东北大学精密仪器弹簧压力表课程设计说明书.docx
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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
学号：
2011293020112902
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
目录
第一章课程说明………………………………………………………………3
1.1课程设计的目的……………………..………………………….3
1.2课程设计的内容…………………………..…………………….3
1.3课程设计的要求……………………………..………………….4
第二章课程内容…………………………………………..…………………..5
2.1设计方案…………………………………..……………………..5
2.1.1标尺指针……………………………..………………………5
2.1.2齿轮传动………………………………………..……………5
2.1.3曲柄滑块机构……………………………………..…………5
2.1.4弹簧管……………………………………………..…………5
2.1.5游丝…………………………………………………..………5
2.2计算及测量……………………………………………...………..6
2.2.1弹簧管……………………………………………..…………7
2.2.2齿轮传动机构…………………………………………..…....12
2.2.3曲柄滑块机构………………………………………..……....13
2.2.4齿轮大小的设计………………………………………..……16
2.2.5轴承的设计…………………………………………………..18
2.2.6游丝的设计……………………………………………..……19
2.2.7表盘及指针的设计…………………………………..……....20
2.3仪表非线性设计误差计算………………………………..……..21
2.4立体截图………………………………………………..………..24
2.5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；
（3）训练机械设计的基本技能，包括正确使用有关国家标准及技术规范，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（）
（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；，，，，
，
（4）标尺特性
等分分度；标度角：
；最小分度值为0.01MPa
设计内容
计算结果
（5）仪表结构图
图1.1
图1.2图1.3
1.3设计要求
（1）设计装配图1张（A3图纸，）
（2）零件图2张（A4图纸，297420）
（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
2.1.1标尺指针
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
d
壁厚
h
簧管内径
Di
截面短轴
2B
量程上限
p
15mm
0.5mm
64mm
4.9mm
0.6Mpa
弹性模量
E
纯中心角
自由端长
f
分度数
N
机构组数
n
112700Pa
250
5.0mm
60
25
二、基本尺寸设定
长半轴a
短半轴b
壁厚h
参数X
系数α
10.1325mm
2.2mm
0.5mm
0.1678
0.43
系数β
纯中心角γ
簧管中径R
自由端长f
自由端角μ。
0.122
250°
34.45mm
5.0mm
管端位Smax
自由位移S´max
连杆长l
曲柄长r
偏距e
2.6873
mm
2.7278
mm
24.4103
mm
9.7641
mm
11.7169
mm
压力角
传动角φ。
滑块夹角β。
连杆夹角φ´
初始角α。
表2.2.2基本尺寸设定
2.2.1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
弹簧自由端A的最大位移为。
和的关系如图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：
1.弹簧管的尺寸规格
根据椭圆的性质，
（2.2.1）
（2.2.2）
簧管内长半轴（2.2.3）
簧管内短半轴
（2.2.4）
弹簧中径
（2.2.5）
参数
（2.2.6）
2.弹簧管中心角相对变化量
（2.2.7）
=
=0.01426
A=10.3825mm
a=10.1325mm
b=2.2mm
R=34.45mm
X=0.1678
设计内容
计算结果
3.
（1）自由端铰销中心B最大位移
（2.2.8）
图2.2传动草图
=2.6873mm
设计内容
计算结果
（2）自由端A的最大位移
（2.2.9）
（3）Smax,S´max与切线t-t的夹角分别为：
（2.2.10）
（2.2.11）
4.弹簧管的强度校验
弹簧管壁的法向应力和切向应力按下式计算
（2.2.12）
（2.2.13）
式中和需要从表中查出。
“+”对应于弹簧管外壁，“—”对应于弹簧管内壁。
设计内容
计算结果
最大当量应力为
（2.2.14）
弹簧管的位置决定于弹簧管尺寸比例，有以下几种情况：
（1）当时，在短轴上；
（2）当时，须按公式计算各点的，做的分布图，方能确定及其位置；
（3）当时，强度危险点出现在长轴上。
当u=0.3时，最大的当量应力按下式计算：
（2.2.15）
有基本尺寸知：
a=10.1325mmb=2.2mm
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：
（2.2.16）
弹簧管的安全系数S=
（2.2.17）
设计内容
计算结果
根据所计算出的我们选定锡磷青铜Qsn4-0.3硬材料作为弹簧管的铸造材料其材料比例极限为MPa
2.2.2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;
（2.2.18）
式中，—标度角，
则
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
则，根据得
（2.2.19）
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26.0356
则（2.2.20）
在标准中选取齿轮模数m=0.2
设计内容
计算结果
3.精算中心距
（2.2.21）
4.扇形齿轮的扇形角
扇形齿轮的扇形角按下式确定：
（2.2.23）
所以取扇形角
2.2.3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
（2.2.24）
2.连杆长
（2.2.25）
设计内容
计算结果
