精密零件設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)彈簧管壓力表

1、燕山大學(xué)精密零件設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書 題目： 彈簧管壓力表 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 13級自動化儀表 學(xué) 號： 130103020062 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄一、方案分析.第1頁1.1 結(jié)構(gòu)概述.第1頁1.2 工作原理.第1頁二、彈簧管壓力表設(shè)計(jì).第2頁2.1 彈簧管的選擇.第2頁2.2 彈簧管位移計(jì)算.第2頁2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖譜設(shè)計(jì).第3頁2.3.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖譜法.第3頁2.3.2 理想線性傳動比.第4頁2.3.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)初始位置選擇.第4頁2.3.4 平均傳動比計(jì)算.第5頁2.3.5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件長度.第5頁2.3

2、.6 非線性度計(jì)算.第5頁2.3.7 非線性度計(jì)算軟件及程序.第6頁2.3.8 作圖法確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位置.第10頁2.4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).第11頁三、附件說明.第11頁3.1 游絲（作用及選擇注意事項(xiàng)）.第11頁3.2 表盤（位置及刻度分布）.第12頁3.3 限位銷（作用及位置）.第12頁四、系統(tǒng)誤差分析.第12頁五、設(shè)計(jì)總結(jié).第13頁六、參考文獻(xiàn).第13頁 一、方案分析1.1 結(jié)構(gòu)概述彈簧管壓力表是一種用來測量氣體壓力的儀表。彈簧管式壓力表其結(jié)構(gòu)主要由彈簧管、傳動機(jī)構(gòu)、 指示機(jī)構(gòu)和表殼等四大部分組成,如圖1.1所示。 圖1.1 彈簧管結(jié)構(gòu)圖彈簧管結(jié)構(gòu)圖中標(biāo)示如下：1機(jī)座; 2彈簧管; 3指針

3、; 4上夾板; 5連桿; 6表盤;7接頭; 8活節(jié)螺絲; 9扇形齒輪; 10中心齒輪; 11游絲;12下夾板; 13支柱。彈簧管:管內(nèi)壓力變化使管子自由端產(chǎn)生位移,帶動傳動機(jī)構(gòu)動作,管內(nèi)壓力與自由端位移成線性關(guān)系。傳動機(jī)構(gòu)(機(jī)芯) : 由扇形齒輪、 中心齒輪、 游絲等組成。主要作用是將彈簧管自由端微量位移進(jìn)行放大, 并把直線位移轉(zhuǎn)變?yōu)橹羔樀慕俏灰?。指示機(jī)構(gòu): 由指針、 刻度盤等, 主要作用是將彈簧管的彈性變形量通過指針轉(zhuǎn)動指示出來, 從而在刻度盤上讀取直接指示的壓力值。表殼(機(jī)座) : 主要是固定和保護(hù)上述三部分的零件。1.2 工作原理 一根彎成圓弧形的空心金屬管子，其截面做成扁圓或橢圓形，它

4、的一端封閉(稱自由端，即彈簧竹受壓變形后的變形位移的輸出端).另一端(稱固定端，即被測壓力p的輸入端)焊接在固定支柱上.并與管接頭相通。當(dāng)被測壓力的介質(zhì)通過管接頭進(jìn)人彈簧管的內(nèi)腔中，呈橢圓形的彈簧管截面在介質(zhì)壓力的作用下有變圓的趨勢，彎成圓弧形的彈簧管隨之產(chǎn)生向外挺直的擴(kuò)張變形、從而使彈簧管的自由端產(chǎn)生位移。此位移牽動拉桿帶動扇形齒輪作逆時針偏轉(zhuǎn)，指針通過同軸中心齒輪的帶動作順時針方向轉(zhuǎn)動，從而在面板的刻度標(biāo)尺上指示出被測壓力的數(shù)值。指針旋轉(zhuǎn)角的大小與彈簧管自由端的位移量成正比，也就是與所測介質(zhì)壓力的大小成正比。 被測壓力被彈簧管自身的變形所產(chǎn)生的應(yīng)力相平衡。游絲的作用是用來克服扇形齒輪和中心

