热工仪表结构设计课程设计讲义

热工仪表结构设计课程设计指 导 书（单弹簧管压力表结构设计）郑 建 光 编中 国 计 量 学 院热工自动检测与控制研究所二一二年 九月1目 录1、目的 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。22、弹簧管压力表工作原理。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。23、弹簧管压力表设计技术要求。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。74、弹簧管压力表设计任务要求。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。8 5、弹簧管压力表主要设计计算内容。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。86、弹簧管压力表设计计算。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。87、弹簧管参数选择与计算。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。118、曲柄滑块机构运动图。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。149、齿轮传动机构计算。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。1810、计算最小力矩 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。21minM11、游丝设计计算。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2312、原理误差计算。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2513、零件尺寸的确定。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2614、设计计算说明书内容。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2715、设计参考资料。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2716、设计任务要求。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2817、课程设计进度与时间分配（参考） 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2818、设计步骤（参考） 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。2819、附录示例（参考） 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。402、目 的：学生通过仪表结构设计课程设计的环节训练后，借以达到：1、巩固和深化在课堂讲授和其他教学环节中所获得的知识，进一步了解零件在仪表机械中的作用，仪表机械为完成本身功能对零件提出的要求以及零件如何满足这些要求等，从而培养学生从整体上分析问题和解决问题的能力。2、通过综合运用所学过机械学科方面的知识（如：机械制图、工程力学） ，进行简单仪表（压力表）的结构设计和计算的基本训练，使学生初步掌握机械仪表的设计方法和初步树立正确的设计思想。3、掌握正确的设计思想，通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：（接受）设计任务（拟定）设计方案设计计算绘制装配图绘制零件图4、设计过程中需注意以下内容： 满足使用要求（功能、可靠性及精度要求） 注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）5、熟悉有关的参考资料、手册、标准和规范。设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选择；零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。