力矩：

根据生产实践经验

N•mm

计算

N·mm

2、游丝的最大力矩：

总转角=2π

即可求出最大力矩

N·mm

3、游丝的参数：

圈数n=10（转角

，所以圈数选择10）

外径D1=18mm，内径D2=5mm

游丝长度L=

=361.28mm

选定材料为铍青铜，回火处理，所以弹性模量E=

N/mm2，安全系数选择S=3~4,对于接触游丝，宽厚比选择4~8，所以u=b/h=7

游丝的厚度h=

=0。

114mm

游丝的宽度b=uh=0.798mm

经过查《仪器仪表结构设计手册》圆整数据得b=0。

76mm，h=0。

11mm

4、校核最大应力:

σb=

=145。

63N/mm2

查表知许用弯曲应力为1180N/mm2,所以满足设计要求

5、重新确定参数

长度L=

=313。

23mm

圈数N=

=8.67mm≈9mm

圈间距离a=

=0。

72mm

3．游丝座的尺寸系列：

游丝座外径：

5mm；游丝座孔径公称尺寸为3mm，允差+0。

05mm；高度为2mm

4．标记示例：

游丝反型

（3mm为游丝座孔径，18mm为外径,

为转矩M）

5．游丝的技术要求：

游丝转矩允差为±8％

游丝形状应为阿基米德螺旋线,各圈均在垂直于螺旋中心线的平面上，圈距应均与一致

游丝表面粗糙度Ra≤0。

08μm，侧面Ra≤1。

25μm。

游丝座孔内表面粗糙度Ra≤1.25μm，其余表面Ra＞2。

5～5μm

游丝表面应无明显划痕、严重的氧化斑点；应无毛刺、发霉等缺陷

6．游丝内外端的固定方法：

内端采用冲榫的方法固定铆在游丝套上，外端采用锥销楔紧在表的内壳上

7．总结：

游丝材料选择铍青铜线，使用回火加工。

游丝长度L为313。

23mm，圈数n为9，圈间距离为0。

72mm，内径为5mm，外径18mm。

游丝座的外径为5mm，游丝座孔径公称尺寸为3mm，允差+0。

05mm；高度为2mm

（三）、弹簧设计

1．确定工作载荷

考虑到测杆的工作位置可以在多个方向,测杆本身的重力会产生影响,设测杆重力为G，系统对测杆的摩擦力（齿轮、滑动导轨、防转导杆等）为f，弹簧的拉力为F,测杆的测力为T，分3种情况讨论：

a、百分表正放时,重力G与弹簧拉力F同向，是助力,有方程：

f+T=G+F1（此时F最小）；

b、百分表横放时，重力G对弹簧无作用,视为0,有方程F2=f+T,F2即为初拉力（查《精密机械设计基础》P305页图13-17得F2=1N）；

c、百分表倒放时，重力G与弹簧拉力F反向,是阻力，有方程:

F3=G+f+T（此时F最大）。

根据任务书技术要求确定工作载荷F1,F2，技术要求规定测力在0.5N~1。

5N之间.

估计重力G=1N,fmax=0.5N

进而计算出F的范围为0.1N～3N

考虑到弹簧的作用是归零，为使归零迅速、准确，应使弹簧力适当大一点，经计算取9N（要求其初长H0为40mm左右，而最大弹性拉伸量约为12mm）

2．选材

由于百分表弹簧的作用是使测杆完成测量后归零,并无其他特殊用途，故选择碳素弹簧钢65MnⅡ类。

3．选定簧丝直径、

选取中径D2=6mm

假设簧丝直径为0。

25mm、0。

3mm、0。

35mm，验算是否满足下面公式：

其中曲度系数公式

，弹簧的旋绕比C=D/d，

求得

，

查《精密机械设计基础》P296页图13—2得

σb（0。

25）≈2278，σb（0.3）≈2270，σb（0。

35）≈2260

所以应选用0.35mm直径的簧丝

4．计算有效圈数

根据公式：

取λ=10，F0=1N,查表得G=79000N/mm2，求得n=94

5．弹簧自由长度：

H0=nd+d+2D=（94+1）×0.35+2×6=45.25mm

6．总结

由上述计算结果,应该选取65MnⅡ类材料的弹簧,弹簧中径D2为6mm，簧丝直径为0.35mm，圈数94，弹簧自由长度为45.25mm，弹簧的最大拉伸量为12mm。

（四）、测杆设计

测杆选取材料为淬火钢。

测杆直径为5mm，长度121mm.

