東北大學(xué)精密儀器彈簧壓力表課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：彈簧管壓力表班 級(jí)：測(cè)控技術(shù)與儀器學(xué) 號(hào)：20112930 20112902姓 名：趙徐行（畫(huà)圖） 黨云麗（說(shuō)明書(shū)）指導(dǎo)教師：孟紅記 梅國(guó)暉設(shè)計(jì)時(shí)間：2012年7月7日-2012年7月12日目錄第一章 課程說(shuō)明31.1 課程設(shè)計(jì)的目的.31.2 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容.31.3 課程設(shè)計(jì)的要求.4第二章 課程內(nèi)容.52.1 設(shè)計(jì)方案.5 2.1.1標(biāo)尺指針.5 2.1.2齒輪傳動(dòng).5 2.1.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu).5 2.1.4彈簧管.5 2.1.5游絲.52.2 計(jì)算及測(cè)量.6 2.2.1彈簧管.7 2.2.2齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu).12 2.2.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu).13 2.2.4齒輪

2、大小的設(shè)計(jì).16 2.2.5軸承的設(shè)計(jì).18 2.2.6游絲的設(shè)計(jì).19 2.2.7表盤(pán)及指針的設(shè)計(jì).202.3 儀表非線性設(shè)計(jì)誤差計(jì)算.212.4 立體截圖.242.5 結(jié)論.27參看文獻(xiàn).28附錄.28設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果第一章 課程說(shuō)明1.1課程設(shè)計(jì)的目的 課程設(shè)計(jì)是儀表機(jī)構(gòu)零件課程設(shè)計(jì)的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決一個(gè)簡(jiǎn)單工程問(wèn)題的的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)達(dá)到以下目的：(1)培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析、解決工程問(wèn)題的能力；(2)掌握機(jī)械工程設(shè)計(jì)的一般方法及過(guò)程；(3)訓(xùn)練機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能，包括正確使用有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)資料及設(shè)計(jì)手冊(cè)；正確進(jìn)行

3、設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)等等。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)普通型彈簧壓力表，其技術(shù)要求為：（1）測(cè)量范圍 測(cè)量下限制為0，測(cè)量上限制為0.6，單位為MPa()（2）精度等級(jí): 1.5級(jí)（3）外形尺寸接頭位置為徑向；表殼無(wú)邊；表殼公稱(chēng)直徑D=100mm；，（4）標(biāo)尺特性等分分度；標(biāo)度角：；最小分度值為0.01MPa設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果(5)儀表結(jié)構(gòu)圖 圖1.1 圖1.2 圖1.3 1.3設(shè)計(jì)要求（1）設(shè)計(jì)裝配圖1張（A3圖紙，）（2）零件圖2張（A4圖紙，297420）（3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1份設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果第二章 課程內(nèi)容2.1設(shè)計(jì)方案2.1.1標(biāo)尺指針 標(biāo)度角、分度角、分度尺寸、標(biāo)線尺寸、；指針形狀和剖

4、面、指針與標(biāo)線的重合長(zhǎng)度；指針與小齒輪軸的連接結(jié)構(gòu)。2.1.2齒輪傳動(dòng)中心距、模數(shù)、小齒輪齒數(shù)，大齒輪的扇形角，齒輪付的初始嚙合位置，小齒輪軸的結(jié)構(gòu)，扇形齒輪的結(jié)構(gòu)。2.1.3齒輪滑塊結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)；曲柄長(zhǎng)度調(diào)節(jié)范圍；連桿長(zhǎng)度；彈簧管自由端的結(jié)構(gòu)；機(jī)構(gòu)初始位置的調(diào)節(jié)范圍。2.1.4彈簧管彈簧的中心角，中心曲率半徑，剖面形狀及長(zhǎng)軸、短軸半徑。固定端及自由端的結(jié)構(gòu)。2.1.5游絲外徑、內(nèi)徑、剖面厚度及寬度、圈數(shù)及內(nèi)外端連接方法。設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果2.2測(cè)量計(jì)算1、 原始參數(shù)的設(shè)定表2.2.1 原始參賽設(shè)定毛胚外徑d壁厚h簧管內(nèi)徑Di截面短軸2B量程上限p15mm0.5mm64mm4.9mm0.

