天津大学课程设计弹簧管压力表设计报告完整版.doc

成绩：
《精密机械设计》课程设计说明书
压力表设计

学 院 精密仪器与光电子工程学院
专 业 测控技术与仪器
年 级
班 级
姓 名
学 号
同 组 人

年 月 日

目录
一.设计任务概述
1.课程设计的目的
2.弹簧管压力表的设计任务要求
3.技术指标
二.弹簧管压力表概述
1.压力表的组成
2.工作原理
三.参数选择计算
1弹簧管：结构设计计算、末端位移计算
2.曲柄滑块机构：结构设计计算
3.齿轮传动结构：结构参数计算
4.游丝：参数计算
四.所绘制零件结构参数设计说明
五.标准化统计
六.课程设计总结
七.参考文献

一.设计任务概述
1.课程设计的目的
(1).巩固、实践课堂讲过的知识
本课程设计的内容（任务）：本次课程设计就是把学过的知识应用到机械仪表的设计中，培养同学从整体上分析问题、解决问题的能力。并进一步加深对学过的知识的理解、巩固。
(2).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
(3).设计过程中需注意以下内容：
1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）
2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求）
(4).熟悉有关规范、标准、手册
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。
2.压力表设计任务要求
(1).总装配图一张
(2).一张相关零件图 （3号或4号图）
(3).设计说明书一份
3.技术指标
(1).测量范围 0～0.25Mpa
(2).外廓尺寸 外径<150mm 高度<50mm
(3).接口尺寸 M20×1.5（普通螺纹、外径20、螺距1.5）
(4).标尺 等分刻度（满程0.25Mpa）
标度角270°、分度数50（格）、
分度值（0.005Mpa）
(5).精度 1.5级
二.弹簧管压力表概述
1.压力表的组成
弹簧管压力表是一种用来测量气体压力的仪表。
压力表的组成：
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）
2.工作原理
作为灵敏元件的弹簧管可以把气体压力转变为管末端的位移，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。传动放大-曲柄滑块机构
灵敏部分-弹簧管
O
传动放大-齿轮传动
p

压力表工作原理框图
弹簧管
齿轮传动
标尺示数
p
s
a
(线性转换)
(线性传动)
(线性刻度)
曲柄滑块机构
j
(近似线性传动)

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。
从0～0.25Mpa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误差调整。
三.参数选择计算
1.弹簧管的设计计算
(1).弹簧管的工作原理
弹簧管在内压力的作用下，任意非圆截面的弹簧管的截面将力图变为圆形。
从管子中截取中心角为dg的一小段。通入压力p后，管截面力图变圆，中性层x－x以外各层被拉伸（如ef®e’f’），以内各层被压缩（如ki®k’i’）。材料产生弹性恢复力矩，力图恢复各层原来长度，从而迫使截面产生旋转角dj，使管子中心角减小，曲率半径增大。若管子一端固定，自由端便产生位移，直至弹性平衡为止。
O
O’
x
x
e
f
k
i
e’
f’
k’
i’
dg
dg -dj
dj
d
d

(2). 末端位移计算
1）弹簧管中心角变化与作用压力之间的关系

注： g和g’－弹簧管变形前、后的中心角
R－弹簧管中性层初始曲率半径
h－管壁厚度
a和b－横截面中性层长轴半径和短轴半径
E和m－材料的弹性模量和泊松比
C1和C2－与a/b有关的系数，查表取之
t
R0
g0
O
r
sr
d
p
f
s
st
sf
连杆方向

2）位移切向分量St

3）位移径向（法向）分量Sr

4）自由端位移S

5）位移与切向分量夹角d

根据设计要求，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 F＝15mm
中 径 R＝50mm
壁 厚 h＝0.3mm
中 心 角 g´´＝240°
材 料 锡磷青铜Qsn4-0.3
E＝1.127´105Mpa
m＝0.3
弹簧管截面与轴比a/b＝4
查表得C1=0.437 C2=0.121
根据弹簧管外径不变可得a＝10.10，b＝2.52
g = g´´-10°-5°=225 ° p=0.25MPa
经计算得
1) (g-g’)/ g=0.019
2) St =4.43mm
3) Sr =1.63mm
4) S=4.72mm
5) d=20.2°
2.曲柄滑块机构：结构设计计算
选参数： i齿=15, ag =18°
e=1、l=4
a 0＝ a e－a g/2
a k＝ a e＋a g/2
对于e=1、l=4的曲线有ae=0
a0＝-ag/2=-9°
ak＝ag/2=9°
1）计算曲柄长度a

最大位移Smax ，上式中 a®ak
2）计算连杆长度b和偏距e
连杆长 b=la 偏距 e=ea
3）连杆b初始位置与弹簧管末端位移s夹角f
bsinf =e-acosak
经计算得：
1)a=15.1mm
2)b=60.4mm e=15.1mm
3)f=0.18°
3. 齿轮传动结构：结构参数计算
初定齿轮中心距A’(根据曲柄滑块机构参数计算)
1）求c’（过渡量）： DOBD中

