精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)壓力表 07

1、精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 壓力表 07 精密機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 目 錄 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 方案論證4 4 8 8 參數(shù)選擇9910111112 參數(shù)設(shè)計(jì) 1212曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)確定1618 4.4.齒輪尺寸確定 19 22 1272829 標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)30 工作總結(jié)30 參考文獻(xiàn)32 2 鞏固、實(shí)踐課堂講過(guò)的知識(shí)本課程設(shè)計(jì)的任務(wù)：本次課程設(shè)計(jì)就是把學(xué)過(guò)的知識(shí)應(yīng)用到機(jī)械儀表的設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)從整體上分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。并進(jìn)一步加深對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的理解、鞏固。 掌握正確的設(shè)計(jì)思想,通過(guò)課程設(shè)計(jì)使同學(xué)掌握儀表的設(shè)計(jì)思路。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一般其主要過(guò)程為：接受設(shè)計(jì)任務(wù)擬定設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)計(jì)算繪制裝配圖繪制零件

2、圖。 設(shè)計(jì)過(guò)程中需注意以下內(nèi)容： 1）滿足使用要求、功能、可靠性及精度要求。 2）注意工藝性（結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性，外觀要求） 熟悉有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)要符合一定的規(guī)范。因此在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中要求同學(xué)學(xué)習(xí)掌握查閱標(biāo)準(zhǔn)及使用手冊(cè)的能力設(shè)計(jì)中涉及到的零件材料、結(jié)構(gòu)等，均需按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇；零件的尺寸、公差等亦應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；制圖也符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。 本次課程設(shè)計(jì)就是把學(xué)過(guò)的知識(shí)應(yīng)用到機(jī)械儀表的設(shè)計(jì)中，培養(yǎng)同學(xué)從整體上分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。并進(jìn)一步加深對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的理解、鞏固。 具體任務(wù)是，設(shè)計(jì)一個(gè)用于測(cè)量壓力的彈簧管壓力表，其技術(shù)要求如下： 1. 測(cè)量范圍 0 2. 外廓尺寸 外徑<

3、150mm 高度<55mm 3 3. 接口尺寸（普通螺紋、外徑20、螺距） 4.標(biāo)尺特性 等分刻度 （滿程） 標(biāo)度角 270? 分度數(shù) 3.375? 分度值 分度數(shù) 80 表盤分度示意圖如下圖所示 5.精 度級(jí) 壓力表測(cè)量允許誤差級(jí)表測(cè)量允許誤差為：在測(cè)量范圍內(nèi)任一壓力處測(cè) 量值與標(biāo)準(zhǔn)值（標(biāo)準(zhǔn)表的示值）之差小于滿幅壓力 pmax?1.5%。即儀表允許誤差?為 ?0.4Mpa ?1.5% 0.006Mpa ? 4 彈簧管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 壓力表概述：彈簧管壓力表是一種用來(lái)測(cè)量氣體壓力的儀表。 壓力表的組成：靈敏元件 傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu) 示數(shù)裝置 輔助裝置 1、靈敏元件（彈簧管）：將不便于直

4、接測(cè)量的物理轉(zhuǎn)化成易于直接比較的物理量。本設(shè)計(jì)將彈簧管作為靈敏元件，將不易比較的壓力轉(zhuǎn)化成 易于測(cè)量的位移。 彈簧管原理如圖所 示，從管子中截取中心 角為d的一小段。通入 壓力p后，管截面力圖 5 變圓，中性層xx以外各層被拉伸（如ef?ef），以內(nèi)各層被壓縮（如ki?ki）。材料產(chǎn)生彈性恢復(fù)力矩，力圖恢復(fù)各層原來(lái)長(zhǎng)度，從而迫使截面產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)角d?，使管子中心角減小，曲率半徑增大。若管子一端固定，自由端便產(chǎn)生位移，直至彈性平衡為止。 彈簧管的外形圖如下： 2、傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)（曲柄滑塊、齒輪機(jī)構(gòu)）：本設(shè)計(jì)有曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪機(jī)構(gòu)組成，其目的是為了傳遞或放大位移，改變位移性質(zhì)和得到等分刻度，并且應(yīng)具備