（五）、导轨设计

由于圆柱面导轨面的加工和检验比较简单,易于达到较高的精度,所以选取圆柱面导轨.

在实际应用中，为减小摩擦阻力，常用不同材料匹配使用.圆柱面导轨一般采用淬火钢

导轨与表壳之间采用螺纹配合.

为了提高圆柱面导轨的精度，必须正确选择圆柱面导轨的配合。

因为导向精度要求较高，所以选用H7/g6配合。

已知测杆直径为5mm，所以导轨内径=5mm，外径=8mm

顶部导轨的长度为7。

4mm

底部导轨的长度为28mm

（六）、其他部件

导杆：

长度为28.2mm

支承片：

采用青铜材料

螺钉：

采用M2和M3标准件

背面外壳：

直径56mm

垫片：

使用2个塑胶垫片，厚度分别为0.8mm和1。

2mm

长指针：

长度为27。

8mm

短指针:

长度为8mm

七、百分表的误差分析：

从百分表的设计原理分析,百分表是没有原理误差的，所以影响示值误差的主要是运动件的原始误差，例如制造误差、安装误差以及运动副的间隙等。

如果我们把齿条与轴齿轮2定位a环，把齿轮A与中心齿轮B定位b环；把指针C与表盘D定位C环，并用Δa，Δa,Δa表示这3个传动环节的误差,则百分表在传动系统中的总误差为ΔL∑，

式中Ka2——轴齿轮2到大齿轮A的传动放大比：

如果对三个传动环节按等误差分配，即Δa=Δb=Δc=1

那么三者对百分表总误差的影响分别为1、1/6、1/154,课件影响最大的是齿条齿轮这一环节.

下面对造成Δa、Δb、Δc三个环节的主要因素进行定性分析.

1.造成Δa的因素

（1）齿条中线与测杆线平行度误差δ1以及测杆与导套配合间隙X1的影响。

平行度误差δ1及间隙x1都会改变轴齿轮2（图3-34）的节圆半径d,从而使传动比（即放大比）发生改变.δ1和X1都是各自独立的随机变量，所以它们应按方和根法进行合成，并将合成结果换算到齿条齿轮的啮合线（即压力线）上去。

即

式中,a为齿轮的压力角.

（2）轴齿轮2的轴颈误差对Δa的影响

轴颈的几何形状误差，会使齿轮2的回转中心发生变动，当此变动方向与齿条齿轮的啮合线方向一致时，造成的示值误差最大，即

设轴颈的公差的下限为-8μm,上限为-2μm，则

同理，轴承孔的形状误差以及与轴的配合间隙将以同样方式影响示值误差。

所以应严格控制配合间隙,一旦发现轴孔磨损后，应立即进行缩孔或更换.

（3）齿条的节距累积误差Δt∑1和齿形误差Δf1以及轴齿轮2的周节累积误差Δt∑2和齿形误差Δf2对Δq的影响Δ3

一般说来，周节或节距的累积误差在绝对测量时起作用，而齿形误差Δf对示值的影响则在相对测量时显得比较突出。

将以上几项误差合成，便得到Δa:

2.造成Δb的因素

造成Δb的因素有齿轮A和齿轮B的周节累节误差和齿形误差以及齿轮A的装配偏心误差。

分析方法同前.

式中，e为齿轮A的偏心量

3.造成Δc的因素

主要有指针回转中心相对刻度盘中心偏心造成的误差Δe和刻度盘的刻线间距误差Δk，这两项误差均属于系统误差。

但由于百分表在具体使用过程中，刻度盘并非固定在一个位置上,Δe和Δk的方向就难于把握住，所以在合成时仍按随机误差处理，即

一般照象复制法坐车的刻度盘，其分度误差不会超过30′，所以相邻刻度艰巨误差不会超过Δk=30′×0.0003×R=0.009R，而偏心误差饿得最大值为2e，故

式中e——偏心量,R-—刻度盘的刻线半径

另外，影响百分表示值误差的还有测力的变化和温度的变化。

通过上述分析，我们了解到百分表的误差来源，其目的不是去搞百分表的设计而进行误差分配，而是让同学对百分表的误差来源有一个定性的认识，从而分析出对示值影响最大的环节，以便对百分表的检定、使用、维修等做到知其所以然。

比如，百分表示值超差的修理，首先应该从传动链的测量链（第一级传动链）下手检查,在齿条齿轮的啮合部位上下工夫，设法避开磨损严重的齿；也可将游丝反向安装，使磨损的齿廓变为非工作面，好的赤廓变为工作面；或者更换新的齿条齿轮。