3.滑块夹角
（2.2.26）
4.传动角
（2.2.27）
5.O`点坐标
O`点横坐标
（2.2.28）
O`点纵坐标
（2.2.29）
6.齿轮中心距
（2.2.30）
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。
x=14.8038mm
y=21.4178mm
a=26.0359mm
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2.2.3.1曲柄滑块机构草图
设计内容
计算结果
2.2.4齿轮大小的设计
齿轮基本参数：
模数m=0.2
压力角α=20°
大轮齿数=243
小轮齿数=18
参数
齿轮相关尺寸计算如下：
1.分度圆直径
（2.2.31）
2.齿顶圆高
（2.2.32）
3.齿根高
（2.2.34）
（正常齿模数m≤0.15时）
4.齿全高
（2.2.35）
5.齿根圆直径
（2.2.36）
设计内容
计算结果
6.齿顶圆直径
（2.2.37）
7.基圆直径
（2.2.38）
8.周节
（2.2.39）
9.齿厚
（2.2.40）
10.齿间宽
（2.2.41）
11.中心距
（2.2.42）
12.顶隙
（2.2.43）
13.齿轮传动速比
（2.2.43）
S=0.3142mm
e=0.3142mm
a=26.1mm
C=0.07mm
设计内容
计算结果
2.2.5轴承的设计
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QSN6—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、精度较高的轴承一般选用。
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2.00
mm，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==N
又根据轴颈离平衡条件有：
Q=R
N=
轴承中的摩擦力矩Tm为：
（2.2.45）
因《1，故上式可简化为：
Tm=f·Q·N·mm
式中——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
综上所述：
Tm1=fQ1=0.2×0.03×=0.006N·mm
Tm2=fQ2=0.2×0.24×=0.048N·mm
2.2.6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=120000MPa=600MPa
选定游丝外径D1=11mm游丝内径D2=4mm，h=0.092mm，b=0.56mm，l=235.62mm，n=10。
一般取S=10~20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，=90%。
由上面可知，Tm1=0.006N·mmTm2=0.048N·mm
（2.2.46）
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=29.8
i—齿轮传动的速比i==，
—齿轮传动的效率，
Tm1、Tm2—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。
Tm1=0.006N·mm
Tm2=0.048N·mm
T=0.00995N·mm
设计内容
计算结果
2.2.7表盘及指针的设计
1.表盘的设计
表盘旋转度数为270，最大量程为0.6MPa，最小分度值为0.1MPa，所以每一分度值所对应的角度为。
分度尺寸：
（2.2.47）
分度数：
n=60
分度值：
（2.2.48）
短分度线长度b可取为分度尺寸的2倍左右，即（2.2.49）
长分度线长度c取为mm
（2.2．50）
分度线的宽度：
当平均读数误差最小，取
2.指针的设计
指针所选材料为SQn6—3—3
B=5×a=5×0.35=1.75mm（2.2.51）
L=1.5×b=1.5×7.07=10.605mm（2.2.52）
2.2.7.1指针略图
n=60
b=7.07mm
c=11.45mm
a=0.35mm
B=1.75mm
L=10.605mm
设计内容
计算结果
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下式计算：
（2.2.53）
式中，——曲柄对应于每1分度的线性转角
（2.2.54）
n——标尺的分度数
——曲柄最大位置角
——曲柄初始位置角
——对应于的曲柄实际位置角，按曲柄滑块机构的位移方程计算：
（2.2.55）
（2.2.56）
——对应于每一分度的铰销中心B的最大位移。
1.个分度非线性原理误差计算方法：
（1）曲柄线性转角（2.2.57）
（2）曲柄实际转角（2.2.58）
（3）非线性绝度误差（2.2.59）
（4）非线性相对误差（2.2.60）（5）第j个分度的非线性误差
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
1
0.01
12.7333
12.7319
0.0014
0.009000
2
0.02
12.4667
12.4639
0.0028
0.017200
3
0.03
12.2000
12.1961
0.0039
0.024500
4
0.04
11.9333
11.9284
0.0050
0.030900
5
0.05
11.6667
11.6608
0.0059
0.036600
6
0.06
11.4000
11.3934
0.0066
0.041500
7
0.07
11.1333
11.1260
0.0073
0.045600
8
0.08
10.8667
10.8588
0.0079
0.049100
9
0.09
10.6000
10.5917
0.0083
0.051800
10
0.1
10.3333
10.3247
0.0086
0.053900
11
0.11
10.0667
10.0578
0.0089
0.055300
12
0.12
9.8000
9.7910
0.0090
0.056200
13
0.13
9.5333
9.5243
0.0090
0.056500
14
0.14
9.2667
9.2577
0.0090
0.056200
15
0.15
9.0000
8.9911
0.0089
0.055400
16
0.16
8.7333
8.7247
0.0086
0.054200
17
0.17
8.4667
8.4583
0.0084
0.052500
18
0.18
8.2000
8.1919
0.0081
0.050400
19
0.19
7.9333
7.9257
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