二、弹簧管压力表工作原理1、弹簧管（又称包端管，图 1）是一个具有椭圆形，扁平形或偏心圆剖面的一端固定、一端自由并封闭的空心金属管。也有 D 形，8 字形等其它非圆截面形状（图 2） 。管子截面的布置是使截面短轴位于管子的对称平面内。3图 1 弹 簧 管图 2 弹簧管截面形状弹簧管的开口端焊在带孔接头中并固定在仪表基座上，而封闭端自由，当管的内腔受流体压力 作用时，管子曲率改变，自由端产生直线位移。故弹簧管常用作测量压力的灵P敏元件。当自由端的位移受到限制时，它将把压力转变为集中力。4图 3 弹簧管压力表实物正面图 图 4 弹簧管压力表实物内部结构图2、弹簧管压力表工作原理：作为敏感元件的弹簧管可以把流体（液体、气体）压力转变为弹簧管末端的位移，通过曲柄滑块机构将此位移转变为曲柄的转角，然后通过齿轮机构将曲柄转角放大，带动指针偏转，从而指示压力的大小。将转角放大便于测量，可以提高测量精度。弹簧管压力表工作原理框图：弹簧管 齿轮传动 标尺示数p s (线性转换) (线性传动) (线性刻度)曲柄滑块机构(近似线性传)动)弹簧管的压力自由端位移是线性关系。但弹簧管本身的工艺问题（材料、加工）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。从 00.16 调整满足满刻度精度为线性误差调整，中间部分不均匀调整为非线性MPa误差调整。5弹簧管压力表工作原理结构图：O灵敏部分-弹簧管p传动放大-曲柄滑块机构传动放大-齿轮传动图 5 弹簧管压力表工作原理结构任意非圆截面的管子，在内压力的作用下，其截面将力图变为圆形。现从管子中截取中心角为 的微元，见图 6。dv图 6 弹簧管工作原理6当通入压力 后，截面变圆，长轴变短，短轴变长。如果二截面夹角 d 不变，则二P截面之间的管壁材料在中性层 xx 以外的各层被拉伸（如 移到 ） ，曲率减小，材料受eff拉伸应力。而中性层以内的各层受压缩（例加 移至 ）曲率增大，材料受压缩应力。kii材料在此应力作用下产生弹性恢复力矩，力图恢复各层原来长度，从而迫使截面产生旋转角 ，使管子中心角（夹角 ）减小，曲率半径增大。若管子一端固定，自由端便产ddv生位移，直至弹性平衡为止。如果管子一端固定，自由端便产生位移，直至达到弹性平衡为止，如果封闭端固定，管子变形受到限制，则在封闭端产生拉力。弹簧管灵敏度及有效面积都较小，因此 弹簧管常用作测量较大压力的灵敏元件。为了提高弹簧管的灵敏度，有时采用螺旋形弹簧管（螺簧管） 、盘簧形弹簧管（盘簧管）和 S 形弹簧管，见图 7。图 7 其它形状弹簧管测量高压时，可采用麻花形弹簧管（图 8a）和偏心弹簧管（图 8b） 。麻花形弹簧管可测几十个兆帕的高压。其原理是在压力作用下，横截面内产生弯矩，即是以压力作用下横截面的变形为基础，应用这种弹簧管，可使仪表传动机构简单，结构紧凑。偏心弹簧管则用于测量几百至几千兆帕的高压，其原理是在压力作用下，横截面内产生弯矩，从而使管子产生弯曲。7制造弹簧管的材料主要：黄铜，锡青铜测量压力不大，迟滞要求不高；合金弹簧钢一测量压力较高者。铍青铜和精密恒弹性合金一要求强度高，迟滞小且特性稳定。镍鉻不锈钢高温或腐蚀介质中工作的弹簧管。图 8 测量高压用的弹簧管3、弹簧管压力表应用：弹簧管压力表是一种用来测量管道或容器内流体介质（气体、液体）压力的仪表，它的应用十分广泛。弹簧管压力表的组成：包括灵敏部分（弹簧管） ，传动放大部分（曲柄滑块、齿轮机构），示数部分（指针、刻度盘） ，辅助部分（支承、轴、游丝）等。三、弹簧管压力表设计技术要求：1. 测量范围 00.16 MPa2. 外廓尺寸 外径150mm 高度50mm接口 M201.5（普通螺纹、外径 20、螺距 1.5）3. 标尺 等分刻度（满程 0.16 ）a标度角 270、分度数 80（格） 、分度值（0.02 ）MPa4. 精度 1.5 级82700 0.16图 9 技术要求示意图四、弹簧管压力表设计任务要求： 设计计算说明书一份 12 张相关零件图 （4 号图） 压力表装配图一张（2 号图）五、弹簧管压力表主要设计计算内容： 弹 簧 管：结构设计计算、末端位移计算 曲柄滑块机构：结构设计计算 齿轮传动结构：结构参数计算 游 丝： 参数计算 原理误差计算：六、弹簧管压力表的设计计算1.薄壁弹簧管的计算弹簧管的管壁厚度与管截面短半轴之比 ，称薄壁弹簧管。