对指示链的各零件一般不去修理或更换，因为它对示值误差的影响随着放大比的增大而明显减小了

八、百分表的误差检定：

1．示值误差的检定：

表1

准确度

等级

示值误差（μm）

回程误差

（μm）

任意

0.1mm

任意

1mm

工作行程

0~3mm

0~5mm

0～10mm

百分表的示值误差不得超过表1的规定。

百分表检定时使用百分表检定器或其他同等准确度的一起检定。

百分表示值误差的检定是在正反行程的方向上每间隔10个分度进行的。

检定过程如下：

首先将检定器和百分表分别对好零位,当检定器微分筒每转过10个分度后，在百分表上读出误差，知道工作行程终点，接着反向进行检定。

在整个检定过程中，中途不得改变测杆的移动方向,也不准对百分表检定器和受检百分表作任何调整。

反向行程读取误差时，其正负号和正行程时相同.

示值误差是根据正反行程方向所得各点的误差中以最大的正误差绝对值和负误差最大的绝对值之和确定。

若误差符号相同时，以最大与最小值的差值确定。

工作行程内的示值是根据工作行程上各点的误差来求得。

任意1mm范围内的示值误差是根据0~1，1～2，2~3mm……范围内所得各点的误差来求得.

任意0。

1mm范围内的示值误差是以任意相邻两点上的误差求得。

对于任意0.1mm、1mm范围内的示值误差，如果查过了表3的规定时，可以对超差的这一受检范围再单独进行检定，并以此作为检定结果。

2．回程误差

表2

检定位置

误差（μm）

正

（+6）

反

—2

（+3）

正

反

正

+14

+10

反

+12

正

-1

—1

-2

反

-2

正

-2

—2

-3

-2

—1

-1

—2

-1

—1

-2

—3

反

-2

-3

-5

—3

—1

-3

-1

—1

—3

在示值误差检定完后,取正反行程内各对应点的读数之差中的最大值确定回程误差。

若此最大值超过表1的规定，可对该点回程误差进行单独检定.先压缩百分表测杆刀大该点，进行正向读书，继续压缩测杆0.2mm，然后反转百分表检定器微分筒0。

2mm回到该点，进行反向读书，正反向读数之差即为该点的回程误差。

3．示值变动性的检定

将百分表装夹在刚性表架上,使测杆轴线垂直于工作台面，在工作行程的始、中、末三个位置上,分别调整指针，对准某一刻度，以较慢、较快速度移动测杆各五次，每五次中最大读数和最小读数之差即为该位置上的示值变动性。

4．测杆受径向力时对示值的影响

用半径约为10mm的半圆柱测块（量块附件）检定。

首先将百分表固定在刚性表架上,使表的测量轴线垂直于工作台面，然后将测块放在工作台面上，调整百分表和测块，使头与测块圆柱面最高位置接触，然后沿工作台面前后、左右两方位分别往返移动测块2次，其位移量应以测头不离开半圆柱面为限，同一方位移动测块时百分表上所指示的最大值的差值应不超过3μm，这一检定应在工作行程的始、中、末三个位置上进行.

九、百分表的常见故障分析及解决方法

下面几例是经常出现的故障:

1百分表跳针、测杆移动不灵活和卡死的原因以及排除故障的方法:

（1）百分表跳针的原因是：

①齿轮啮合面之间有污物、毛刺;②齿轮轴和轴承孔间有污物、毛刺;③导杆和导糟间有污物、锈蚀或毛刺;④齿轮有伤齿、断齿。

（2）修理方法:

把表撤卸下放进10cm大小的玻璃器皿中,倒入航空汽油,手压住要清洗的零件左右摇动几次或用不掉毛的猪毛刷刷去污物，有锈或毛刺用小刀刮去可符合要求。

2测杆移动不灵活或卡死的故障有：

①测杆弯曲;②测杆与导孔间有污物、锈蚀或毛刺或各配合面上有污物;③套筒松动和上下套筒不同心;④导杆和导槽块松动;⑤导杆过长或弯曲;⑥齿轮两轴孔不同心;⑦齿轮端面和轴承之间的间隙过小;⑧齿条和齿轮啮合太紧；⑨表体扭曲变形。

修理方法:

①矫直测杆;②清洗、除锈或去毛刺；③固紧和校正套筒同心度；④固紧导杆和导槽块；⑤修

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