彈簧管壓力表原理

壓力表課程設計當前第1頁\共有50頁\編于星期五\19點主要內容1壓力表課程設計要求2壓力表設計計算1、壓力表概述2、測量環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇與計算3、游絲設計4、零件尺寸的確定3課程設計報告4其它當前第2頁\共有50頁\編于星期五\19點目的鞏固、實踐課堂講過的知識本課程設計的內容（任務）：

本次課程設計就是把學過的知識應用到機械儀表的設計中，培養(yǎng)同學從整體上分析問題、解決問題的能力。并進一步加深對學過的知識的理解、鞏固。1壓力表課程設計要求壓力表的結構設計當前第3頁\共有50頁\編于星期五\19點目的掌握正確的設計思想。通過課程設計使同學掌握儀表的設計思路。機械產品設計，一般其主要過程為：（接受）設計任務－（擬定）設計方案－設計計算－繪制裝配圖－繪制零件圖

設計過程中需注意以下內容：1）滿足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工藝性（結構合理、簡單，經(jīng)濟性，外觀要求）當前第4頁\共有50頁\編于星期五\19點目的熟悉有關規(guī)范、標準、手冊設計中涉及到的零件材料、結構等，均需按照有關標準選擇；零件的尺寸、公差等亦應符合相關標準；制圖也要符合一定的規(guī)范。因此在課程設計過程中要求同學學習、掌握查閱標準及使用手冊的能力。當前第5頁\共有50頁\編于星期五\19點當前第6頁\共有50頁\編于星期五\19點壓力表設計的技術要求測量范圍0～0.16Mpa外廓尺寸外徑<150mm高度<55mm接口M201.5（普通螺紋、外徑20、螺距1.5）標尺等分刻度（滿程0.16Mpa）

標度角270、分度數(shù)80（格）、分度值（0.02Mpa）精度1.5級27000.160.02當前第7頁\共有50頁\編于星期五\19點壓力表設計任務要求設計說明書兩張相關零件圖（3號或4號圖）壓力表三維模型（Pro-E）、爆炸圖當前第8頁\共有50頁\編于星期五\19點壓力表概述彈簧管壓力表是一種用來測量氣體壓力的儀表。壓力表的組成：

靈敏部分（彈簧管）傳動放大部分（曲柄滑塊、齒輪機構）示數(shù)部分（指針、刻度盤）輔助部分（支承、軸、游絲）2壓力表設計計算當前第9頁\共有50頁\編于星期五\19點

工作原理

作為靈敏元件的彈簧管可以把氣體壓力轉變?yōu)楣苣┒说奈灰?，通過曲柄滑塊機構將此位移轉變?yōu)榍霓D角，然后通過齒輪機構將曲柄轉角放大，帶動指針偏轉，從而指示壓力的大小。將轉角放大便于測量，可以提高測量精度。當前第10頁\共有50頁\編于星期五\19點O靈敏部分-彈簧管p傳動放大-曲柄滑塊機構傳動放大-齒輪傳動當前第11頁\共有50頁\編于星期五\19點

壓力表工作原理框圖

彈簧管的壓力－位移是線性關系，但彈簧管本身的工藝問題（如材料、加工等）會造成一些線性誤差，彈簧管形狀的不直、不均勻也會導致非線性誤差。曲柄滑塊機構可以補償彈簧管的線性及非線性誤差。從0～0.16Mpa調整滿足滿刻度精度為線性誤差調整，中間部分不均勻調整為非線性誤差調整。注：參考趙英老師的網(wǎng)絡錄像。彈簧管齒輪傳動標尺示數(shù)ps(線性轉換)(線性傳動)(線性刻度)曲柄滑塊機構(近似線性傳動)當前第12頁\共有50頁\編于星期五\19點

本次壓力表課程設計的主要設計計算內容1）彈簧管：結構設計計算、末端位移計算2）曲柄滑塊機構：結構設計計算3）齒輪傳動結構：結構參數(shù)計算4）游絲：參數(shù)計算壓力表概述-end當前第13頁\共有50頁\編于星期五\19點測量環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇和計算一、彈簧管設計計算二、曲柄滑塊機構設計計算三、齒輪傳動機構設計計算四、原理誤差計算當前第14頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管原理（參閱教材p352）

彈簧管在內壓力的作用下，任意非圓截面的彈簧管的截面將力圖變?yōu)閳A形。

從管子中截取中心角為d的一小段。通入壓力p后，管截面力圖變圓，中性層x－x以外各層被拉伸（如efe’f’），以內各層被壓縮（如kik’i’）。材料產生彈性恢復力矩，力圖恢復各層原來長度，從而迫使截面產生旋轉角d，使管子中心角減小，曲率半徑增大。若管子一端固定，自由端便產生位移，直至彈性平衡為止。OO’xxefkie’f’k’i’dd-dd當前第15頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管末端位移計算1）彈簧管中心角變化與作用壓力之間的關系

