东北大学精密仪器弹簧压力表课程设计说明书.docx

1、东北大学精密仪器弹簧压力表课程设计说明书课程设计报告设计题目：弹簧管压力表班 级：测控技术与仪器姓 名：赵徐行（画图） 党云丽（说明书） 指导教师：孟红记 梅国晖设计时间： 2012年7月7日-2012 年7月12日第一章课程说明 31.1课程设计的目的 .31.2课程设计的内容 .31.3课程设计的要求 .4第二章课程内容 .52.1设计方案 .52.1.1标尺指针 52.1.2齿轮传动 52.1.3曲柄滑块机构 52.1.4弹簧管 52.1.5游丝 52.2计算及测量 . .62.2.1 弹簧管 72.2.2齿轮传动机构 .122.2.3曲柄滑块机构 .132.2.4齿轮大小的设计 . 1

2、62.2.5轴承的设计 .182.2.6游丝的设计 . 192.2.7表盘及指针的设计 . 202.3仪表非线性设计误差计算 .212.4立体截图 .242.5结论 27参看文献 .28附录 28设计内容计算结果第一章课程说明1.1课程设计的目的课程设计是仪表机构零件课程设计的最后一个教学环节，是综合应用所学知识来解决一个简单工程问题的的实践性环节。通过本课程设计达到以下目的：(1)培养理论联系实际的正确设计思想，培养独立分析、解决工程问题的能力；(2)掌握机械工程设计的一般方法及过程；训练机械设计的基本技能，包括正确使用有关国豕标准及技术规范，设计资料及设计手册；正确进行设计计算、绘图、编写

3、设计说明书等等。1.2设计任务设计普通型弹簧压力表，其技术要求为：(1)测量范围测量下限制为0，测量上限制为0.6，单位为MPa( 10kgf /cm )(2)精度等级：1.5级(3)外形尺寸接头位置为径向；表壳无边；表壳公称直径 D=100mm； H 60mm，B 100mm，a M 20 1.5，s 17 0.28 L 20 0.52，h 5 0.30， d1 6 0.30(4)标尺特性等分分度；标度角：270 ;最小分度值为0.01MPa( 10kgf/cm2)设计内容计算结果(5)仪表结构图图1.1图1.2 图1.31.3设计要求(1)设计装配图1张(A3图纸，594 841)(2)零

4、件图2张(A4图纸，297 420)(3)设计说明书1份设计内容计算结果第二章课程内容2.1设计方案标度角、分度角、分度尺寸、标线尺寸、；指针形状和剖面、指针与标线的重合长度；指针与小齿轮轴的连接结构。2.1.2齿轮传动中心距、模数、小齿轮齿数，大齿轮的扇形角，齿轮付的初始啮合位置，小齿轮轴的结构，扇形齿轮的结构。2.1.3齿轮滑块结构可调节环节的结构；曲柄长度调节范围；连杆长度；弹簧管自由端的结构；机构初始位置的调节范围。2.1.4弹簧管弹簧的中心角，中心曲率半径，剖面形状及长轴、短轴半径。固定 端及自由端的结构。2.1.5游丝外径、内径、剖面厚度及宽度、圈数及内外端连接方法。设计内容计算结

5、果2.2测量计算一、原始参数的设定表2.2.1原始参赛设定毛胚外径壁厚簧管内径截面短轴量程上限dhDi2BP15mm0.5mm64mm4.9mm0.6Mpa弹性模量纯中心角自由端长分度数机构组数EfNn112700Pa2505.0mm6025、基本尺寸设定表2.2.2基本尺寸设定长半轴a短半轴b壁厚h参数X系数a10.1325 mm2.20.50.16780.43mmmm系数B纯中心角簧管中径自由端长自由端角wYRf0.12225034.45mm5.0mm管端位Smax自由位移连杆长1曲柄长r偏距eS max2.68732.727824.41039.764111.7169mmmmmmmmmm压

6、力角传动角滑块夹角连杆夹角初始角ao(J)o2.2.1弹簧管弹簧管是一根弯成270度圆弧的具有扁圆形或椭圆形截面的空心 弹性元件。管子的一端封死为自由端，另一端固定在传压管的接头上。 当被测液体流入弹簧管内时，其密封自由端产生弹性位移 （受大于大气压的压力作用时向外扩张，受小于大气压的压力作用时向内收 ）。然后经过传动放大机构带动指针偏转，指示出压力的大小。 弹簧管的自由端铰销中心B的最大位移为Smax 弹簧自由端A的最大位移为Smax。Smax和Smax的关系如图2.1图2.1结构草图设计内容计算结果弹簧管的相关数据计算如下：A=10.3825mm1弹簧管的尺寸规格a=10.1325mm根据

