精密零件设计课程设计弹簧管压力表

《精密零件设计课程设计弹簧管压力表》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密零件设计课程设计弹簧管压力表（18页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、燕山大学精密零件设计课程设计说明书 题目： 弹簧管压力表 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 13级自动化仪表 学 号： 130103020062 学生姓名： 指导教师： 燕山大学课程设计说明书目 录一、方案分析.第1页1.1 结构概述.第1页1.2 工作原理.第1页二、弹簧管压力表设计.第2页2.1 弹簧管的选择.第2页2.2 弹簧管位移计算.第2页2.3 曲柄滑块机构图谱设计.第3页2.3.1 曲柄滑块机构设计的图谱法.第3页2.3.2 理想线性传动比.第4页2.3.3 曲柄滑块机构初始位置选择.第4页2.3.4 平均传动比计算.第5页2.3.5 曲柄滑块机构中各构件长度.第5页2.3

2、.6 非线性度计算.第5页2.3.7 非线性度计算软件及程序.第6页2.3.8 作图法确定曲柄滑块机构位置.第10页2.4 齿轮机构设计.第11页三、附件说明.第11页3.1 游丝（作用及选择注意事项）.第11页3.2 表盘（位置及刻度分布）.第12页3.3 限位销（作用及位置）.第12页四、系统误差分析.第12页五、设计总结.第13页六、参考文献.第13页 一、方案分析1.1 结构概述弹簧管压力表是一种用来测量气体压力的仪表。弹簧管式压力表其结构主要由弹簧管、传动机构、 指示机构和表壳等四大部分组成,如图1.1所示。 图1.1 弹簧管结构图弹簧管结构图中标示如下：1机座; 2弹簧管; 3指针

3、; 4上夹板; 5连杆; 6表盘;7接头; 8活节螺丝; 9扇形齿轮; 10中心齿轮; 11游丝;12下夹板; 13支柱。弹簧管:管内压力变化使管子自由端产生位移,带动传动机构动作,管内压力与自由端位移成线性关系。传动机构(机芯) : 由扇形齿轮、 中心齿轮、 游丝等组成。主要作用是将弹簧管自由端微量位移进行放大, 并把直线位移转变为指针的角位移。指示机构: 由指针、 刻度盘等, 主要作用是将弹簧管的弹性变形量通过指针转动指示出来, 从而在刻度盘上读取直接指示的压力值。表壳(机座) : 主要是固定和保护上述三部分的零件。1.2 工作原理 一根弯成圆弧形的空心金属管子，其截面做成扁圆或椭圆形，它

4、的一端封闭(称自由端，即弹簧竹受压变形后的变形位移的输出端).另一端(称固定端，即被测压力P的输入端)焊接在固定支柱上.并与管接头相通。当被测压力的介质通过管接头进人弹簧管的内腔中，呈椭圆形的弹簧管截面在介质压力的作用下有变圆的趋势，弯成圆弧形的弹簧管随之产生向外挺直的扩张变形、从而使弹簧管的自由端产生位移。此位移牵动拉杆带动扇形齿轮作逆时针偏转，指针通过同轴中心齿轮的带动作顺时针方向转动，从而在面板的刻度标尺上指示出被测压力的数值。指针旋转角的大小与弹簧管自由端的位移量成正比，也就是与所测介质压力的大小成正比。 被测压力被弹簧管自身的变形所产生的应力相平衡。游丝的作用是用来克服扇形齿轮和中心

5、齿轮的传动间隙所引起的仪表变差。调核螺钉可以改变拉杆和扇形齿轮的连接位置，即可改变传动机构的传动比，以调整仪表的量程。压力表工作原理框图： 图1.2 压力表工作原理框图 二、弹簧管压力表设计2.1 弹簧管的选择弹簧管各参数如下：1、 测量范围：P=0-2.5MPa2、 线性刻度：针=240度3、 精度等级：2.5级4、 表外形尺寸：100-150mm5、 工作环境：无振动，2.2 弹簧管位移计算1、计算弹簧管的自由端位移弹簧管的自由端位移为： （式2-1）薄壁弹簧管中心角的变化与作用压力之间的关系，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，外径d=15mm, h=1.1mm, 2b=5.8mm,则b=2.9mm, R=50+b=52.9mm,根据 （式2-3）把各值带入(式2-3)可得 a=10.12566把各值带入(式2-2)可得 (式2-4）把式（2-4）带入式（2-1）得 弹簧管的自由端位移为 2、 位移的方向与管端切线方向的夹角为 （式2-5）代入计算得 （式2-6）2.3 曲柄滑块机构图谱设计 2.3.1 曲柄滑块机构设计的图谱法 图谱法是介于作图法和解析法之间的一种工程设计法，常用来设计仪器仪表中的曲柄滑块机构。 曲柄滑块机构的相对传动比为 （式2-7）在这个表达式中，如果和的值确定，则可绘出一条函数曲