5、6Mpa彈性模量E純中心角自由端長(zhǎng)f分度數(shù)N機(jī)構(gòu)組數(shù)n112700Pa2505.0mm6025 2、 基本尺寸設(shè)定長(zhǎng)半軸a短半軸b壁厚h參數(shù)X系數(shù)10.1325 mm2.2 mm0.5 mm0.16780.43系數(shù)純中心角簧管中徑R自由端長(zhǎng)f自由端角。0.12225034.45mm5.0mm管端位Smax自由位移Smax連桿長(zhǎng)l曲柄長(zhǎng)r偏距e2.6873mm2.7278mm24.4103mm9.7641mm11.7169mm壓力角 傳動(dòng)角 ?；瑝K夾角。連桿夾角初始角。 表2.2.2 基本尺寸設(shè)定2.2.1彈簧管彈簧管是一根彎成270度圓弧的具有扁圓形或橢圓形截面的空心彈性元件。管子的一端封死為

6、自由端，另一端固定在傳壓管的接頭上。當(dāng)被測(cè)液體流入彈簧管內(nèi)時(shí)，其密封自由端產(chǎn)生彈性位移(受大于大氣壓的壓力作用時(shí)向外擴(kuò)張，受小于大氣壓的壓力作用時(shí)向內(nèi)收)。然后經(jīng)過(guò)傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，指示出壓力的大小。彈簧管的自由端鉸銷(xiāo)中心B的最大位移為彈簧自由端A的最大位移為。和的關(guān)系如圖2.1圖2.1 結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果彈簧管的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算如下：1.彈簧管的尺寸規(guī)格根據(jù)橢圓的性質(zhì)， （2.2.1） （2.2.2） 簧管內(nèi)長(zhǎng)半軸 （2.2.3） 簧管內(nèi)短半軸 （2.2.4）彈簧中徑 （2.2.5）參數(shù) （2.2.6）2.彈簧管中心角相對(duì)變化量 （2.2.7） = =0.01426A=10.382

7、5mma=10.1325mmb=2.2mmR=34.45mmX=0.1678設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果3. (1)自由端鉸銷(xiāo)中心B最大位移 (2.2.8) 圖2.2 傳動(dòng)草圖=2.6873mm設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果（2）自由端A的最大位移 （2.2.9） (3) Smax , Smax與切線t-t的夾角分別為： （2.2.10） （2.2.11） 4. 彈簧管的強(qiáng)度校驗(yàn)彈簧管壁的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力按下式計(jì)算 （2.2.12） （2.2.13）式中和需要從表中查出?！?”對(duì)應(yīng)于彈簧管外壁，“”對(duì)應(yīng)于彈簧管內(nèi)壁。設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果最大當(dāng)量應(yīng)力為 （2.2.14）彈簧管的位置決定于彈簧管尺寸比例，有以下幾種情況：（1

8、） 當(dāng)時(shí)，在短軸上；（2） 當(dāng)時(shí)，須按公式計(jì)算各點(diǎn)的，做的分布圖，方能確定及其位置；（3） 當(dāng)時(shí)，強(qiáng)度危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在長(zhǎng)軸上。當(dāng)u=0.3時(shí)，最大的當(dāng)量應(yīng)力按下式計(jì)算： （2.2.15）有基本尺寸知：a=10.1325mm b=2.2 mm 查表知：并且強(qiáng)度危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)在長(zhǎng)軸上，取u=0.3。則最大的當(dāng)量應(yīng)力： (2.2.16) 彈簧管的安全系數(shù)S= （2.2.17）設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果根據(jù)所計(jì)算出的我們選定錫磷青銅Qsn4-0.3硬材料作為彈簧管的鑄造材料其材料比例極限為MPa2.2.2齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參考文獻(xiàn)選擇齒輪速比，計(jì)算齒輪相關(guān)參數(shù)如下：1.選擇速比 2.計(jì)算出扇形齒輪工作轉(zhuǎn)角; （2.2.18）