5、一定的保補(bǔ)償性，同時(shí)保持線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。其放大原理分析如下圖： 6 3、示數(shù)裝置（指針、刻度盤）：其作用是在接受傳動(dòng)放大機(jī)構(gòu)的位移后，這指示出帶測(cè)量的數(shù)值。本設(shè)計(jì)采用指針指示標(biāo)尺刻度。在進(jìn)行指針的設(shè)計(jì)中要保證指針有一定的硬度，是其指數(shù)的時(shí)候能夠準(zhǔn)確可靠。外形可參考的模型如下： 7 4、輔助裝置：支承超輕的軸承、軸、游絲、填裝物。 作為靈敏元件的彈簧管可以把氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楣苣┒说奈灰疲ㄟ^(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將此位移轉(zhuǎn)變?yōu)榍霓D(zhuǎn)角，然后通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)將曲柄轉(zhuǎn)角放大，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，從而指示壓力的大小。將轉(zhuǎn)角放大便于測(cè)量，可以提高測(cè)量精度。 (近似線性傳動(dòng)) 壓力表工作原理框圖 (線性傳動(dòng)) (線性轉(zhuǎn)換) (

6、線性刻度) 彈簧管的壓力位移是線性關(guān)系，但彈簧管本身的工藝問(wèn)題（如材料、加工等）會(huì)造成一些線性誤差，彈簧管形狀的不直、不均勻也會(huì)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。從0調(diào)整滿足滿刻度精度為線性誤差調(diào)整，中間部分不均勻調(diào)整為非線性誤差調(diào)整。 本次設(shè)計(jì)可從彈簧管的設(shè)計(jì)開(kāi)始，首先根據(jù)先關(guān)經(jīng)驗(yàn) 8 公式對(duì)彈簧管的尺寸進(jìn)行初選，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求滿量程時(shí)為，計(jì)算彈簧管自由端在受壓時(shí)的位移。根據(jù)彈簧管自由端得總位移，結(jié)合曲柄滑塊現(xiàn)成的設(shè)計(jì)公式，計(jì)算曲柄的長(zhǎng)度。在進(jìn)行曲柄長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)，要首先確定相對(duì)桿長(zhǎng)和相對(duì)偏心距，這些參數(shù)的確定根據(jù)曲柄的偏轉(zhuǎn)角進(jìn)確定和選擇，推薦的相對(duì)桿長(zhǎng)和偏心距分析見(jiàn)

7、后續(xù)的參數(shù)選擇說(shuō)明。在計(jì)算過(guò)曲柄的長(zhǎng)度后，根據(jù)相對(duì)桿長(zhǎng)和相對(duì)偏心距，確定初始的桿長(zhǎng)和偏心距。在參數(shù)確定后進(jìn)行齒輪傳動(dòng)中心距的計(jì)算，根據(jù)理論計(jì)算的數(shù)據(jù)和實(shí)際根據(jù)齒輪侯選參數(shù)進(jìn)行比較，若誤差小于1毫米則設(shè)計(jì)合理，若無(wú)法調(diào)整齒輪參數(shù)進(jìn)行近似，則對(duì)彈簧管的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行從選，在按上述步驟進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。 在選擇了合適的齒輪傳動(dòng)的中心距后，根據(jù)小齒輪的最少齒數(shù)要求選擇合適的模數(shù)。確定模數(shù)后根據(jù)齒輪的傳動(dòng)的放大倍數(shù)，初選小齒輪的齒數(shù)，要滿足不發(fā)生根切的條件。再根據(jù)傳動(dòng)比確定扇形齒輪的理論齒數(shù)。確定齒輪傳動(dòng)的相關(guān)齒數(shù)后，計(jì)算齒輪的半徑及其他相關(guān)尺寸，之后進(jìn)行軸的設(shè)計(jì)，主要是對(duì)軸經(jīng)選擇。接著進(jìn)行軸的軸向構(gòu)件固定