5、齒輪的傳動間隙所引起的儀表變差。調(diào)核螺釘可以改變拉桿和扇形齒輪的連接位置，即可改變傳動機(jī)構(gòu)的傳動比，以調(diào)整儀表的量程。壓力表工作原理框圖： 圖1.2 壓力表工作原理框圖 二、彈簧管壓力表設(shè)計(jì)2.1 彈簧管的選擇彈簧管各參數(shù)如下：1、 測量范圍：p=0-2.5mpa2、 線性刻度：針=240度3、 精度等級：2.5級4、 表外形尺寸：100-150mm5、 工作環(huán)境：無振動，2.2 彈簧管位移計(jì)算1、計(jì)算彈簧管的自由端位移彈簧管的自由端位移為： （式2-1）薄壁彈簧管中心角的變化與作用壓力之間的關(guān)系，可用下式表示： （式2-2）其中，p=2.5mpa, =0.3, e=1.2*100000mpa

6、,由查表可得，外徑d=15mm, h=1.1mm, 2b=5.8mm,則b=2.9mm, r=50+b=52.9mm,根據(jù) （式2-3）把各值帶入(式2-3)可得 a=10.12566把各值帶入(式2-2)可得 (式2-4）把式（2-4）帶入式（2-1）得 彈簧管的自由端位移為 2、 位移的方向與管端切線方向的夾角為 （式2-5）代入計(jì)算得 （式2-6）2.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)圖譜設(shè)計(jì) 2.3.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖譜法 圖譜法是介于作圖法和解析法之間的一種工程設(shè)計(jì)法，常用來設(shè)計(jì)儀器儀表中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相對傳動比為 （式2-7）在這個表達(dá)式中，如果和的值確定，則可繪出一條函數(shù)曲

7、線。若分別取一系列的和，則可得到一組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相對傳動比曲線圖譜。在本設(shè)計(jì)中，我選用=1,=2、3、4、5；=2，=3、4、5，七條曲線圖譜。如圖2.1和2.2所示。 圖2.1 =1時的相對傳動比曲線圖譜 圖2.2 =2時的相對傳動比曲線圖譜 2.3.2 理想線性傳動比 根據(jù)已知的，可求出機(jī)構(gòu)的理論傳動比： (式2-8） 經(jīng)計(jì)算得 i=0.072752.3.3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)初始位置選擇我選擇=1時，=2、3、5，的三條圖譜。對于這三條圖譜來說，初始位置都為 (式2-9）終止位置為 (式2-10） (式2-11）2.3.4 平均傳動比計(jì)算在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相對傳動比曲線圖譜中，選擇極值附近的值

8、，從圖譜中選擇最大值為,最小值為，相對平均傳動比為 (式2-12）對于=1，=2的曲線圖譜 =1.0168，可得，1.0084。對于=1，=3的曲線圖譜 = 1.0163，可得，1.00815.對于=1，=5的曲線圖譜 =1.0160，可得，1.008.2.3.5 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件長度在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，曲柄長度為a, (式2-13） 根據(jù)選定的和，可求b和d的值， ， (式2-14） 對于=1，=2的曲線圖譜，a=13.86116838,b=27.72233677,d=13.86116838.對于=1，=3的曲線圖譜,a=13.85773196,b=41.57319588,d=13.857

9、73196.對于=1，=5的曲線圖譜,a=13.8556701,b=69.27835052,d=13.8556701.2.3.6 非線性度計(jì)算 非線性度是指理想值與實(shí)際值的偏移程度，由非線性度的定義可知： (式2-15）其中，實(shí)際位移為： （式2-16）理想位移為： （式2-17）其中，,.把上邊兩式代入（式2-15）中，即可得到非線性度。2.3.7 非線性度計(jì)算軟件及程序 我采用軟件matlab計(jì)算非線性度。matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory）的簡稱，是美國mathworks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交

