天津大学课程设计弹簧管压力表设计报告完整版.docx

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天津大学课程设计弹簧管压力表设计报告完整版

成绩：

《精密机械设计》课程设计说明书

压力表设计

学院精密仪器与光电子工程学院

专业测控技术与仪器

年级

班级

姓名

学号

同组人

年月日

一.设计任务概述

1.课程设计的目的

2.弹簧管压力表的设计任务要求

3.技术指标

二.弹簧管压力表概述

1.压力表的组成

2.工作原理

三.参数选择计算

1弹簧管：

结构设计计算、末端位移计算

2.曲柄滑块机构：

结构设计计算

3.齿轮传动结构：

结构参数计算

4.游丝：

参数计算

四.所绘制零件结构参数设计说明

五.标准化统计

六.课程设计总结

七.参考文献

一.设计任务概述

1.课程设计的目的

（1）.巩固、实践课堂讲过的知识

本课程设计的内容（任务）：

本次课程设计就是把学过的知识应用到机械仪表的设计中，培养同学从整体上分析问题、解决问题的能力。

并进一步加深对学过的知识的理解、巩固。

（2）.掌握正确的设计思想。

通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。

机械产品设计，一般其主要过程为：

（接受）设计任务－（拟定）设计方案－设计计算－绘制装配图－绘制零件图

（3）.设计过程中需注意以下内容：

1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）

2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）

（4）.熟悉有关规范、标准、手册

设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。

因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。

2.压力表设计任务要求

（1）.总装配图一张

（2）.一张相关零件图（3号或4号图）

（3）.设计说明书一份

3.技术指标

（1）.测量范围0～0.25Mpa

（2）.外廓尺寸外径<150mm高度<50mm

（3）.接口尺寸M20×1.5（普通螺纹、外径20、螺距1.5）

（4）.标尺等分刻度（满程0.25Mpa）

标度角270、分度数50（格）、

分度值（0.005Mpa）

（5）.精度1.5级

二.弹簧管压力表概述

1.压力表的组成

弹簧管压力表是一种用来测量气体压力的仪表。

压力表的组成：

灵敏部分（弹簧管）

传动放大部分（曲柄滑块、齿轮机构）

示数部分（指针、刻度盘）

辅助部分（支承、轴、游丝）

2.工作原理

作为灵敏元件的弹簧管可以把气体压力转变为管末端的位移，通过曲柄滑块机构将此位移转变为曲柄的转角，然后通过齿轮机构将曲柄转角放大，带动指针偏转，从而指示压力的大小。