和’－彈簧管變形前、后的中心角R－彈簧管中性層初始曲率半徑h－管壁厚度a和b－橫截面中性層長軸半徑和短軸半徑E和－材料的彈性模量和泊松比C1和C2－與a/b有關的系數(shù)，查表取之R00Ortsrpssts連桿方向當前第16頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管2）位移切向分量st3）位移徑向（法向）分量sr4）自由端位移s5）位移與切向分量夾角R00Ortsrpssts連桿方向當前第17頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管彈簧管參數(shù)選擇與計算按照現(xiàn)有的彈簧產品規(guī)格，選定尺寸參數(shù)如下的彈簧管：毛坯外徑＝15mm中徑R＝50mm

壁厚h＝0.3mm中心角′′＝265（參考）材料錫磷青銅Qsn4-0.3E＝1.127105Mpa＝0.3′′R當前第18頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管彈簧管參數(shù)選擇與計算1）安全系數(shù)npj：比例極限壓力pg：工作壓力（應小于pj）2）彈簧管截面與軸比a/b已知毛坯：＝15mm，h＝0.3mm

選用扁圓形彈簧管，a=？b=？a/b，靈敏度，但pj，建議a/b＝4提示：圓形毛坯壓扁后中性層尺寸不變；＝15mmhh2a2b當前第19頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管3）中心角設則有s通常?。?00～270。建議：（結構中心角）′′=265另插入接口10～15自由端壓扁4～6則實際參加變形的中心角：=′′-10-5=250當前第20頁\共有50頁\編于星期五\19點彈簧管4）彈簧管中徑R＝50mm5）材料錫磷青銅Qsn4-0.3

彈性模量E＝1.127105Mpa

泊松比＝0.3

當前第21頁\共有50頁\編于星期五\19點曲柄滑塊機構加壓后，彈簧管自由端位移s，帶動曲柄轉過角度g－曲柄滑塊機構ODBseab+－00yxB’gD’當前第22頁\共有50頁\編于星期五\19點曲柄滑塊機構O’spB0eDOEabBeDOabD’B’sg0k當前第23頁\共有50頁\編于星期五\19點曲柄滑塊機構曲柄最大轉角g－工作轉角彈簧管末端指針：兩級傳動一級－曲柄滑塊機構、二級－齒輪傳動i總=i齒i曲=270/g

g

/s

推薦：*i齒=13.5,g

=20

*i齒=15,g

=18（建議選取該組參數(shù)，因為i是整數(shù)，對后面齒輪Z1、Z2選擇方便。）當前第24頁\共有50頁\編于星期五\19點曲柄滑塊機構、的選擇曲柄滑塊機構的傳動比i=/s=f(a,b,e,)為簡化計算，常引入無量綱系數(shù)：*滑塊相對位移*連桿相對長度*相對偏距*相對傳動比

=0.8~1.4、=2~5推薦=1、=4當前第25頁\共有50頁\編于星期五\19點確定0、k(初始角、終止角)k-0=g

在ia-曲線上找出極點對應的極角e，0、k以e對稱分布。i變化小，工作過程非線性度減小。

0＝

e－

g/2

k＝

e＋

g/2對于=1、=4的曲線有e=0

0＝-

g/2

k＝

g/2曲柄滑塊機構eia=1＝4O0kg1當前第26頁\共有50頁\編于星期五\19點曲柄滑塊機構計算曲柄長度a

最大位移smax

，上式中k

計算連桿長度b和偏距e連桿長b=a偏距e=a連桿b初始位置與彈簧管末端位移s夾角

bsin=e-acosk

當前第27頁\共有50頁\編于星期五\19點齒輪傳動機構初定齒輪中心距A’(根據(jù)曲柄滑塊機構參數(shù)計算)1）求c’（過渡量）：OBD中

2）求A’：O’BO中BO’seDA’EabkstAO滑道Rc’c當前第28頁\共有50頁\編于星期五\19點齒輪傳動機構選定標準中心距A（i12即前述i齒）選擇適當Z1、m，使A盡可能靠近初定值A’＝整數(shù)（否則Z2無法加工）m選用標準值0.20.250.30.4對每一個m值適當選擇1～2個Z1，使A接近A’，且Z1不小于17、Z2不要太大（參考樣機）。計算齒輪參數(shù)da、d、df當前第29頁\共有50頁\編于星期五\19點齒輪傳動機構修正連桿長度b當用中心距A代替初定值A’后，曲柄回轉中心O位置將略有改變，此時可重新計算連桿長度b，使O點與齒輪傳動計算得出的O點重合。而a、e、0、k、=b/a均不需改變。1）求c（改變c’）：OBO’中

2）求b：OBD中BO’seDA’EabkstAO滑道Rc’c當前第30頁\共有50頁\編于星期五\19點齒輪傳動機構扇形齒輪扇形角扇形齒輪回轉中心即是曲柄的回轉中心，故扇形齒輪的工作轉角即為曲柄的工作轉角g，并適當增大即可。

扇=g(1+25%)+2×2齒對應中心角工作初始及滿程結束時，兩邊各多出2齒防脫角。過載量，指針實際可轉角比工作轉角大一些。Og初始滿程2齒2齒當前第31頁\共有50頁\編于星期五\19點原理誤差