薄壁弹簧管中心7.0/bh角变化与作用压力之间的关系：（1）242211ahRCbEp9 和 弹簧管变形前、后的中心角； 弹簧管中性层初始曲率半径R管壁厚度； 和 横截面中性层长轴半径和短轴半径hab和 材料的弹性模量和泊松比； 和 与 有关的系数，查表取之E1C2ba/表 1：系数 、 、 、1C234a/b 1 1.5 2 3 4 5 6 7 8 9 10扁平形截面C1C2C3C40.6370.0960.08330.8110.5940.1100.08480.7130.5480.1150.0820.6520.4800.1210.0690.5520.4370.1210.0690.5520.4080.1210.0650.5240.3880.1210.0620.5040.3720.1200.0600.4880.3600.1190.0590.4760.3500.1190.0570.4670.3430.1180.0560.4592弹簧管的计算示意图：R00Ortsrpssts连杆方向图 10 弹簧管位移的计算弹簧管中心角改变后，将产生径向位移 和切向位移 （图 10） ，且有；rt10)cos1( Rr)in(t故自由端位移为：（2）222 )cos1()si(tr位移 的方向与管端切线方向夹角 为：(3)cos1in(artgarctgt为了合理地将弹簧管自由端位移 传递到指针上，传动机构中连杆应沿位移的方向安置。如果它们之间成一夹角 ，则传递到仪表指针上的位移只是位移 的一部分，则。为了使传递到仪表指针上的位移尽可能大， 夹角应尽可能小。cos 弹簧管的自由端受阻碍不产生位移时，在压力作用下，自由端将产生集中力 ， 的F大小表征了弹簧管带动传动机构的能力。集中力的径向分力 ，和切向分力 分别为：rFt（4）)cosin)(148)1223 ahRCbPaFr（5）)csis43)()4223 bt式中； ， -与 有关的系数，见表 1。3C4a/弹簧管总集中力；(6)2trF管端总集中力方向与管端切线方向夹角为；(7)rtacg七、弹簧管参数选择与计算111、按照现有的弹簧产品规格，选定尺寸参数如下的弹簧管：毛坯外径 15mm中 径 50mm R壁 厚 0.3mmh中 心 角 265（参考）材 料 锡磷青铜 4-0.3, 1.127105Mpa, 0.3snQE2、弹簧管示意图：R图 11 弹簧管示意图3、设计原则:弹簧管已有系列标准，优先选用标准。当现有标准系列不满足使用要求时，才进行设计。设计方法是：参考已有资料(系列标准等)初选几何形状及尺寸，代入变形公式和拉力公式，进行计算，看是否满足使用要求；若不满足则重选参数再进行计算，直到满足为止。然后试制、试验，最后确定参数。下面介绍一些参数的选取原则。1）安全系数的选取 ： ：比例极限压力； ：工作压力（应小 于） ；njPgPjP通常弹簧管的位移与压力之间的关系是线性的，但实验指出，当压力增大到某一数值时，12其线性关系就会遭到破坏，这个压力称为弹簧管的比例极限。因此，为使仪表正常工作，减小弹性滞后和后效，工作压力 应小于弹簧管的比例极gP限 。而 称为弹簧管的安全系数，一般取 =1.52.5，常取 =2。jPgjn/nn比例极限 可由实验获得。j2）弹簧管截面与轴比 a / b 的选取：15mm， 0.3mm h选用扁圆形弹簧管， =？ =？， ，灵敏度，但 ，建议 a / b4ba/jP提示：圆形毛坯压扁后中性层尺寸不变；弹簧管示意图： 15mmhh2a2b图 12 弹簧管示意图3）中心角 的选取设 ，由式(2)可知，当 增大，弹簧管位移 增大，22)cos1()sin( 而 随着 的增大而增大，但其增大的程度是不均匀的。由图 12 可知，时， 增大很快；而 时， 则增大很慢，故如只从提高02718036713灵敏度出发而不是结构要求的话，弹簧管的角度通常取 ，对于螺簧管和盘027簧管，则其圈数的尾数仍为 200 270 。0设 22)cos1()sin(则 RS有 s 通常取 200270 。建议：（结构中心角） =265另：插入接口 1015 ；自由端压扁 46；则实际参加变形的中心角： = -10-5=250 图 12 弹簧管 曲线)(f4）初始曲率半径的选取曲率半径 增加，弹簧管的灵敏度增加很快，但同时应力也增加很快，故在一般情况R下， 的数值应由结构确定。图 13 所示为弹簧管压力表中的曲柄滑块机构(传动放大)ABC。它可将弹簧管自由端沿xx 方向的微小位移转换成扇形齿轮的转角，再经齿轮放大后，使指针得到与被测压力成正比的转角。P14图 13 弹簧管压力表曲柄滑块机构图注意：、 从 270360时， 很慢，即中心角的改变对自由端位移基本没有影响。中心角选取在此范围不会使自由端位移增大，反而浪费管材。