将转角放大便于测量，可以提高测量精度。

压力表工作原理框图

弹簧管的压力－位移是线性关系，但弹簧管本身的工艺问题（如材料、加工等）会造成一些线性误差，弹簧管形状的不直、不均匀也会导致非线性误差。

曲柄滑块机构可以补偿弹簧管的线性及非线性误差。

从0～0.25Mpa调整满足满刻度精度为线性误差调整，中间部分不均匀调整为非线性误差调整。

三.参数选择计算

1.弹簧管的设计计算

（1）.弹簧管的工作原理

弹簧管在内压力的作用下，任意非圆截面的弹簧管的截面将力图变为圆形。

从管子中截取中心角为d的一小段。

通入压力p后，管截面力图变圆，中性层x－x以外各层被拉伸（如efe’f’），以内各层被压缩（如kik’i’）。

材料产生弹性恢复力矩，力图恢复各层原来长度，从而迫使截面产生旋转角d，使管子中心角减小，曲率半径增大。

若管子一端固定，自由端便产生位移，直至弹性平衡为止。

（2）.末端位移计算

1）弹簧管中心角变化与作用压力之间的关系

注：

和’－弹簧管变形前、后的中心角

R－弹簧管中性层初始曲率半径

h－管壁厚度

a和b－横截面中性层长轴半径和短轴半径

E和－材料的弹性模量和泊松比

C1和C2－与a/b有关的系数，查表取之

2）位移切向分量St

3）位移径向（法向）分量Sr

4）自由端位移S

5）位移与切向分量夹角

根据设计要求，按照现有的弹簧产品规格，选定尺寸参数如下的弹簧管：

毛坯外径＝15mm

中径R＝50mm

壁厚h＝0.3mm

中心角´´＝240

材料锡磷青铜Qsn4-0.3

E＝1.127105Mpa

＝0.3

弹簧管截面与轴比a/b＝4

查表得C1=0.437C2=0.121

根据弹簧管外径不变可得a＝10.10，b＝2.52

=´´-10-5=225p=0.25MPa

经计算得

1）（-’）/=0.019

2）St=4.43mm

3）Sr=1.63mm

4）S=4.72mm

5）=20.2°

2.曲柄滑块机构：

结构设计计算

选参数：

i齿=15,g=18

=1、=4

0＝e－g/2

k＝e＋g/2

对于=1、=4的曲线有e=0

0＝-g/2=-9°

k＝g/2=9°

1）计算曲柄长度a

最大位移Smax，上式中k

2）计算连杆长度b和偏距e

连杆长b=a偏距e=a

3）连杆b初始位置与弹簧管末端位移s夹角

bsin=e-acosk

经计算得：

1）a=15.1mm

2）b=60.4mme=15.1mm

3）=0.18°

3.齿轮传动结构：

结构参数计算

初定齿轮中心距A’（根据曲柄滑块机构参数计算）

1）求c’（过渡量）：

OBD中

2）求A’：

O’BO中

经计算得：

（1）C’=59.97mm

（2）A’=51.71mm

3）选定标准中心距A（i12即前述i齿）

由验算得m=0.3Z1=21时A’与A最接近

经计算A=50.4mmZ2=315

da1=6.9mmda2=95.1mm

d1=6.3mmd2=94.5mm

df1=5.5mmdf2=93.7mm

4）扇形齿轮扇形角

扇=g（1+25%）+2×2齿对应中心角=27.1°

5）修正连杆长度b

（1）求c（改变c’）：

OBO’中

（2）求b：

OBD中

经计算得c=58.4mmb=58.7mm

6）原理误差

对应曲柄转角的理想位移

对应曲柄转角的实际位移

原理误差1％为合格

非线性度校验：

曲柄每转过2进行一次误差计算。

序号

计算点αn

理想值Sn

实际值Sn’

绝对值

|Sn-Sn’|

相对值

|Sn-Sn’|/Smax

1

-9°

0

0

0

0

2

-7°

0.52498

0.52181

0.00317

0.067％

3

-5°

1.04996

1.04596

0.00400

0.085％

4

-3°

1.57494

1.57177

0.00317

0.067％

5

-1°

2.09992

2.09856

0.00136

0.029％

6

1°

2.62489

2.62567

0.00078

0.017％

7

3°

3.14987

3.1247

0.00260

0.055％

8

5°

3.67485

3.67833

0.00348

0.073％

9

7°

4.19983

4.20264

0.00281

0.059％

10

9°

4.72481

4.72481

0

0％

△≤1％经验证合格

4.游丝设计

选定参数

（1）工作角度最小工作转角1=/2M1=Mmin

最大工作转角2=2

（2）工作圈数n=9

（3）宽厚比u=6

（4）外径D135mm

内径D26mm

（5）标尺、指针参数

短轴线长度：

5mm

长轴线长度：

10mm

指针与标线重合长度：

2mm

指针形状：

楔杆形

指针末端宽度：

2mm

材料锡青铜QSn4-3

E=1.2105Mpa

强度极限b=600Mpa

安全系数S=3

[b]=b/S=200Mpa

计算：

1）中心小齿轮Mfz1的计算－取两者中大者参与后序计算

*压力表立放，轴水平（f=0.2Fr=0.063Nd=2mm）

*压力表平放，轴立（d2=1.1d1Fa=0.063）

2）扇形齿轮Mfz2的计算

（计算步骤同上，并取大者）（把1中Fr换成0.056，Fa换成0.056）

经计算:

立放：

Mfz1=1.98×

平放：

Mfz1=1.32×

立放：

Mfz2=1.76×

平放：

Mfz2=1.17×

分别取Mfz1,Mfz2中的最大者（立放时）

由

（i21=1/15=0.9）

得Mfz=31.28×

3）最小力矩Mmin的计算

（k=2.5）

经计算得Mmin=104×

4）几何尺寸计算

（1）初定长度

（2）厚度圆整到0.01

（3）宽度由圆整后的h计算

（4）校核应力

经计算得：

L=579.6mmh=0.28mmb=1.7mm

σb=184MPa＜[b]=200MPa

所以满足要求

5）最后确定L、n、a（圈间距）-圆整后的b、h

K-同时盘绕游丝个数－取整

经计算得L=579.6mmn=9a=1.6mm

K=3.73≈4

四.所绘制零件结构参数设计说明

1）按仪表特性的要求确定零件尺寸

如弹簧管2a、2b、h、、R

曲柄滑块机构a、b、e、0、k

齿轮i、Z1、Z2、m

2）按标准化规范确定零件尺寸

（1）标准尺寸（有关标准、规范）

如螺纹、锥度、倒角、直径、m

（2）标准件（标准件越多，设计越好）

销钉、螺钉、螺母、垫圈、轴承；游丝亦有标准，但本设计里标准游丝不合适，需自行设计非标准游丝。

3）由材料规格确定

如弹簧管的毛坯外圆（圆管材），即查材料规格；（卡玻璃的）钢丝直径、外壳铁板厚度、夹板厚度，均需查手册，或参考样机。

4）由空间结构确定

（1）安排尺寸（轴向）

如中心轮安装指针的轴的长度，需按轴向安排尺寸确定，玻璃－上夹板－下夹板－壳……

（2）零件结构尺寸

计算的是特性尺寸，具体零件结构尺寸自行设计。

足够的运动空间（平面）

如表盘螺钉不得妨碍指针运动；夹板柱不得妨碍运动件；曲柄滑块机构不得碰壳；机芯应能入壳等。

5）类比

指针长度、刻度盘刻线长度、扇形轮形状等；拆表时应多测量样机的尺寸为设计提供参考；参考教材中有关示数装置的内容。

五.标准化统计

零件名称

数量

材料

国标代号

开槽盘头螺钉M3

6

H62

GB/T67-2000

开槽沉头螺钉M6

3

H62

GB/T68-2000

垫圈1

6

H62

GB/T97.1-2002

垫圈2

1

H62

GB/T97.1-2002

封铅

1

Pb-6

GB469-84

圆锥销1×6

1

HPb59-1

GB/T117-2000

标准件总数：

18

零件总数：

44

标准化率：

40.9﹪

六．课程设计总结

压力表是工业中常用的测量气体压力的仪表，在工业生产中具有举足轻重的地位。

在实际应用要求中十分严格。

要求有足够的精度、灵敏度，并要求安全可靠，同时根据不同的工作任务和条件，对压力表应提出特殊的要求，如耐高温、抗震、防潮、防尘等。

本设计要求为普通工业气体压力表。

我们设计的方案为弹簧管压力表，它具有高灵敏度、低造价、结构简单、传动平稳、易于加工等特点，很适合作为初学者学习，经过以上设计及计算表明，该方案基本上达到了设计的要求，完成了所规定的任务。

同时方案也存在不足之处，对工作环境及测量气体均无具体的要求。

另外，外界环境的温度、湿度和测量气体对压力表的腐蚀都可能使压力表精度降低。

这三个星期的设计实践，使我把学过的知识应用到机械仪表的设计中，培养了我从整体上分析问题、解决问题的能力。

并进一步加深了对学过的知识的理解、巩固。

使我学习、掌握查阅标准及使用手册的能力，进一步熟悉了精密机械设计的相关要求，复习了工程制图的一些基本内容和细节，认真的计算了各个参数，经过不断的修改，努力的完成了设计任务，同时培养了我刻苦认真的品质。

在此期间，也得到了老师和同学们的很多帮助，体会到了团结的力量。

七.参考文献

庞振基、黄其胜主编，《精密机械设计》，机械工业出版社。

何贡主编，《互换性与测量技术》，中国计量出版社。

庞振基、张弼光主编，《仪表零件及机构》，天津大学出版社。

高魁明主编，《热工测量仪表》，冶金工业出版社。

陈文贤主编，《仪器仪表结构设计手册》，哈尔滨工业大学出版社。

《精密机械零件手册》，天津大学出版社。