7、线。若分别取一系列的和，则可得到一组曲柄滑块机构的相对传动比曲线图谱。在本设计中，我选用=1,=2、3、4、5；=2，=3、4、5，七条曲线图谱。如图2.1和2.2所示。 图2.1 =1时的相对传动比曲线图谱 图2.2 =2时的相对传动比曲线图谱 2.3.2 理想线性传动比 根据已知的，可求出机构的理论传动比： (式2-8） 经计算得 i=0.072752.3.3 曲柄滑块机构初始位置选择我选择=1时，=2、3、5，的三条图谱。对于这三条图谱来说，初始位置都为 (式2-9）终止位置为 (式2-10） (式2-11）2.3.4 平均传动比计算在曲柄滑块机构的相对传动比曲线图谱中，选择极值附近的值

8、，从图谱中选择最大值为,最小值为，相对平均传动比为 (式2-12）对于=1，=2的曲线图谱 =1.0168，可得，1.0084。对于=1，=3的曲线图谱 = 1.0163，可得，1.00815.对于=1，=5的曲线图谱 =1.0160，可得，1.008.2.3.5 曲柄滑块机构中各构件长度在曲柄滑块机构中，曲柄长度为a, (式2-13） 根据选定的和，可求b和d的值， ， (式2-14） 对于=1，=2的曲线图谱，a=13.86116838,b=27.72233677,d=13.86116838.对于=1，=3的曲线图谱,a=13.85773196,b=41.57319588,d=13.857

9、73196.对于=1，=5的曲线图谱,a=13.8556701,b=69.27835052,d=13.8556701.2.3.6 非线性度计算 非线性度是指理想值与实际值的偏移程度，由非线性度的定义可知： (式2-15）其中，实际位移为： （式2-16）理想位移为： （式2-17）其中，,.把上边两式代入（式2-15）中，即可得到非线性度。2.3.7 非线性度计算软件及程序 我采用软件matlab计算非线性度。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交

10、互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连 matlab开发工作界面接其他编程语

11、言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。计算曲柄滑块机构的相对传动比图谱和非线性度程序如下：clear allclce=1;%将赋值为1n=2:1:5;%赋值为2,3,4,5a=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范围为10到-10，并转换到弧度制for l=1:4%建立循环for k=1:1000%把a分为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);%对应相对传动比公式endendplot(a,y(1,

12、:),k-)%拟合曲线hold onplot(a,y(2,:),b-.)hold onplot(a,y(3,:),g)hold onplot(a,y(4,:),r:)hold on%拟合四条曲线e=2;%将赋值为2n=3:1:5;%赋值为3,4,5a=linspace(70,-10,1000)/180*pi;%a的范围为70到-10，并转换到弧度制for l=1:3%建立循环for k=1:1000%把a分为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);%对应相对传动比公式endendplot(

13、a,y1(1,:),k-)hold onplot(a,y1(2,:),b-.)hold onplot(a,y1(3,:),g)hold on%拟合三条曲线a=13.86116838;b=27.72233677;d=13.86116838;%根据计算所得的曲柄滑块机构的数据赋值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范围为10到-10，并转换到弧度制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、对应s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%对应s2公式endplot(i,s1);%拟合s1曲线hold onplot(i,s2,r);%拟合s2曲线hold ona=13.8556701;b=41.27835052;d=13.8556701;%根据计算所得的曲柄滑块机构的数据赋值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范围为10到-10，并转换到弧度制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);%对应s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%对应s2公式endendplot(i,s1);%拟合s1曲线hold onplot(i,s2,r);%拟合s2曲线hold ona=13.85773196;b=41.57319588;d=13.85773196;%根据计算所得的曲柄滑块机构的数据赋值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范围为10到-10，并转换到弧度制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);%对应s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%对应s2公式endplot(i,s1);%拟合s1曲线hold onplot(i,s2,r);%拟合s2曲线h=(s1-s2)/4.798;%对应非线性度公式plot(i,h);%拟合非线性度曲线对于=1，=2的一组图谱，s1、s2曲线如图2.3所示，非线性度曲线如图2.4所示。 图2.3 理想位移与实际位移曲线 图2.4 非线性度曲线

17、对于=1，=3的一组图谱，s1、s2曲线如图2.5所示，非线性度曲线如图2.6所示。 图2.5 理想位移与实际位移曲线 图2.6 非线性度曲线对于=1，=5的一组图谱，s1、s2曲线如图2.7所示，非线性度曲线如图2.8所示。 图2.7 理想位移与实际位移曲线 图2.8 非线性度曲线可以看出，三组数据计算出的非线性度的最大值均小于2.5%，均符合条件。2.3.8 作图法确定曲柄滑块机构位置1、过弹簧管端点C1的切线做与切线夹角为的直线C1C2=SP=.2、以C1、C2为圆心，以b为半径，作圆弧L1、L2.3、作C1C2的平行线E1,两平行线之间的距离为d,再做距离为的平行线E2,E2与圆弧L1