10、互式環(huán)境，主要包括matlab和simulink兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語言（如c、fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。matlab和mathematica、maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab開發(fā)工作界面接其他編程語

11、言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。計(jì)算曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的相對傳動比圖譜和非線性度程序如下：clear allclce=1;%將賦值為1n=2:1:5;%賦值為2,3,4,5a=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉(zhuǎn)換到弧度制for l=1:4%建立循環(huán)for k=1:1000%把a(bǔ)分為100份 y(l,k)=1/(cos(a(k)-(cos(a(k)-e)*sin(a(k)/sqrt(n(l)2-(cos(a(k)-e)2);%對應(yīng)相對傳動比公式endendplot(a,y(1,

12、:),k-)%擬合曲線hold onplot(a,y(2,:),b-.)hold onplot(a,y(3,:),g)hold onplot(a,y(4,:),r:)hold on%擬合四條曲線e=2;%將賦值為2n=3:1:5;%賦值為3,4,5a=linspace(70,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為70到-10，并轉(zhuǎn)換到弧度制for l=1:3%建立循環(huán)for k=1:1000%把a(bǔ)分為100份 y1(l,k)=1/(cos(a(k)-(cos(a(k)-e)*sin(a(k)/sqrt(n(l)2-(cos(a(k)-e)2);%對應(yīng)相對傳動比公式endendplot(

13、a,y1(1,:),k-)hold onplot(a,y1(2,:),b-.)hold onplot(a,y1(3,:),g)hold on%擬合三條曲線a=13.86116838;b=27.72233677;d=13.86116838;%根據(jù)計(jì)算所得的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉(zhuǎn)換到弧度制for k=1:1000 s1(k)=a*(sin(i(k)-sin(10/180*pi)+b*(sqrt(1-(a*cos(10/180*pi)-d)/b)2)-(sqrt(1-(a*cos(i(k)-d)/b)2);%

14、對應(yīng)s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應(yīng)s2公式endplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,r);%擬合s2曲線hold ona=13.8556701;b=41.27835052;d=13.8556701;%根據(jù)計(jì)算所得的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉(zhuǎn)換到弧度制for l=1:2for k=1:1000 s1(k)=a*(sin(i(k)-sin(10/180*pi)+b*(sqrt(1-(a*cos(10/180

15、*pi)-d)/b)2)-(sqrt(1-(a*cos(i(k)-d)/b)2);%對應(yīng)s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應(yīng)s2公式endendplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,r);%擬合s2曲線hold ona=13.85773196;b=41.57319588;d=13.85773196;%根據(jù)計(jì)算所得的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉(zhuǎn)換到弧度制for k=1:1000 s1(k)=a*(sin(i(k)-

16、sin(10/180*pi)+b*(sqrt(1-(a*cos(10/180*pi)-d)/b)2)-(sqrt(1-(a*cos(i(k)-d)/b)2);%對應(yīng)s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應(yīng)s2公式endplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,r);%擬合s2曲線h=(s1-s2)/4.798;%對應(yīng)非線性度公式plot(i,h);%擬合非線性度曲線對于=1，=2的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.3所示，非線性度曲線如圖2.4所示。 圖2.3 理想位移與實(shí)際位移曲線 圖2.4 非線性度曲線

17、對于=1，=3的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.5所示，非線性度曲線如圖2.6所示。 圖2.5 理想位移與實(shí)際位移曲線 圖2.6 非線性度曲線對于=1，=5的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.7所示，非線性度曲線如圖2.8所示。 圖2.7 理想位移與實(shí)際位移曲線 圖2.8 非線性度曲線可以看出，三組數(shù)據(jù)計(jì)算出的非線性度的最大值均小于2.5%，均符合條件。2.3.8 作圖法確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位置1、過彈簧管端點(diǎn)c1的切線做與切線夾角為的直線c1c2=sp=.2、以c1、c2為圓心，以b為半徑，作圓弧l1、l2.3、作c1c2的平行線e1,兩平行線之間的距離為d,再做距離為的平行線e2,e2與圓弧l1