7、椭圆的性质，b=2.2mm2 (2A 2B)3.1416 (2Bh) 3.1416(d h)(2.2.1)R=34.45mm外长轴半径A(d 2B) 3.1416/4 BX=0.1678(15 2 2.45) 3.1416/42.45(2.2.2)10.3825mm簧管内长半轴a A h /2 10. 38250. 5 / 210. 1325mm(2.2.3)簧管内短半轴b B h/2 2.450. 5/ 2 2. 2mm(2.2.4)弹簧中径R D / 2B 64 / 22. 45 34. 45mm(2.2.5)参数X RH/ a234.45 0.5/ 10. 132520. 1678(2.

8、2.6)2.弹簧管中心角相对变化量P 1 2R2 (1b2)Eb h (1a2) X2(2.2.7)cc 1 0.32 34.452n(22.221 210.132520.= 112700 2.2 0.50.430.122 0.16782=0.01426设计内容计算结果3.自由端铰销中心B最大位移图2.2传动草图Smax=2.6873mm设计内容计算结果(2)自由端A的最大位移Smax , S 与0切线t-t的夹角分别为:, 1 1 costan sinta n/ f cos1 cos 1 Rf sinsin R小小 5 4.3633cos10 cos250 tan 1 34.455 4.36

9、33sin104.3633 sin 250 34.4520.734.弹簧管的强度校验弹簧管壁的法向应力n和切向应力t按下式计算p R22ab22 a3X2P R22ab22 a3X2()()(2.2.12)(2.2.13)式中和需要从表中查出。“ +”对应于弹簧管外壁，“一”对应于弹簧管内壁。设计内容计算结果最大当量应力d为弹簧管的(2214)dmax位置决定于弹簧管尺寸比例，有以下几种情况:(1)2时,dmax在短轴上;(2)0时，须按公式计算各点的 d，做d的分布图，方能确定d max及其位置;(3)当 a 4X Ra2h0.4时，强度危险点出现在长轴上。当u=0.3时，最大的当量应力 d

10、按下式计算:(2.2.15)2.66X2a=10.1325mm b=2.2 mm0.593有基本尺寸知：查表知：并且强度危险点出现在长轴上，取 u=0.3。则最大的当量应力R b2 d P2 (1 一2)a a34.4520.6 210.1325269.425MpaR b、2.662.22210.13252.660.122 0.16782 0.593(2.2.16)弹簧管的安全系数S= p 2.15d()p S d 2.15 69.425 149.264Mpa设计内容计算结果根据所计算出的 p 149.264我们选定锡磷青铜 Qsn4-0.3硬材料作为弹簧管的铸造材料其材料比例极限为 p 60

11、0MPa2.2.2齿轮传动机构参考文献选择齿轮速比，计算齿轮相关参数如下：1.选择速比2.计算出扇形齿轮工作转角aw;aw L ()ig式中，一标度角， 270刚 270则 aw 2013.5选定小齿轮的齿数，在一般情况下为了避免根切现象的发生，我们一般选用齿轮齿数大于17的齿轮，这里我们所选用的小齿轮的齿数为18贝根据ig 玉得g乙Z2 igZ1 13.5 18 243 ()根据所设计的压力表表身的尺寸来进一步设计直齿圆柱齿轮与扇行齿轮的中心距，初步设定其中心距为 26.0356m 2a0 2 26.0356 - 八贝U m 0.1995 ()乙 Z2 18 243在标准中选取齿轮模数m=0

12、.2设计内容计算结果3.精算中心距1 1a -mZ, Z2 一 0.2 18 243 26.12 2（）4.扇形齿轮的扇形角扇形齿轮的扇形角2按下式确定：2702i g ig（）270 2 2013.5所以取扇形角2 302.2.3曲柄滑块机构由于弹簧管具有线性特征，齿轮传动放大机构具有恒定的速比，只有曲柄滑块机构的速比也是固定的，才能得到均匀分度标尺。虽然曲柄滑块机构的速比是机构尺寸和位移的函数，但是只要合理选择各杆长度和机构出事位置及工作范围，可得到近似于常数的速比。对曲柄滑块机构的相关参数计算如下：1.曲柄长 / 2 2 r S max /(sin 0 sin max (cos 0 )2