、注意自由端不要进入第四象限，否则对结构设计带来困难。具体结构设计时，B 点可对应 =265，造成的误差很小。、弹簧管中径： 50mmR、材 料： 锡磷青铜 4-0.3SnQ、弹性模量： 1.127105EPaM、泊 松 比： 0.3 八、曲柄滑块机构运动图：曲柄滑块机构 1、加压后，弹簧管自由端位移 s，带动曲柄转过角度 。 g15ODBseab+00 yxBgD注意：1、曲柄滑块机构参数的选择主要围绕机构主要公式展开。2、弹簧自由端是滑块、主动件，曲柄是从动件。曲柄滑块机构 2：OspB0eDO Eab16曲柄滑块机构 3：BeDOabDBsg0k关于曲柄滑块机构 3 曲柄最大转角 工作转角g弹簧管末端指针：两级传动一级曲柄滑块机构、17二级齿轮传动， = =270 / . /s总i曲齿 ig推荐：* =13.5, =20 总ig* =15, =18（选取该组参数，因为 是整数，对后面齿轮 、 选择方便。 ）总ig i 1Z2 、 的选择曲柄滑块机构的传动比 ),(/ebafsi为简化计算，常引入无量纲系数：* 滑块相对位移* 连杆相对长度* 相对偏距 * 相对传动比=0.81.4、=25推荐 =1、=4 确定 、 (初始角、终止角 ) - = 0k k0g在 ia- 曲线上找出极点对应的极角 e， 0、k 以 e 对称分布。 变化小，工作i过程非线性度减小。 e ； e02/gk2/g对于 =1、=4 的曲线有 e=0 ； 0/gk/g 计算曲柄长度 a 22020 )(cos)(cos)sin( sx最大位移 ，上式中 maxSk 计算连杆长度 和偏距be连杆长 b=a 偏距 e= a 连杆 初始位置与弹簧管末端位移 夹角s18kaebcossin九、齿轮传动机构计算：1. 初定齿轮中心距 A(根据曲柄滑块机构参数计算 )1）求 （过渡量）： OBD 中C)cos(22 OCBab kkOB000982）求 ： OBO 中A)cos(22 BRC/arin90 eBeia =1 4O0 kg119BOseDAEabkstAO滑道Rcc2. 选定标准中心距 （ 即前述 齿）A12ii； /)(12imZ122iZ选择适当 、m，使 A 尽可能靠近初定值 A整数（否则 无法加工）122i 2选用标准值 0.2 0.25 0.3 0.4对每一个 值适当选择 12 个 ，使 接近 ，且 不小于 17、 不要太大（参1ZA1Z2考样机） 。3. 计算齿轮参数 、 、adf4. 修正连杆长度 b1） 求 （改变 ）： OBO中C20)cos(22OBRACecos2）求 ： OBD 中b)cos(22BDa/reBODkBOseDAEabkstAO滑道Rcc5. 扇形齿轮扇形角扇形齿轮回转中心即是曲柄的回转中心，故扇形齿轮的工作转角即为曲柄的工作转角，并适当增大即可。g= (1+25%)+ 22 齿对应中心角扇g注意：1、工作初始及满程结束时，两边各多出2齿防脱角。2、过载量，指针实际可转角比工作转角大一些。21示意图：Og初始满程2齿2齿十、计算最小力矩 ：minMminmin0.1fYMmin minfZfYpK min10.fZKM安全系数，k=23零件偏重力矩游丝压力产生的摩擦力矩零件自重产生的摩擦力矩经过精心设计，某些零件的偏重力矩M p将有助于完成机构的力封闭，故可将M p省略。1. 的计算fZ为中心小齿轮及扇形齿轮的综合影响：f 121fZfZfZMi222. 的计算说明fZM 估算重量;小齿轮：齿轮轴、指针( )、指针帽( )ALuC扇形齿轮：齿轮轴、扇形齿轮（估算） 连杆重量忽略； 分析压力表水平放置、垂直放置两种情况，取其大者； 近似计算，=0.9。比重： uC3/59.8cmgAL3/49.2cmg3. 中心小齿轮 的计算取两者中大者参与后序计算1fZM* 压力表立放，轴水平dFfrVfZ21注：将轴及轴上零件总重都集中在一端轴颈上计算即可 21331 dfMafZ4.扇形齿轮 的计算2f（计算步骤同上，并取大者）中心小齿轮支承上的摩擦力矩将扇形齿轮的影响诱导至中心轴Mfz2扇形齿轮支承上的摩擦力矩；I21齿轮传动的传动系数；齿轮传动效率235. 最后 的计算minMKfZ1.0in),(21fZffZ32K注意：因为计算中需要知道零件的重量，故游丝设计必须在结构设计之后进行。注意：在后面的拆表过程中，应将有关零件的尺寸测绘下来，供设计时参考十一、游丝设计计算：压力表中的游丝为接触游丝，其作用是消除空回，使齿轮始终保持单面接触。