18、交于b1.4、在直線e2上，取點(diǎn)n,其中.5、過n點(diǎn)作e1垂線，交e1于點(diǎn)a,a點(diǎn)即為曲柄的固定點(diǎn)a.6、連接ab1c1.（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的初始位置）7、以a為圓心，以曲柄a為半徑作弧與l2交于b2,，連接ab2c2。（曲柄滑塊機(jī)構(gòu)終點(diǎn))2.4 齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動比: （式2-18） （式2-19）中心距： （式2-20）選取a=39mm，m=0.25,根據(jù)計(jì)算得： （式2-21）齒輪直徑為： （式2-22）則小齒輪直徑為： （式2-23）則大齒輪直徑為： =72 （式2-24）其中大齒輪的角度為： 三、附件說明3.1 游絲游絲是用帶料繞制成的平面螺線形狀的彈性元件。按作用不同，可分為測量游絲和接

19、觸游絲兩種。游絲處于正常位置時，可以給中心齒輪一反時針方向的線性平穩(wěn)的回復(fù)力，保持扇形齒輪和中心齒輪間的可靠接觸,因避免齒間間隙產(chǎn)生空行程.選用游絲的注意事項(xiàng)：1、 游絲材料的選擇，一般選用錫青銅、恒彈性合金。2、游絲圈數(shù)的選擇，游絲的工作轉(zhuǎn)較大時，游絲的圈數(shù)應(yīng)當(dāng)多些，以減小工作時游絲的偏心。一般，游絲轉(zhuǎn)角大于時，圈數(shù)為10-14；轉(zhuǎn)角小于時，圈數(shù)為5-10.3、游絲的寬度比的選擇，對于要求彈性滯后、彈性后效小的游絲，一般都選取具有較大的寬厚比的游絲。在震動條件下工作時，應(yīng)當(dāng)選用寬厚比小的游絲。3.2 表盤表盤位于小齒輪的中心處，小齒輪轉(zhuǎn)動帶動指針轉(zhuǎn)動，顯示刻度。示數(shù)裝置是用來引入給定數(shù)據(jù)，指

20、示儀器的工作狀態(tài)或工作結(jié)果，因此示數(shù)裝置的設(shè)計(jì)必須合理而且保證精度，在壓力表的讀數(shù)中，指針?biāo)笖?shù)值的大小代表了壓力的大小，要對表盤進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)表盤旋轉(zhuǎn)讀數(shù)為240度，最大量程為2.5mpa，最小分度值為0.1mpa，所以每一分度值對應(yīng)的角度為9.6。壓力表表盤大小應(yīng)保證操作人員能清楚地看到壓力指示值，表盤的直徑最小不得小于10mm。3.3 限位銷限位銷使零件可以更快速的放進(jìn)定位點(diǎn)，節(jié)省勞動力。 四、系統(tǒng)誤差分析 彈簧管的壓力位移是線性關(guān)系，但彈簧管本身的工藝問題（如材料、加工等）會造成一些線性誤差，彈簧管形狀的不直、不均勻也會導(dǎo)致非線性誤差。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可以補(bǔ)償彈簧管的線性及非線性誤差。游絲的選取造成的誤差。表盤刻度不夠精確帶來的測量誤差。個人因素造成的讀數(shù)誤差。由于環(huán)境因素，如溫度、濕度造成的誤差。壓力表的超負(fù)荷運(yùn)行并不是僅僅指壓力表指示值達(dá)到刻度盤最大，實(shí)際上超過滿刻度2/3的位置時，壓力表的彈性元件已經(jīng)是處于近極限狀態(tài)。壓力表在超負(fù)荷的狀態(tài)下長期工作，其內(nèi)部的彈性元件如彈簧管、膜片就會因?yàn)殚L期處于極限或近極限的變形狀態(tài)而彈性減弱乃至彈性喪，最終發(fā)生永