9、 式中，標(biāo)度角，則選定小齒輪的齒數(shù)，在一般情況下為了避免根切現(xiàn)象的發(fā)生，我們一般選用齒輪齒數(shù)大于17的齒輪，這里我們所選用的小齒輪的齒數(shù)為18則，根據(jù)得 （2.2.19） 根據(jù)所設(shè)計(jì)的壓力表表身的尺寸來(lái)進(jìn)一步設(shè)計(jì)直齒圓柱齒輪與扇行齒輪的中心距，初步設(shè)定其中心距為26.0356則 （2.2.20）在標(biāo)準(zhǔn)中選取齒輪模數(shù)m=0.2設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果3. 精算中心距 （2.2.21）4.扇形齒輪的扇形角扇形齒輪的扇形角按下式確定： （2.2.23） 所以取扇形角2.2.3曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由于彈簧管具有線性特征，齒輪傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)具有恒定的速比，只有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的速比也是固定的，才能得到均勻分度標(biāo)尺。雖然曲柄滑

10、塊機(jī)構(gòu)的速比是機(jī)構(gòu)尺寸和位移的函數(shù)，但是只要合理選擇各桿長(zhǎng)度和機(jī)構(gòu)出事位置及工作范圍，可得到近似于常數(shù)的速比。 對(duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下：1.曲柄長(zhǎng) （2.2.24）2. 連桿長(zhǎng) （2.2.25）設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果3. 滑塊夾角 （2.2.26）4. 傳動(dòng)角 （2.2.27）5. O點(diǎn)坐標(biāo) O點(diǎn)橫坐標(biāo) （2.2.28） O點(diǎn)縱坐標(biāo) （2.2.29） 6.齒輪中心距 （2.2.30） 在曲柄滑塊中所設(shè)計(jì)的a與齒輪機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的a大致相符誤差為0.011523%，符合要求。x=14.8038mmy=21.4178mma=26.0359mm設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果綜合上述計(jì)算結(jié)果，可畫(huà)出如下機(jī)構(gòu)圖：圖2

11、.2.3.1曲柄滑塊機(jī)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果2.2.4齒輪大小的設(shè)計(jì)齒輪基本參數(shù)：模數(shù)m=0.2壓力角=20大輪齒數(shù)=243小輪齒數(shù)=18參數(shù) 齒輪相關(guān)尺寸計(jì)算如下：1. 分度圓直徑 （2.2.31） 2. 齒頂圓高 （2.2.32） 3. 齒根高 （2.2.34）（正常齒模數(shù)m0.15時(shí)）4. 齒全高 （2.2.35） 5.齒根圓直徑 （2.2.36）設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果6.齒頂圓直徑 （2.2.37）7.基圓直徑 （2.2.38）8.周節(jié) （2.2.39） 9.齒厚 （2.2.40） 10.齒間寬 （2.2.41） 11.中心距 （2.2.42） 12.頂隙 （2.2.43）13.齒輪傳動(dòng)速比

12、 (2.2.43) S=0.3142mme=0.3142mma=26.1mmC=0.07mm設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果2.2.5軸承的設(shè)計(jì)儀表工作時(shí)，其構(gòu)件有的轉(zhuǎn)動(dòng)，有的移動(dòng)，有的作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。為保持機(jī)構(gòu)作確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，各相臨機(jī)構(gòu)之間必須用支撐和導(dǎo)軌連接。本設(shè)計(jì)所選用的支撐為圓柱支撐。為了適應(yīng)壓強(qiáng)大、轉(zhuǎn)速高的場(chǎng)合，我們選取的有具備良好的減摩、耐摩性能好的QSN663軸承間隙是靠選擇適當(dāng)?shù)幕字崎g隙配合保證的。輕載、轉(zhuǎn)速高、精度較高的軸承一般選用。所選的青銅的摩擦系數(shù)為0.2，所選取小齒輪的重量為0.03N，大齒輪的重量為0.24N。選取軸承的軸徑的直徑dZ為2.00mm，軸承的直徑為2.2mm分析軸承的