13、 一 2 (COs max )（）2.7278/ sin 13 sin( 3 ) v2.52 cos13 1.2 2 J2.52 cos3 1.2 29.7641mm2.连杆长l r 2.5 9.7641 24.4103mm()e r 1.2 9.7641 11.7169mm设计内容计算结果3.滑块夹角x=14.8038mm（）y=21.4178mm4.传动角a=26.0359mm0 90 0 0 9013 5.1659 82.1570（）5. O点坐标O点横坐标x R f sin Isin 0rsi n 34.45 5sin10 24.4103sin 5.1569 20.73（）9.7641

14、sin 82.1570 5.1569 20.7314.8038mmO点纵坐标1y f cos l cos 0rcos 0 0 5cos10 24.4103cos 5.1569 20.73（）9.7641cos82.1570 5.1569 20.7321.4178mm6.齿轮中心距a OO Jx2 y2 V14.80382 21.41782 26.0359mm（）在曲柄滑块中所设计的a与齿轮机构所设计的a大致相符误差为0.011523%,符合要求。设计内容计算结果综合上述计算结果，可画出如下机构图：图曲柄滑块机构草图设计内容计算结果224齿轮大小的设计齿轮基本参数：模数m=0.2压力角a =20

15、大轮齿数乙=243小轮齿数乙=18参数 C* 0.35 h* 1齿轮相关尺寸计算如下：1.分度圆直径d1 m乙 0.2 18 3.6mm(2.2.31)2.齿顶圆咼ha h*a m 1 0.2 0.2mm(2.2.32)3.齿根高hf h*a c* m 1 0.35 0.2 0.27mm(2.2.34)(正常齿h* 1模数mW 0.15时C* 0.35 )4.齿全高h ha hf 0.2 0.27 0.47mm(2.2.35)5.齿根圆直径df2 Z2 2h*a 2c* m 243 2 1 2 0.35 0.2 48.06mm(2.2.36)设计内容计算结果6.齿顶圆直径乙 乙*2h m*18

16、 2 1 0.2 4mm243 2 1 0.2 49mm（）S=0.3142mm e=0.3142mm a=26.1mmda1da22hm7.基圆直径C=0.07mmdb1 d a，COS4cos20 3.7588mm（2.2.38）db2 da2 COS49cos20 46.0449mm8周节Pm3.14160.20.628（2.2.39）9.齿厚m3.14160 2S0.3142mm22（2.2.40）10.齿间宽m3.141602e0.3142mm（2.2.41）2211.中心距a1 d1d213.648.6 26.1mm（2.2.42）2212顶隙*C cm0.350.20.07 mm

17、（）13.齿轮传动速比i go270 /270/20 13.5（2.2.43）设计内容计算结果仪表工作时，其构件有的转动，有的移动，有的作复杂运动。为保 持机构作确定的相对运动，各相临机构之间必须用支撑和导轨连接。本设计所选用的支撑为圆柱支撑。为了适应压强大、转速高的场合， 我们选取的有具备良好的减摩、耐摩性能好的 QSN 6 3 轴承间隙是靠选择适当的基孔制间隙配合保证的。 轻载、转速高、精度所选的青铜的摩擦系数为0.2，所选取小齿轮的重量为0.03N，大 齿轮的重量为0.24N。选取轴承的轴径的直径dz为2.00mm轴承的直径为2.2mm分析轴承的力矩情况：当轴颈未转动时，轴颈与轴承在最低

18、点接触。轴承的支反力N与轴 颈的径向负荷Q相平衡。当轴径受驱动力作用后，开始转动，由于接触处有摩擦，轴径沿轴 承孔内表面滚至点偏离最低点的其他位置。这时，该点除作用有轴承的 法向支反力N外，还有摩擦力F: F=f N 式中f 摩擦系数。轴承的总支反力R为：R= N2 F2 =N 1 f2又根据轴颈离平衡条件有：Q=RN=Q.1pl因f21，故上式可简化为：Tm=f Q- z N mm2式中 dz轴颈的直径，mm该式表明，轴承的摩擦力矩与摩擦系数、轴颈直径和负荷成正比设计内容计算结果d 2综上所述：Tm=f Q1 丄=0.2 x 0.03 x 2 =0.006 N mm2 2d 2T mf Q2