由于齿轮轴存在摩擦力矩，所以在游丝安装时应给予一定的预紧力矩，使指针在零位时，在该最小安装力矩下，也能驱动传动链使齿轮保持单面接触，即使小齿轮跟随扇形齿轮（无论正转、反转）消除空回误差。； 4min12ELMh mini312MEbhL24游丝计算：1. 选定参数1）工作角度 最小工作转角 ； min112/M最大工作转角 2）工作圈数 =1014； 510 建议 8102nn3）宽厚比 接触游丝 48， 建议 6hbu/uu4）外径 , 由空间结构定； 内径 , 由轴定。1D2D5）材 料： 锡青铜 ； ；强度极限 ；4SnQEPaM510.PabM0安全系数 ； 。3sabs/D1D22. 几何尺寸计算1）初定长度： 21nL2）厚度： 圆整到 0.014minEMh3）宽度： 由圆整后的 计算ub h4）校核应力： bhb2maxmax625min12min2max 4MM一般情况下能满足要求，否则可改变宽厚比 u5）最后确定 、 、 (圈间距 )-圆整后的 、 。Lnbhmini312Ebh)(21Dna同时盘绕游丝个数取整：KhaK/注意：1、 取整，实际加工后游丝的 、 、 略有改变， 不变，所以游丝特性并无改变。a1D2L2、 、 不必再根据取整后的 重新计算1D2K十二、原理误差计算：原理误差： 1为合格SSgn0 222020 )(cos)(cos)si(i nnn aaa%1maxS非线性度校验：26曲柄每转过 2进行一次误差计算。序号 计算点n理想值sn实际值sn绝对值sn sn相对值 /nSmax1 092 73 054 n09十三、零件尺寸的确定：1. 按仪表特性的要求确定零件尺寸 如弹簧管 、 、 、 、a2bhR 曲柄滑块机构 、 、 、 、e0k 齿 轮 、 、 、i1Z2m2. 按标准化规范确定零件尺寸 标准尺寸（有关标准、规范）：如螺纹、锥度、倒角、直径、 m 标准件（标准件越多，设计越好）销钉、螺钉、螺母、垫圈、轴承；游丝亦有标准，但本设计里标准游丝不合适，需自行设计非标准游丝。3. 由材料规格确定如弹簧管的毛坯外圆（圆管材） ，即查材料规格；（卡玻璃的）钢丝直径、外壳铁板厚度、夹板厚度，均需查手册，或参考样机。274. 由空间结构确定 安排尺寸（轴向）如中心轮安装指针的轴的长度，需按轴向安排尺寸确定，玻璃上夹板下夹板壳 零件结构尺寸计算的是特性尺寸，具体零件结构尺寸自行设计。3）足够的运动空间（平面）如表盘螺钉不得妨碍指针运动；夹板柱不得妨碍运动件；曲柄滑块机构不得碰壳；机芯应能入壳等。5. 类比指针长度、刻度盘刻线长度、扇形轮形状等；拆表时应多测量样机的尺寸为设计提供参考；参考教材中有关示数装置的内容。零件尺寸的确定结束：十四、设计计算说明书内容：设计计算说明书设计计算说明书是一种专门为技术审查部门编写的技术文件，它主要反映技术特点、计算依据、计算过程及结果。其内容有如下：1. 设计任务概述：课程设计目的、任务、技术指标2. 压力表概述：用途、工作原理、组成框图3. 参数选择计算：弹簧管、曲柄滑块机构、齿轮、游丝、度盘4. 标准化统计：压力表零件列表（名称、数量） ，统计其中标准件的数量和所占比例。5. 所绘制零件结构参数设计说明：对所绘制零件结构尺寸、公差配合、表面质量、材料选择以及相关零件之间的空间关系进行解释说明。6. 小结收获十五、设计参考资料281、 精密机械仪器零件 浙大 叶松林2、 仪表结构设计基础 哈工大 初允棉3、压力表参考设计图和样机4、精密机械零件手册 天津大学、北京工业学院编5、 仪表结构设计图册 哈工大 6、其他：制图、力学等教材。注：上述参考资料可到图书馆借阅十六、设计任务要求1、设计装配图一张：装配图应有足够的视图，剖面和剖视，图上应注明必要的尺寸、公差配合，技术条件并列出零件材料明细表。2，零件图若干张。3、设计计算说明书（若干页） 。注：结构设计、设计计算说明书、装配图和另件图内容应相一致。十七、课程设计进度和时间分配（参考）1、布置题目和准备工作 0.5 天2、分析样机， 参考图和测绘 1 天3、计算和绘制草图 3 天4、绘制正式装配图和写说明书 3 天5、绘制零件图和整理工作 2 天6、答辩 0.5 天7、时间不够的同学要自觉地加上周六、周日。十八、设计步骤（参考）29（一）熟悉仪表的工作原理，分析仪表的测量环节，画出仪表测量环节转换关系的方框图。（二）根据设计任务书，了解和熟悉仪表的技术要求，并在设计中保证实现这些要求。（三）测量和估计样机的主要参数和结构尺寸，测绘典型零部件结构，作为设计时的参考。