13、力矩情況：當(dāng)軸頸未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸頸與軸承在最低點(diǎn)接觸。軸承的支反力N與軸頸的徑向負(fù)荷Q相平衡。當(dāng)軸徑受驅(qū)動(dòng)力作用后，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，由于接觸處有摩擦，軸徑沿軸承孔內(nèi)表面滾至點(diǎn)偏離最低點(diǎn)的其他位置。這時(shí)，該點(diǎn)除作用有軸承的法向支反力N外，還有摩擦力F：F=fN 式中f摩擦系數(shù)。軸承的總支反力R為：R=N又根據(jù)軸頸離平衡條件有：Q=R N=軸承中的摩擦力矩Tm為： （2.2.45）因1，故上式可簡(jiǎn)化為：Tm=fQ Nmm式中 軸頸的直徑，mm。該式表明，軸承的摩擦力矩與摩擦系數(shù)、軸頸直徑和負(fù)荷成正比。設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果綜上所述： Tm1=f Q1=0.20.03=0.006 Nmm Tm2=f Q2=0.20

14、.24=0.048 Nmm2.2.6 游絲的設(shè)計(jì)游絲的功能是保持儀表傳動(dòng)系統(tǒng)單向接觸，消除齒輪。鉸銷(xiāo)消除產(chǎn)生的回差。游絲的最小彈性力矩能克服儀表傳動(dòng)系統(tǒng)的阻力、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。選擇材料為磷青銅 E=120000 MPa =600MPa選定游絲外徑D1=11 mm 游絲內(nèi)徑D2=4 mm，h=0.092mm，b=0.56mm，l=235.62mm，n=10。一般取S=1020是為了獲得穩(wěn)定的彈性和減小殘余變形，以提高儀表的精度。因此，本設(shè)計(jì)取S=20，=90%。由上面可知， Tm1=0.006 Nmm Tm2=0.048 Nmm （2.2.46） 式中 T小齒輪上的當(dāng)量摩擦力矩， S安全系數(shù)， T

15、min=STf=30.009951000=29.8 i齒輪傳動(dòng)的速比i=， 齒輪傳動(dòng)的效率，Tm1、 Tm2小齒輪、大齒輪軸的摩擦力矩，根據(jù)齒輪軸部件的重量計(jì)算，在裝配草圖設(shè)計(jì)后進(jìn)行。 游絲在工作時(shí)，內(nèi)端置于套環(huán)端面的槽中，然后沖鉚，使槽閉和夾緊游絲。游絲外部用圓錐銷(xiāo)將游絲外端楔緊在基體的空中，是可拆卸連接，允許改變游絲的長(zhǎng)度，以調(diào)節(jié)游絲的剛度。Tm1=0.006 NmmTm2=0.048 NmmT=0.00995 Nmm設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果2.2.7表盤(pán)及指針的設(shè)計(jì)1. 表盤(pán)的設(shè)計(jì)表盤(pán)旋轉(zhuǎn)度數(shù)為270，最大量程為0.6 MPa，最小分度值為0.1 MPa，所以每一分度值所對(duì)應(yīng)的角度為。分度尺寸：

16、 （2.2.47）分度數(shù)：n=60分度值： （2.2.48）短分度線長(zhǎng)度b可取為分度尺寸的2倍左右，即 （2.2.49） 長(zhǎng)分度線長(zhǎng)度c取為mm （2.250） 分度線的寬度：當(dāng)平均讀數(shù)誤差最小，取2.指針的設(shè)計(jì)指針?biāo)x材料為SQn633B=5a=50.35=1.75mm （2.2.51）L=1.5b=1.57.07=10.605mm （2.2.52）2.2.7.1 指針略圖n=60b=7.07mmc=11.45mma=0.35mmB=1.75mmL=10.605mm設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果2.3儀表非線性設(shè)計(jì)誤差計(jì)算彈簧管壓力表標(biāo)尺為線形分度，彈簧管為線性特性，齒輪傳動(dòng)的速比是常數(shù)，但是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