8、的設(shè)計(jì)和軸的固定設(shè)計(jì)。同時(shí)設(shè)計(jì)齒輪的固定方式和曲柄的相關(guān)固定方式。 參數(shù)選擇 9 按照現(xiàn)有的彈簧產(chǎn)品規(guī)格，初步選定尺寸參數(shù)如下的彈簧管： 毛坯外徑 ?15mm 中 徑 R50mm 壁 厚 h 中 心 角 ?252? 材 料 錫磷青銅 彈性模量 E2.804?105 泊 松 比 ? 彈簧管截面與軸比 a/b4 加壓后，彈簧管自由端位移s，帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)過(guò)角度?g曲柄滑塊機(jī)構(gòu) 相對(duì)桿長(zhǎng) ?=4 相對(duì)偏軸量 ?=1 轉(zhuǎn)動(dòng)范圍角 ?g =18? 初始位置角 ?0 - ?g /2= 9? 終止位置角 ?k=?g/2= 9? 附注： 10 相對(duì)桿長(zhǎng)和相對(duì)偏軸量均按推薦值選擇。初始角和終止角的確定有右圖的曲線確

9、定，轉(zhuǎn)動(dòng)角的范圍為保證曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有一定精度，選擇的角度應(yīng)小于20°，故選擇轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的角為18°。 模數(shù) 傳動(dòng)比 i12=?g ?18? ?270?Z2 Z1?1 （?即度盤的中心角） 預(yù)取小齒輪齒數(shù) Z2=28 扇形齒輪的理論全齒數(shù) Z1=420 外徑 D1=25mm 內(nèi)徑 D2=5mm 其外形結(jié)果示意如下： 圈數(shù) n=10 材料 磷青銅Qsn4-30 寬厚比 u=6 彈性模量×105 11 Mpa 安全系數(shù) S=3 極限應(yīng)力 ?b 許用應(yīng)力 ?F 安裝角度 ?min 摩擦系數(shù) 當(dāng)量摩擦系數(shù) 分度尺寸 3.375? 長(zhǎng)標(biāo)線長(zhǎng)度 10mm 短標(biāo)線長(zhǎng)度 5mm 指針

10、與短標(biāo)線重合長(zhǎng)度 3mm 指針末端寬度 3mm 指針形狀 楔桿形 參數(shù)計(jì)算 彈簧管自由端伸縮示意圖如左，受力分析如下：彈簧管受到壓 12 力p的作用，自由端開(kāi)始伸縮，使滑塊受切向力，同時(shí)也受到徑向力，徑向力與切向力的合力使滑塊在導(dǎo)軌槽里運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在連桿方向受到力，這樣反作用于連桿，連桿帶動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)。 彈簧管外形參數(shù)的確定： （未注單位：mm） 彈簧管末端位移和集中力的確定 ： （未注單位：mm） 13 14 附：參考資料1 P230 ?=0.437 ? 中心角的選擇通常去200°到270°合適，這里去的中心角為252°另插入端口10°到15°，

11、自由端壓扁4°到6°則實(shí)際參加變形的中心角為237°。其自由端的位移與中心角的大小之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示： 15曲柄滑塊機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 在彈簧管壓力表中，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，把滑塊的位移S轉(zhuǎn)化為曲柄滑塊的角度位移。其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖如下：（B點(diǎn)的位置為彈簧管的自由端） r （未注單位：mm） 16 17 附注：實(shí)際中心距與理論中心距相差小于1mm，故可根據(jù)預(yù)選定的齒輪系數(shù)進(jìn)行計(jì)算齒輪的參數(shù)。在后續(xù)的齒輪計(jì)算給予說(shuō)明，這樣才能保證計(jì)算的精度和合理性。 壓力表彈簧管末端位移與指針轉(zhuǎn)角應(yīng)為線性關(guān)系。由于在測(cè)量環(huán)節(jié)中采用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，使轉(zhuǎn)角與位移存在非線性誤差，即為原理誤差，應(yīng)

12、加以控制。 理想值計(jì)算公式： sn? ?n? g?0?s 實(shí)際值計(jì)算公式： 18 ?2222 sn?r?sin?n?sin?0?r?cos?0?r?cos?n? 進(jìn)行誤差分析是可通過(guò)曲柄每轉(zhuǎn)動(dòng)2°進(jìn)行計(jì)算理想值和實(shí)際值，最后在將兩者進(jìn)行比較，得到絕對(duì)誤差，在用絕對(duì)誤差除以滑塊最大位移即可得相對(duì)誤差。在計(jì)算過(guò)所有的誤差后進(jìn)行校核，看是否超過(guò)允許值，若未超過(guò)則計(jì)算合理，若超過(guò)則需對(duì)前面曲柄的設(shè)計(jì)重新進(jìn)行選擇和計(jì)算。 誤差分析見(jiàn)下表： （未注單位：mm） 19 20 附注：齒寬系數(shù)及其他相關(guān)系數(shù)，由查參考資料 2 P97得。 扇形角的計(jì)算方法解釋如下圖： 扇形齒輪具體尺寸如下圖所示， 21