壓力表彈簧管末端位移與指針轉角應為線性關系。由于在測量環(huán)節(jié)中采用了曲柄滑塊機構，使轉角與位移存在非線性誤差，即為原理誤差，應加以控制。對應曲柄轉角的理想位移對應曲柄轉角的實際位移原理誤差1％為合格當前第32頁\共有50頁\編于星期五\19點原理誤差非線性度校驗：曲柄每轉過2進行一次誤差計算。序號計算點n理想值sn實際值sn’絕對值sn－sn’相對值sn－sn’/smax1234-9-7-5-39測量環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇和計算-end當前第33頁\共有50頁\編于星期五\19點游絲設計

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，所以在游絲安裝時應給予一定的預緊力矩，使指針在零位時，在該最小安裝力矩下，也能驅動傳動鏈使齒輪保持單面接觸，即使小齒輪跟隨扇形齒輪（無論正轉、反轉）消除空回誤差。當前第34頁\共有50頁\編于星期五\19點計算最小力矩Mmin安全系數(shù)，k=2~3零件偏重力矩游絲壓力產生的摩擦力矩零件自重產生的摩擦力矩經(jīng)過精心設計，某些零件的偏重力矩Mp將有助于完成機構的力封閉，故可將Mp省略。當前第35頁\共有50頁\編于星期五\19點計算最小力矩MminMfz的計算Mfz為中心小齒輪及扇形齒輪的綜合影響：將扇形齒輪的影響誘導至中心軸中心小齒輪支承上的摩擦力矩Mfz2－扇形齒輪支承上的摩擦力矩；I21－齒輪傳動的傳動系數(shù)；－齒輪傳動效率當前第36頁\共有50頁\編于星期五\19點計算最小力矩MminMfz的計算（續(xù)）說明估算重量;小齒輪：齒輪軸、指針(Al)、指針帽(Cu)扇形齒輪：齒輪軸、扇形齒輪（估算）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；近似計算，=0.9。比重：Cu8.59g/cm3Al2.49g/cm3當前第37頁\共有50頁\編于星期五\19點計算最小力矩Mmin1）中心小齒輪Mfz1的計算－取兩者中大者參與后序計算*壓力表立放，軸水平

*壓力表平放，軸立2）扇形齒輪Mfz2的計算

（計算步驟同上，并取大者）當量摩擦系數(shù)，按未經(jīng)研配計算d1d2d將軸及軸上零件總重都集中在一端軸頸上計算即可式11-1式11-5當前第38頁\共有50頁\編于星期五\19點計算最小力矩MminMmin的計算注意：因為計算中需要知道零件的重量，故游絲設計必須在結構設計之后進行。當前第39頁\共有50頁\編于星期五\19點選定參數(shù)1）工作角度最小工作轉角1=/2M1=Mmin最大工作轉角2=22）工作圈數(shù)2n=10~14;<2n=5~10建議n=8~103）寬厚比u=b/h接觸游絲u=4~8，建議u=64）外徑D1

由空間結構定；

內徑D2

由軸定。5）材料錫青銅QSn4-3E=1.2105Mpa強度極限b=600Mpa安全系數(shù)S=3[b]=b/S=200Mpa游絲計算D1D2當前第40頁\共有50頁\編于星期五\19點游絲計算幾何尺寸計算1）初定長度2）厚度圓整到0.013）寬度由圓整后的h計算4）校核應力

一般情況下能滿足要求，否則可改變寬厚比u。D1D2當前第41頁\共有50頁\編于星期五\19點游絲計算5）最后確定L、n、a(圈間距)-圓整后的b、hK-同時盤繞游絲個數(shù)－取整

游絲設計-end當前第42頁\共有50頁\編于星期五\19點零件尺寸的確定按儀表特性的要求確定零件尺寸如彈簧管2a、2b、h、、R曲柄滑塊機構a、b、e、0、k齒輪i、Z1、Z2、m按標準化規(guī)范確定零件尺寸

1）標準尺寸（有關標準、規(guī)范）如螺紋、錐度、倒角、直徑、m

2）標準件（標準件越多，設計越好）銷釘、螺釘、螺母、墊圈、軸承；游絲亦有標準，但本設計里標準游絲不合適，需自行設計非標準游絲。當前第43頁\共有50頁\編于星期五\19點由材料規(guī)格確定如彈簧管的毛坯外圓（圓管材），即查材料規(guī)格；（卡玻璃的）鋼絲直徑、外殼鐵板厚度、夾板厚度，均需查手冊，或參考樣機。由空間結構確定1）安排尺寸（軸向）如中心輪安裝指針的軸的長度，需按軸向安排尺寸確定，玻璃－上夾板－下夾板－殼……2）零件結構尺寸計算的是特性尺寸，具體零件結構尺寸自行設計。當前第44頁\共有50頁\編于星期五\19點由空間結構確定（續(xù)）3）足夠的運動空間（平面）如表盤螺釘不得妨礙指針運動；夾板柱不得妨礙運