19、 丄=0.2 x 0.24 x 匕=0.048 N mm2 2Tm1=0.006 N - mmTm2=0.048 N mmT=0.00995 N mm2.2.6游丝的设计游丝的功能是保持仪表传动系统单向接触， 消除齿轮。铰销消除产生的回差。游丝的最小弹性力矩 Mmin能克服仪表传动系统的阻力、驱动传动机构。选择材料为磷青铜 E=120000 MPa b=600MPa选定游丝外径 D仁11 mm 游丝内径 D2=4 mm h=0.092mmb=0.56mm l=235.62mm, n=10。一般取S-1020是为了获得稳定的弹性和减小残余变形， 以提高仪表的精度。因此，本设计取 S=20, =9

20、0%由上面可知，T m=0.006 N mm T m=0.048 N mm式中T 小齿轮上的当量摩擦力矩，S 安全系数，Tmin=S Tf=3 0.00995 1000=29.8i 12 齿轮传动的速比i伐=互，2乙齿轮传动的效率，Tm1、T m小齿轮、大齿轮轴的摩擦力矩，根据齿轮轴部件的重量计算，在装配草图设计后进行。游丝在工作时，内端置于套环端面的槽中，然后冲铆，使槽闭和夹紧游丝。游丝外部用圆锥销将游丝外端楔紧在基体的空中， 是可拆卸连接，允许改变游丝的长度，以调节游丝的刚度。设计内容计算结果1.表盘的设计n=60表盘旋转度数为270，最大量程为0.6 MPa，最小分度值为0.1 MPa,

21、b=7.07mm所以每一分度值所对应的角度为4.5。c=11.45mm分度尺寸： 丨 45 /180 45 3.53a=0.35mm分度数：n=60B=1.75mmA Amax Amin .6L=10.605mm八宀 c u. u i ivir a分度值： n 60短分度线长度b可取为分度尺寸1的2倍左右，即b 2 l 2 3.53 7.07长分度线长度c取为c 1.62b 11.45mm（2.2 .50）分度线的宽度：当 10%时，平均读数误差最小，取a 0.1 l 0.35l2.指针的设计指针所选材料为SQn3-3L=1.5 x b=1.5 x 7.07=10.605mm指针略图设计内容计

22、算结果2.3仪表非线性设计误差计算弹簧管压力表标尺为线形分度，弹簧管为线性特性，齿轮传动的速比是常数，但是曲柄滑块机构的理论特性 s是超越函数，这必然造成仪表设计原理上的非线性误差。应按标尺分度尺寸逐点计算其非线 性误差，其值应不超过仪表精度允许值的三分之一。第j个分度的非线性误差按卜式计算：do j j j jJ J J 100%()j 1 JJ /on式中， 曲柄对应于每1分度的线性转角0 max()nn 标尺的分度数max 曲柄取大位置角0 曲柄初始位置角j对应于Sj j S的曲柄实际位置角，按曲柄滑块机构的位移方程计算：, .il2 e2 r2 H2 1 e()j sin 2 tg H

23、2rg H2 HSj Jl2 (e rcos 0)2 rsin 0()S 对应于每一分度的铰销中心 B的取大位移。1个分度非线性原理误差计算方法：(1)曲柄线性转角j 0()(2)曲柄实际转角j f S max f sn()(3)非线性绝度误差j j()(4)非线性相对误差 100%0 max()(5)第j个分度的非线性误差 do j j jIj 彳 ccc/j n100%设计内容计算结果序号分度值线性转角aj曲柄实际 转角非线性绝对误差非线性相 对误差10.0112.733312.73190.00140.00900020.0212.466712.46390.00280.01720030.03

24、12.200012.19610.00390.02450040.0411.933311.92840.00500.03090050.0511.666711.66080.00590.03660060.0611.400011.39340.00660.04150070.0711.133311.12600.00730.04560080.0810.866710.85880.00790.04910090.0910.600010.59170.00830.051800100.110.333310.32470.00860.053900110.1110.066710.05780.00890.055300120.129.80009.79100.00900.056200130.139.