13、 由于小齒輪直徑較小，而所要的軸又要有一定的剛度和強(qiáng)度，故將齒輪和軸制成一體，設(shè)計(jì)成為齒輪軸。這樣既可保證小齒輪的尺寸，又能保證軸的強(qiáng)度和應(yīng)有的剛度。經(jīng)后續(xù)的軸的設(shè)計(jì)可逐步完善小齒輪軸的相關(guān)尺寸如下圖所示： 壓力表中的游絲為接觸游絲，其作用是消除空回，使齒輪始終保持單面接觸。由于齒輪軸存在摩擦力矩，所以在游絲安裝時(shí)應(yīng)給予一定的預(yù)緊力矩，使指針在零位時(shí)，在該最小安 22 裝力矩下，也能驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)过X輪保持單面接觸，即使小齒輪跟隨扇形齒輪（無(wú)論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）消除空回誤差。對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)的過(guò)程如下, 計(jì)算最小力矩，其公式如下 , 經(jīng)過(guò)近似計(jì)算可的最終計(jì)算公式為， 其中Mfz的計(jì)算方法解釋如下， Mfz的

14、計(jì)算過(guò)程如下： 估算重量，小齒輪，從動(dòng)軸，指針和指針帽的；扇形齒輪，主動(dòng)軸，曲柄的大致重量（一般情況下連桿重量忽略）。分析壓力表水平放置、垂直放置兩種情況，取其大者。近似計(jì)算中一般取。主動(dòng)軸的Mfz1的計(jì)算中，計(jì)算結(jié)果取 垂直和水平的最大值，其一般的方法解釋如下， 23 這里水平是直徑的選擇參考的示意圖見(jiàn)下圖： 垂直放置是直徑的選擇示意圖如下所示： 從動(dòng)軸計(jì)算過(guò)程與主動(dòng)軸的計(jì)算過(guò)程一樣，在這里就不在贅述。在開(kāi)始的時(shí)候要對(duì)游絲的尺寸進(jìn)行初選，其大經(jīng)小徑是根據(jù)游絲的安裝尺寸決定，同時(shí)考慮到游絲的加工誤差，應(yīng) 24 盡量保有加工余量，這設(shè)計(jì)的游絲才更適合與應(yīng)用。在校驗(yàn)結(jié)束后要對(duì)游絲的最終尺寸進(jìn)行計(jì)算

15、確定，其具體的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)下表。 （未注單位：mm） 25 26 附注：因?yàn)橛?jì)算中需要知道零件的重量，故游絲設(shè)計(jì)必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后進(jìn)行。在這里為計(jì)算方便，故將其提前進(jìn)行了校驗(yàn)。 結(jié)論:在對(duì)游絲的校核中，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，故游絲強(qiáng)度復(fù)合要求。其中，各計(jì)算公式參考資料1 P202 。 主動(dòng)軸上安裝的構(gòu)件有曲柄、扇形齒輪等，需要傳遞小轉(zhuǎn)矩，故不需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和設(shè)計(jì)。根據(jù)扇形齒輪的半徑可初選軸徑d11=8mm。曲柄和扇形齒輪的軸向固定選為圓柱銷連接， 扇形齒輪和曲柄的夾角一旦確定后，就進(jìn)行連接，連接后不再進(jìn)行拆卸。軸的一端用超輕的單向推力球軸承固定，為保證固定的精確，軸承的另一端需要填充物質(zhì)進(jìn)行填