（1）标尺指针示数装置标度角、分度数、分度尺寸、标线尺寸、指针的形状和断面，指针与标线的重合长度。（2）齿轮转动中心距、模数、小齿轮齿数、大齿轮的扇形角，齿轮副的初始齿合位置。（3）杠杆机构曲柄长度 a 的调节范围，估算机构偏轴距 和参数 的公称值，估计机构的初始角，调整部位的结构（画出结构草图） 。（四）对照样机和参考图进行结构分析，明确各个零件的作用和零件结构上的特点。（五）各测量环节参数的选择1、弹簧管参数的选择按照现有的弹簧管产品规格，选定下列尺寸参数：（参考）1 组：R=50mm；h0.3mm；2a23.4mm；2b5.85mm； 026530图 10 弹簧管参数示意图材料：锡磷青铜 ；弹性模量 ；泊松比3.04nQSMpE510.3.02、曲柄滑块机构参数的选择在选择曲柄滑块机构相对杆长 ，相对便轴量 ，初始位置角 ，终止位置角0时，应考虑所设计的仪表有较好的线性特性，同时还应具有叫较好的补偿特性。具体选k择时，可参阅相关参考教材。机构的转动范围角： 。0kp的选定，应使弹簧管末端位移 时，指针恰好转动标度角 ，因此， 的p S027p数值还与齿轮转动系数 的选择有关，所以在选择 时既应考虑到仪表线性度的要求（21i p增大，线性度变差）又应照顾到齿轮传动系数的适当。p3、齿轮传动参数的选择齿轮传动的中心距： 。)1(2iMZA式中： 模数，考虑工艺性和使用上的要求， 0.2。mm31传动系数。21i小齿轮（从动轮）齿数。可参看参考教材选取。Z（六）测量环节参数的计算和确定（参考）分计算作图法和计算法两种方法（a）计算作图法1、弹簧管末端位移 S 的计算（1）按下列式子计算 值：2222 11abRhCbEP（2）按下列式子计算弹簧管末端的径向位移 和切向位移 ：rStS； cos1RSr sinRt注：式中 为弹簧管实际参加弹性变形部分的中心角， 和 相差一个弹簧管末端连接部分所占的中心角，若取它为 ， 。0707（3）按下列式子计算弹簧管末端总位移 S、 和 的夹角 ；Yt； 。2rtStrtg2、曲柄滑块机构参数的确定(1)首先初选参数，建议，= 0.81.4 ：= 2 4，选齿轮传动的传动系数 21i后，可确定曲柄的转动范围角 。然后由选定的 、 由图或计算出极点位置，确定曲p柄初始位置角 和终止位置角 。0k曲柄长度 ，可由下式求出：a32202020 coscossini k Sa(2)用作图法确定机构参数，用 10：1 或 5：1 的比例在方格纸上进行，以保证结果的准确度。 如图 11；图 11 曲柄滑块机构参数示意图作图步骤：(1)根据 、 确定弹簧管末端位置；R(2)根据位移方向角 ，画出位移方向线；(3)由齿轧传动的参数初定中心距 ，并在图上画出圆弧，此圆弧即为曲柄回转中心所A在的弧线。(4)根据计算出的 值和初选的 、，求出 值，并作直线 平行位移方向线且距admn离为 ， 直线与圆弧（曲柄中心所在圆弧）相交于 点， 点即为曲柄的回转中心dmn o（也是扇型齿轮的回转中心） 。（5）根据选定的 ，得到连杆的尺寸 。0b若 点的位置不利于结构的总体布置和另件的制造，可按下法进行修整。o33(a)通过调整模数 或齿数 ，改变中心距 A，从而改变 的位置。m2Zo（b）改变 值，也可以改变 的位置。o（B) 计 算 法1、弹簧管末端位移 S 的计算（与计算作图法相同） 。2、曲柄滑块机构参数的计算（1）首先初选参数，建议 = 0.81.4; = 2 4 , 和 可从中选取两组数据并列计算，以作方案比较，最后选取原理误差最小的一组参数作为选定方案，参考计算作图法确定 后，求出曲柄长度 ，同时求出：k,0 0a连杆长度 （b表示初算值） ；b偏轴距 d连杆终止位置与滑块运动方向的夹角 可按下式求出：；cossinbdak当曲柄滑块机构的尺寸参数全部确定，与此同时，齿轮传动的理论中心距 也相应而A定。但是，由于 和 只能是间断数、很难使齿轮传动的中心距恰好与理论中心距相等，m2Z所以，需要按选定的齿轮中心距 A，反求出满足仪表结构位置要求的连杆长度 。b（2）齿轮理论中心距 的计算为了使选定的齿轮传动中心距 A，尽量接近于理论中心距 ，以减小连杆长度的修正A量，需要根据曲柄滑块机构及其在仪表机心中的位置，求出理论中心距 ，参看图 12。34图 12 齿轮传动理论中心距计算图图中： OGD= ， ODG = ；65已知： 2 cosabG式中： 60518k当: 69;当： 0然后由下式求出 ：A72 cosRCR式中： 3079而： 18sincd（3）选定齿轮传动中心距 A选择适当的 和 值，使中心距 尽量接近理论值 。