2）求A’： DO’BO中

经计算得：
(1)C’=59.97mm
(2)A’=51.71mm
3）选定标准中心距A（i12即前述i齿）
由验算得m=0.3 Z1=21时A’与A最接近

经计算A=50.4mm Z2=315
da1=6.9mm da2=95.1mm
d1=6.3mm d2=94.5mm
df1=5.5mm df2=93.7mm
4) 扇形齿轮扇形角
B
O’
s
e
D
A’
E
a
b
ak
st
A
O
滑道
R
d
d
f
c’
c

d扇=ag(1+25%)+2×2齿对应中心角=27.1°
5) 修正连杆长度b
（1）求c（改变c’）： DOBO’中

（2）求b： DOBD中

经计算得c=58.4mm b=58.7mm
6）原理误差
对应曲柄转角的理想位移
对应曲柄转角的实际位移

原理误差 £D1％为合格

非线性度校验：
曲柄每转过2°进行一次误差计算。
序号
计算点αn
理想值Sn
实际值Sn’
绝对值
| Sn- Sn’|
相对值
| Sn- Sn’|/Smax
1
-9°
0
0
0
0
2
-7°
0.52498
0.52181
0.00317
0.067％
3
-5°
1.04996
1.04596
0.00400
0.085％
4
-3°
1.57494
1.57177
0.00317
0.067％
5
-1°
2.09992
2.09856
0.00136
0.029％
6
1°
2.62489
2.62567
0.00078
0.017％
7
3°
3.14987
3.1247
0.00260
0.055％
8
5°
3.67485
3.67833
0.00348
0.073％
9
7°
4.19983
4.20264
0.00281
0.059％
10
9°
4.72481
4.72481
0
0％
△≤1％ 经验证 合格
4.游丝设计
选定参数
(1)工作角度 最小工作转角 j1=p/2®M1=Mmin
最大工作转角 j2=2p
（2）工作圈数 n=9
（3）宽厚比 u=6
（4）外径D1 35mm
内径D2 6mm
（5）标尺、指针参数
短轴线长度： 5mm
长轴线长度： 10mm
指针与标线重合长度： 2mm
指针形状： 楔杆形
指针末端宽度： 2mm
材 料 锡青铜QSn4-3
E=1.2´105Mpa
强度极限sb =600Mpa
安全系数S=3
[sb]=sb/S=200Mpa
计算：1） 中心小齿轮Mfz1的计算－取两者中大者参与后序计算
* 压力表立放，轴水平 (f=0.2 Fr=0.063N d=2mm)

* 压力表平放，轴立（d2=1.1d1 Fa=0.063）

2）扇形齿轮Mfz2的计算
（计算步骤同上，并取大者）（把1中Fr换成0.056，Fa换成0.056）
经计算: 立放： Mfz1=1.98×
平放：Mfz1=1.32×
立放：Mfz2=1.76×
平放：Mfz2=1.17×
分别取Mfz1, Mfz2中的最大者（立放时）
由
（i21=1/15 h=0.9）
得Mfz=31.28×
3)最小力矩Mmin的计算

（k=2.5）
经计算得Mmin=104×
4）几何尺寸计算
（1）初定长度

（2）厚度 圆整到0.01

（3）宽度 由圆整后的h计算
（4）校核应力

经计算得：L=579.6mm h=0.28mm b=1.7mm
σb =184MPa＜[sb]=200 MPa
所以满足要求
5）最后确定L、n、a(圈间距)-圆整后的b、h

K-同时盘绕游丝个数－取整

经计算得L=579.6mm n=9 a=1.6mm
K=3.73≈4
四.所绘制零件结构参数设计说明
1）按仪表特性的要求确定零件尺寸
如弹簧管 2a、2b、h、g、R
曲柄滑块机构 a、b、e、 a0、ak
齿轮 i、Z1、Z2、m
2）按标准化规范确定零件尺寸
（1）标准尺寸（有关标准、规范）
如螺纹、锥度、倒角、直径、m
（2）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。
4）由空间结构确定
（1）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……
（2）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。
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。
五.标准化统计
零件名称
数量
材料
国标代号
开槽盘头螺钉M3
6
H62
GB/T67-2000
开槽沉头螺钉M6
3
H62
GB/T68-2000
垫圈1
6
H62
GB/T97.1-2002
垫圈2
1
H62
GB/T97.1-2002
封铅
1
Pb-6
GB469-84
圆锥销1×6
1
HPb59-1
GB/T117-2000
标准件总数：18
零件总数： 44
标准化率： 40.9﹪
六．课程设计总结
压力表是工业中常用的测量气体压力的仪表，在工业生产中具有举足轻重的地位。在实际应用要求中十分严格。要求有足够的精度、灵敏度，并要求安全可靠，同时根据不同的工作任务和条件，对压力表应提出特殊的要求，如耐高温、抗震、防潮、防尘等。
本设计要求为普通工业气体压力表。我们设计的方案为弹簧管压力表，它具有高灵敏度、低造价、结构简单、传动平稳、易于加工等特点，很适合作为初学者学习，经过以上设计及计算表明，该方案基本上达到了设计的要求，完成了所规定的任务。
同时方案也存在不足之处，对工作环境及测量气体均无具体的要求。另外，外界环境的温度、湿度和测量气体对压力表的腐蚀都可能使压力表精度降低。
这三个星期的设计实践，使我把学过的知识应用到机械仪表的设计中，培养了我从整体上分析问题、解决问题的能力。并进一步加深了对学过的知识的理解、巩固。使我学习、掌握查阅标准及使用手册的能力，进一步熟悉了精密机械设计的相关要求，复习了工程制图的一些基本内容和细节，认真的计算了各个参数，经过不断的修改，努力的完成了设计任务，同时培养了我刻苦认真的品质。在此期间，也得到了老师和同学们的很多帮助，体会到了团结的力量。
七.参考文献
庞振基、黄其胜主编，《精密机械设计》，机械工业出版社。
何贡主编，《互换性与测量技术》，中国计量出版社。
庞振基、张弼光主编，《仪表零件及机构》，天津大学出版社。
高魁明主编，《热工测量仪表》，冶金工业出版社。
陈文贤主编，《仪器仪表结构设计手册》，哈尔滨工业大学出版社。
《精密机械零件手册》，天津大学出版社。
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