16、充，以便保證兩軸的中心線在一條線上。另一端懸空，故要求軸有一定的強(qiáng)度和剛度，選擇45鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。 27 軸與扇形齒輪、曲柄等的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)下圖： 扇形齒輪和曲柄的固定均采用圓柱銷。軸承的選擇為基本軸徑的一半即為d12?4mm。軸承的固定一端采用軸肩，另一端 采用儀表的外殼進(jìn)行固定，在設(shè)計(jì)時(shí)充分保證配合的緊密行，必要是進(jìn)行加工余量的調(diào)整，調(diào)整合格后，填充物質(zhì)進(jìn)行固定，保證配合的緊密充分。各軸向構(gòu)件的軸向固定均按中心線的原則，在保證小齒輪的扇形齒輪的充分嚙合的情況的下，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行軸向構(gòu)件的固定，一般參考儀表的厚度，在設(shè)計(jì)后校驗(yàn)下軸的總長(zhǎng)，若超過(guò)儀表的厚度要求，則進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整直到滿足要

17、求為止。 從動(dòng)軸上安裝的構(gòu)件有小齒輪、游絲、指針等，根據(jù)小齒輪的直徑選擇該軸的直徑d21=4mm，小齒輪的徑向固定選擇 為圓柱銷，一旦裝上就不在進(jìn)行調(diào)整和拆卸。游絲的固定選 28 擇為圓錐銷壓緊，固定前可進(jìn)行長(zhǎng)度的調(diào)整。指針固定在軸的一端，用小螺絲進(jìn)行固定，可進(jìn)行0刻線的調(diào)整，軸的另一端采用超輕的單向推力球軸承進(jìn)行固定，故其一端懸空，為使其剛度得到保證，故選擇45鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。該軸具體的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)下圖： 在確定軸向構(gòu)件的安裝位置時(shí)，以中心線為基準(zhǔn)，保證小齒輪和扇形齒輪的中心線在一條直線上，保證運(yùn)動(dòng)傳遞的平穩(wěn)性。同時(shí)在考慮軸承固定時(shí)，以軸肩進(jìn)行靠近軸的一側(cè)固定，另一端有儀表的外殼固定，外殼固定

18、時(shí)要保有加工余量以便進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完畢后可在空隙處填裝填充物進(jìn)行固定，這樣能保證固定的平穩(wěn)，且齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)行。 根據(jù)彈簧管受壓運(yùn)動(dòng)的方向和曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，即彈簧管由不受壓到受壓最大，自由端向下運(yùn)動(dòng)，曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，扇形齒輪由于和曲柄固定在同一個(gè)軸上，故其運(yùn)動(dòng)方向和曲 29 柄一樣為順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。小齒輪和扇形齒輪外嚙合，則小齒輪將逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。而小齒輪和指針固定在同一根軸上，則和小齒輪的運(yùn)動(dòng)方向一樣為逆時(shí)針，故表盤刻度由逆時(shí)針?lè)较蛟龃?。在這里游絲起到是指針不受力時(shí)快速回落到0刻線的位置。由此根據(jù)以上相關(guān)尺寸可設(shè)計(jì)表盤如下圖： 標(biāo)準(zhǔn)件總數(shù)：9 零件總數(shù)： 23 標(biāo)準(zhǔn)化率：39% 30 壓力表是工業(yè)常

19、用的測(cè)量氣體壓力的儀器，在工業(yè)生產(chǎn)中，占有舉足輕重的地位。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中對(duì)壓力表的要求是十分嚴(yán)格的。壓力表要求要有足夠的精度、靈敏度，并要求安全可靠，同時(shí)根據(jù)不同的工作任務(wù)和條件，對(duì)壓力表提出了更多特殊的要求，如耐高溫、抗震、防潮等。本設(shè)計(jì)要求為普通工業(yè)氣體壓力表。我們?cè)O(shè)計(jì)的方案為彈簧管壓力表，它具有高靈敏度、低造價(jià)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、易于加工等特點(diǎn)，很適合作為初學(xué)者學(xué)習(xí)，經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)及計(jì)算表明，該方案基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，完成了所規(guī)定的任務(wù)。 同時(shí)，本設(shè)計(jì)也存在一些不足，對(duì)工作環(huán)境及測(cè)量氣體均無(wú)具體要求，沒(méi)有考慮到其對(duì)壓力表的影響。另外，環(huán)境的溫度、濕度及氣體對(duì)壓力表的腐蝕都可能降低其精度，影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)于此處的設(shè)計(jì)考慮不是很全面，只是對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)