2ZmA（4）连杆长度 的计算b35当采用中心距 A 代替齿轮传动理想中心距 时，连杆长度 需要重新计算，计算Ab时，机构的 、 、 均不改变，改变曲柄轴的回转中心，因此尺寸 和相应的 和b0K c9发生变化。计算的具体步骤如下：7 按下式求 919coscosAdR式中： )(5),(001组组 II 按下式求 C（用 A 代替后的 OB 长度）)cos(2192R 按下式求 7)sin(i197A 按下式求 b)co(2102 ka式中： 710 计算修改后的 ab（七）压力表原理误差的计算压力表的设计方案中，要求各个测量环节的转换关系应为线性。因此，采用曲柄滑块机构，使仪表在设计的原理上就有了误差。假设，弹簧管末端总位移量为 S 时，曲柄转角自 转动到 ，则对应每转一度曲柄0k转角的理想位移量：0knS36再按照曲柄滑块机构的传动特性，计算曲柄每转动一度的实际位移虽 ，就可按下表求nS出原理误差的绝对值和相对值： 计算点序号 n理想值 nS实际值 n原理误差绝对值nS原理误差相对值 nS1234n本次设计要求原理误差的相对值0.5%，否则应重新参数计算。（八）齿轮传动的几何尺寸计算（参考前述公式）（九）接触游丝的最小力矩 计算minM1、接触游丝的最小力矩 计算i为保证零件的相对位置和运动关系，保持零件间单向接触，使接触游丝的最小力矩：（1）fKmin式中： 为传动机构各零件诱导到游丝轴上的总摩擦力矩。fMK 为系数。考虑计算上的近似和摩擦系数的不稳定性。通常 K 取 2-3。的数值，取决于零件的自重和游丝在零件上产生的压力，为简化计算。f令： （2）fyfzf-由于零件自重产生的摩擦力矩；fzM一由于游丝压力产生的摩擦力矩；fy显然 是与游丝力矩成正比，因此：f（3）minminfy37式中： 比例系数。当零件具有不对称轮廓，其重心不通过旋转中心时，还应考虑克服零件的偏重力矩 ，pM即：（4）pfyfzMKMminmin)(将式（3）代人式（4） ，得（5）pfz1min系数 可用普通的静力学进行计算。假加：游丝安装在齿轮轴上，则可以任意假设其转矩为 ，于是游丝轴的齿轮齿面上将产生个压力 ，当 满足下列条件时，系统达1MF到平衡，即：cos1Fr式中： 齿轮的节圆半径。齿轮的压力角，根据上式确定 后，就可以逐步求出机构上所有各轴的支反力及其引起的摩擦力矩，最后再把它们诱导到游丝轴，得摩棕力矩（ ） ，两者之比：fyM1)(fY式（5）提出的计算公式是一种最普遍的计算方法，使用上还对应实际情况加以分析，例如：增速传动时，前级零件的 诱导到游丝轴上时，往往可以忽略不计。又如：经过精心设计，某些零件的偏重力矩 将有助于完成机构的力封闭，因此在式（5）中可将pM省略。在计算前考虑这些因素，可以省略不少计算项目，使计算工作大为简化。pM对于压力表，在忽略连杆重量之后， 可按下式计算：fy2121ifzfzfz38式中： 小齿轮支承上摩擦力矩；1fzM扇形齿轮支承上的摩擦力矩；2)(fz齿轮传动的传动系数；1i齿轮传动的效率，近似计算取 0.9。22、游丝的设计计算在选定游丝材料后，可根据结构空间的大小，选取游丝的外径 和内径 ，然后选1D2取游丝在 时的转角 （可取为 ） ，游丝的圈数 ，宽厚比 ，并按下式计算游丝minMmin2nu的几何尺寸：游丝长度： ;21DL游丝厚度： （h 应圆整到 0.01 的倍数）;min4EuMh游丝宽度： b ub ；最后按下式校核游丝的最大应力：bbh2max6式中： ； minaxiaxM；SBb游丝材料的强度极限；B许用安全系数，可在 34 范围内选取。（十） 标尺、指针参数选择39分度尺寸；标线长度；选取指针与短标线重合长度；指针形状的选取；指针末端宽度的选定。（十一）绘正式设计装配图（十二）编写说明书（十三）绘零件图（十四）注意事项：1、设计要考虑全面，有理有据，计算要正确准确，说明书要书写工整，条理清楚，图纸应符合机械制图标准。2、每个同学应允分独立思考，在和同学讨论及向指导教师提问时，应当有自己的初步意见。3、不盲目抄袭参考图和样机，取其合理部分，舍其不合理部分，在学习和继承前人经验的基础上，力求有自己独特的见解，完美地完成设计任务。4、认真细致，一丝不苟，一经发现设计中有错误时，必须纠正。