18、交于B1.4、在直线E2上，取点N,其中.5、过N点作E1垂线，交E1于点A,A点即为曲柄的固定点A.6、连接AB1C1.（曲柄滑块机构的初始位置）7、以A为圆心，以曲柄a为半径作弧与L2交于B2,，连接AB2C2。（曲柄滑块机构终点)2.4 齿轮机构设计传动比: （式2-18） （式2-19）中心距： （式2-20）选取a=39mm，m=0.25,根据计算得： （式2-21）齿轮直径为： （式2-22）则小齿轮直径为： （式2-23）则大齿轮直径为： =72 （式2-24）其中大齿轮的角度为： 三、附件说明3.1 游丝游丝是用带料绕制成的平面螺线形状的弹性元件。按作用不同，可分为测量游丝和接

19、触游丝两种。游丝处于正常位置时，可以给中心齿轮一反时针方向的线性平稳的回复力，保持扇形齿轮和中心齿轮间的可靠接触,因避免齿间间隙产生空行程.选用游丝的注意事项：1、 游丝材料的选择，一般选用锡青铜、恒弹性合金。2、游丝圈数的选择，游丝的工作转较大时，游丝的圈数应当多些，以减小工作时游丝的偏心。一般，游丝转角大于时，圈数为10-14；转角小于时，圈数为5-10.3、游丝的宽度比的选择，对于要求弹性滞后、弹性后效小的游丝，一般都选取具有较大的宽厚比的游丝。在震动条件下工作时，应当选用宽厚比小的游丝。3.2 表盘表盘位于小齿轮的中心处，小齿轮转动带动指针转动，显示刻度。示数装置是用来引入给定数据，指

20、示仪器的工作状态或工作结果，因此示数装置的设计必须合理而且保证精度，在压力表的读数中，指针所指数值的大小代表了压力的大小，要对表盘进行相关设计。设计表盘旋转读数为240度，最大量程为2.5MPa，最小分度值为0.1MPa，所以每一分度值对应的角度为9.6。压力表表盘大小应保证操作人员能清楚地看到压力指示值，表盘的直径最小不得小于10mm。3.3 限位销限位销使零件可以更快速的放进定位点，节省劳动力。 四、系统误差分析 弹簧管的压力位移是线性关系，但弹簧管本身的工艺问题（如材料、加工等）会造成一些线性误差，弹簧管形状的不直、不均匀也会导致非线性误差。曲柄滑块机构可以补偿弹簧管的线性及非线性误差。

21、游丝的选取造成的误差。表盘刻度不够精确带来的测量误差。个人因素造成的读数误差。由于环境因素，如温度、湿度造成的误差。压力表的超负荷运行并不是仅仅指压力表指示值达到刻度盘最大，实际上超过满刻度2/3的位置时，压力表的弹性元件已经是处于近极限状态。压力表在超负荷的状态下长期工作，其内部的弹性元件如弹簧管、膜片就会因为长期处于极限或近极限的变形状态而弹性减弱乃至弹性丧，最终发生永久的变形。压力表在振动的环境下也会出现指示不准的情况，剧烈的振动会直接引起压力表弹性元件的变形，影响压力表的灵敏度、准确度及使用者对压力表指示值的读取。压力表防振动的措施主要是安装缓冲装置和减震装置。 五、设计总结本设计为弹

22、簧管压力表，它具有灵敏度高，造价低廉，结构简单，传动平稳，易于加工和制造及适应性强等特点，经过以上设计和计算表明，该方案基本达到了设计要求，完成了规定的设计任务同时存在一些不足，对于表盘、限位销并没有很精准的设计，齿轮也只是给出了最基本的参数。在这次课程设计中，我将零件与制图等课程有机结合起来，提高了自己的综合能力和独立完成工作的能力，并初步掌握了机械仪表的设计方法和初步树立正确的设计思想作为一名测控专业的学生，我们确实需要对机械结构有一定的了解。但本人认为，本次课设的内容已经超出了我们需要了解的范围，至少我们以后的工作学习中不会需要根据原理自己设计各种参数，只需知道各机械结构的使用即可。同时，机械学院的老师们辛苦了。谢谢老师们的细心指导。 六、参考文献1、 白文普等，精密机械设计基础。2、闻岩，亓家祥，精密机械及仪表结构设计图册。第 13 页 燕山大学 精密零件设计课程设计综评项目细则成绩出勤及平时态度(20分)(A)满勤、积极 (B)满勤、比较积极(C)表现一般(D)缺勤1次，不积极机构简图设计合理性、正确性 (30分)(A)完全合理、正确(B)比较合理、正确(C)合理但存在较多问题(D)存在严重问题说明书(30分)(A)内容详尽，计算精确(B)内容一般(C)内容较粗略，不清楚答辩(20分)(A)优(B)良(C)中(D)差总成绩