17、的理論特性是超越函數(shù)，這必然造成儀表設(shè)計(jì)原理上的非線性誤差。應(yīng)按標(biāo)尺分度尺寸逐點(diǎn)計(jì)算其非線性誤差，其值應(yīng)不超過(guò)儀表精度允許值的三分之一。第j個(gè)分度的非線性誤差按下式計(jì)算： （2.2.53） 式中，曲柄對(duì)應(yīng)于每1分度的線性轉(zhuǎn)角 （2.2.54）n標(biāo)尺的分度數(shù)曲柄最大位置角曲柄初始位置角對(duì)應(yīng)于的曲柄實(shí)際位置角，按曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的位移方程計(jì)算： （2.2.55） （2.2.56） 對(duì)應(yīng)于每一分度的鉸銷(xiāo)中心B的最大位移。1.個(gè)分度非線性原理誤差計(jì)算方法：（1）曲柄線性轉(zhuǎn)角 （2.2.57） （2）曲柄實(shí)際轉(zhuǎn)角 （2.2.58） （3）非線性絕度誤差 （2.2.59） （4）非線性相對(duì)誤差 （2.2.60

18、） （5）第j個(gè)分度的非線性誤差 設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果序號(hào)分度值線性轉(zhuǎn)角aj曲柄實(shí)際轉(zhuǎn)角非線性絕對(duì)誤差非線性相對(duì)誤差10.0112.7333 12.7319 0.0014 0.009000 20.0212.4667 12.4639 0.0028 0.017200 30.0312.2000 12.19610.0039 0.024500 40.0411.9333 11.9284 0.0050 0.030900 50.0511.6667 11.6608 0.0059 0.036600 60.0611.4000 11.3934 0.0066 0.041500 70.0711.1333 11.1260 0.

19、0073 0.045600 80.0810.8667 10.8588 0.0079 0.049100 90.0910.6000 10.5917 0.0083 0.051800 100.1 10.3333 10.3247 0.0086 0.053900 110.1110.0667 10.0578 0.0089 0.055300 120.129.8000 9.7910 0.0090 0.056200 130.139.5333 9.5243 0.0090 0.056500 140.149.2667 9.2577 0.0090 0.056200 150.159.0000 8.9911 0.0089 0

20、.055400 160.168.7333 8.7247 0.0086 0.054200 170.178.4667 8.4583 0.0084 0.052500 180.188.2000 8.1919 0.0081 0.050400 190.197.9333 7.9257 0.0076 0.047800 200.207.6667 7.6595 0.0072 0.045000 210.217.40007.39330.00670.0418220.227.13337.12720.00610.0382230.236.86676.86120.00550.0345240.246.60006.59510.00

21、490.0304250.256.63336.62910.00420.0262260.266.06676.02320.00350.0218270.275.80005.79720.00280.0172280.285.53335.53130.00200.0126290.295.26675.26540.00130.0078300.305.00004.99954.8290e-40.003310.314.73334.7336-2.8918e-4 -0.0018設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算結(jié)果續(xù)表1.序號(hào)分度值線性轉(zhuǎn)角aj曲柄實(shí)際轉(zhuǎn)角非線性絕對(duì)誤差非線性相對(duì)誤差320.324.46674.4677-0.0011-0.006

22、6330.334.20004.2018-0.0018-0.0014340.343.93333.9359-0.0026-0.0161350.353.66673.6700-0.0033-0.0207360.363.40003.4040-0.0040-0.0251370.373.13333.1380-0.0047-0.0294380.382.86672.8720-0.0053-0.0334390.392.60002.6060-0.0060-0.0372400.402.33332.3399-0.0065-0.0408410.412.06672.0737-0.0070-0.0440420.421.80001.8075-0.0075-0.0469430.431.53331.5412-0.0079-0.0494440.441.26671.2749-0.0082-0.0514450.451.00001.0085-0.0085-0.0531460.460.73330.7420-0.