5、抓紧时间，按时完成，（十五）设 计 任 务（编写设计计算书时要放在最前）设计压力表，其技术要求为：1、测量范围：00.16Mpa 2、外尺寸：外径 150mm； 高度 55mm； 接头尺寸 M201.53、标尺特性：等分分度标度角 ； 分度值 0.002MPa；分度值 800274041附录：示 例弹簧管压力表课程设计计算说明书专 业：班 级：学 号：姓 名：日 期：42一、设计任务（一）设计题目设计一弹簧管压力表，其径向接头尺寸为 ，要求画装配图一张，零件图 2 张。5.120M（二）技术参数对于所设计的压力表，要求满足以下技术参数。1、测量范围： 。Pa25.02、外尺寸： 外经，150 。m厚度，50 。接头尺寸， 。5.120M3、标尺特性： 等分分度：标度角： 。027分度值： 。Pa5.分度值： 50； 二、压力表工作原理弹簧管压力表是由弹簧管、曲柄滑块机构、示数装置（指针及分度盘）及外壳几部分组成，弹簧管是具有椭圆或其他扁平型状剖面的，一端封闭的弹性弯管，是弹簧管压力表的敏感元件。弹簧管一端焊在机座上，通过管接头与被测介质接通，另一头为自由端，是封闭的。它与曲柄滑块机构的拉杆一端绞接，拉杆的另一端与扇形齿轮相绞接，绞链中心到扇形齿轮转动中心的距离 OA 为曲柄长度。游丝的内端和齿轮轴（小）联接，以保证齿轮啮合时单面接触，消除回差。在被测介质压力作用下，弹簧管截面总是趋于变成圆形，由于变形以后，管子的材料和长度大小都没有改变。所以必然使弹簧管自由端发生位移，该位移通过曲柄滑块机构按一43定的函数关系转变成扇形齿轮的角位移，最后通过齿轮副的传动放大转换为指针相对刻度盘的转角，以示出所测介质压力的大小。三、弹簧管参数选择及技术指标（一）参数选择，mR5.34，h20，a.，b54，02材料：锡磷青铜，3.4nQS，MPE510.泊松比： ，.（二）弹簧管的技术要求1、弹簧管的基本误差，用位移百分数表示。其值在测量范围内任何位置上不应超过表中（表 1）规定的数值。2、弹簧管的空回误差，不超过基本误差的绝对值。3、在使用环境温度偏高 时，仪表的指示误差不超过下式的规定范围：052)(tkl 基本误差的绝对值；常数（ %04.）/ C0；k；12tt仪表使用的空气温度环境（ ） ；C006444当 高于 时，取 ，低于 时取 。1t2C0502C0150表 1：精 度 等 级 基 本 误 差1.0 1.01.5 1.52.5 2.5四、弹簧管自由端位移量的计算 按下列式子计算 值：；)1()122212 abRhCbEP径向位移： ；)cos( Sr切向位移： ；)in(Rt总位移： ；2rtS夹角： ； （ 与 的夹角）tacgSt其中： 、 弹簧管变形前后的中心角弹簧管初始曲率半径R弹簧管的壁厚h， 弹簧管截面长轴或短轴的一半ab， 与 ， 有关的系数1C2ab45压力表的最大量程P013. 1.025)1.0534(2.502.15.32 2 （弧度数） 、384.70 （径向位移）621.0cos15.rS（切向位移）375in203t（自由端位移）45.7.621.S35.tg（夹角）4五、曲柄滑块机构参数的确定1、 选取两组数据进行对比计算，选取优选方案。A 组： ， 。9.03B 组： ， 。5选取齿轮传动的传动系数 。152i则曲柄的转动范围角 。008/7p曲柄的初始位置角 。09终止位置角 。kA 组曲柄长度可按下式计算：468467. )9.0(cos39.0)cos(3)9sin(i 45.2ii 2200 22 kk Sa同样，B 组曲柄长度 。867.aA 组 B 组连杆长度难关： 5401.23b5401.23偏 轴 距： 67ad7连杆终止位置与滑块运动方向的夹角 （ ） ；cossinbdak； 0126.029.sin； 6751792、齿轮理论中心距 的计算：A当曲柄滑块机构的尺寸参数全部确定时，齿轮传动的理论中心距 也相应而定。但是，A由于 和 只能是间断数，很难使齿轮传动的中心距恰好与理论中心距相等，所以需要按m2Z选定的齿轮中心距 A，反求出满足仪表结构位置要求的连杆长度 。b为了使选定的齿轮中心距 A，尽量接近于理论中心距 ，以减小连杆长度的修正量，需要根据曲柄滑块机构及其在仪表机芯中的位置，求出理论中心距 。如下图 1：A图 1 齿轮传动理论中心距计算图图中： ； ；6OGD5G已知： ；22 cos)(abaC式中： ；18065k47当 1； ；069当 1； ；然后由下式求出 ；A；722 cos)(RCR式中： 908718sindA 组 B 组0675.90719.5324283.C5.0871046175. 89.604.29A20.3、选定齿轮传动中心距：A 组： 选取 ， ；5.m152Z30)(.0)