1、燕山大學精密零件設計課程設計說明書 題目： 彈簧管壓力表 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業： 13級自動化儀表 學 號： 130103020062 學生姓名： 柴聰 指導教師： 潘登 燕山大學課程設計說明書目 錄一、方案分析.第1頁1.1 結構概述.第1頁1.2 工作原理.第1頁二、彈簧管壓力表設計.第2頁2.1 彈簧管的選擇.第2頁2.2 彈簧管位移計算.第2頁2.3 曲柄滑塊機構圖譜設計.第3頁2.3.1 曲柄滑塊機構設計的圖譜法.第3頁2.3.2 理想線性傳動比.第4頁2.3.3 曲柄滑塊機構初始位置選擇.第4頁2.3.4 平均傳動比計算.第5頁2.3.5 曲柄滑塊機構中各構件長度.

2、第5頁2.3.6 非線性度計算.第5頁2.3.7 非線性度計算軟件及程序.第6頁2.3.8 作圖法確定曲柄滑塊機構位置.第10頁2.4 齒輪機構設計.第11頁三、附件說明.第11頁3.1 游絲（作用及選擇注意事項）.第11頁3.2 表盤（位置及刻度分布）.第12頁3.3 限位銷（作用及位置）.第12頁四、系統誤差分析.第12頁五、設計總結.第13頁六、參考文獻.第13頁 一、方案分析1.1 結構概述彈簧管壓力表是一種用來測量氣體壓力的儀表。彈簧管式壓力表其結構主要由彈簧管、傳動機構、 指示機構和表殼等四大部分組成,如圖1.1所示。 圖1.1 彈簧管結構圖彈簧管結構圖中標示如下：1機座; 2彈簧

3、管; 3指針; 4上夾板; 5連桿; 6表盤;7接頭; 8活節螺絲; 9扇形齒輪; 10中心齒輪; 11游絲;12下夾板; 13支柱。彈簧管:管內壓力變化使管子自由端產生位移,帶動傳動機構動作,管內壓力與自由端位移成線性關系。傳動機構(機芯) : 由扇形齒輪、 中心齒輪、 游絲等組成。主要作用是將彈簧管自由端微量位移進行放大, 并把直線位移轉變為指針的角位移。指示機構: 由指針、 刻度盤等, 主要作用是將彈簧管的彈性變形量通過指針轉動指示出來, 從而在刻度盤上讀取直接指示的壓力值。表殼(機座) : 主要是固定和保護上述三部分的零件。1.2 工作原理 一根彎成圓弧形的空心金屬管子，其截面做成扁圓

4、或橢圓形，它的一端封閉(稱自由端，即彈簧竹受壓變形后的變形位移的輸出端).另一端(稱固定端，即被測壓力P的輸入端)焊接在固定支柱上.并與管接頭相通。當被測壓力的介質通過管接頭進人彈簧管的內腔中，呈橢圓形的彈簧管截面在介質壓力的作用下有變圓的趨勢，彎成圓弧形的彈簧管隨之產生向外挺直的擴張變形、從而使彈簧管的自由端產生位移。此位移牽動拉桿帶動扇形齒輪作逆時針偏轉，指針通過同軸中心齒輪的帶動作順時針方向轉動，從而在面板的刻度標尺上指示出被測壓力的數值。指針旋轉角的大小與彈簧管自由端的位移量成正比，也就是與所測介質壓力的大小成正比。 被測壓力被彈簧管自身的變形所產生的應力相平衡。游絲的作用是用來克服扇

5、形齒輪和中心齒輪的傳動間隙所引起的儀表變差。調核螺釘可以改變拉桿和扇形齒輪的連接位置，即可改變傳動機構的傳動比，以調整儀表的量程。壓力表工作原理框圖： 圖1.2 壓力表工作原理框圖 二、彈簧管壓力表設計2.1 彈簧管的選擇彈簧管各參數如下：1、 測量范圍：P=0-2.5MPa2、 線性刻度：針=240度3、 精度等級：2.5級4、 表外形尺寸：100-150mm5、 工作環境：無振動，2.2 彈簧管位移計算1、計算彈簧管的自由端位移彈簧管的自由端位移為： （式2-1）薄壁彈簧管中心角的變化與作用壓力之間的關系，可用下式表示： （式2-2）其中，P=2.5MPa, =0.3, E=1.2*100

6、000MPa,由查表可得，外徑d=15mm, h=1.1mm, 2b=5.8mm,則b=2.9mm, R=50+b=52.9mm,根據 （式2-3）把各值帶入(式2-3)可得 a=10.12566把各值帶入(式2-2)可得 (式2-4）把式（2-4）帶入式（2-1）得 彈簧管的自由端位移為 2、 位移的方向與管端切線方向的夾角為 （式2-5）代入計算得 （式2-6）2.3 曲柄滑塊機構圖譜設計 2.3.1 曲柄滑塊機構設計的圖譜法 圖譜法是介于作圖法和解析法之間的一種工程設計法，常用來設計儀器儀表中的曲柄滑塊機構。 曲柄滑塊機構的相對傳動比為 （式2-7）在這個表達式中，如果和的值確定，則可繪

7、出一條函數曲線。若分別取一系列的和，則可得到一組曲柄滑塊機構的相對傳動比曲線圖譜。在本設計中，我選用=1,=2、3、4、5；=2，=3、4、5，七條曲線圖譜。如圖2.1和2.2所示。 圖2.1 =1時的相對傳動比曲線圖譜 圖2.2 =2時的相對傳動比曲線圖譜 2.3.2 理想線性傳動比 根據已知的，可求出機構的理論傳動比： (式2-8） 經計算得 i=0.072752.3.3 曲柄滑塊機構初始位置選擇我選擇=1時，=2、3、5，的三條圖譜。對于這三條圖譜來說，初始位置都為 (式2-9）終止位置為 (式2-10） (式2-11）2.3.4 平均傳動比計算在曲柄滑塊機構的相對傳動比曲線圖譜中，選擇

8、極值附近的值，從圖譜中選擇最大值為,最小值為，相對平均傳動比為 (式2-12）對于=1，=2的曲線圖譜 =1.0168，可得，1.0084。對于=1，=3的曲線圖譜 = 1.0163，可得，1.00815.對于=1，=5的曲線圖譜 =1.0160，可得，1.008.2.3.5 曲柄滑塊機構中各構件長度在曲柄滑塊機構中，曲柄長度為a, (式2-13） 根據選定的和，可求b和d的值， ， (式2-14） 對于=1，=2的曲線圖譜，a=13.86116838,b=27.72233677,d=13.86116838.對于=1，=3的曲線圖譜,a=13.85773196,b=41.57319588,d=

9、13.85773196.對于=1，=5的曲線圖譜,a=13.8556701,b=69.27835052,d=13.8556701.2.3.6 非線性度計算 非線性度是指理想值與實際值的偏移程度，由非線性度的定義可知： (式2-15）其中，實際位移為： （式2-16）理想位移為： （式2-17）其中，,.把上邊兩式代入（式2-15）中，即可得到非線性度。2.3.7 非線性度計算軟件及程序 我采用軟件matlab計算非線性度。MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術

10、計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連 matlab開發工作界面

11、接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。計算曲柄滑塊機構的相對傳動比圖譜和非線性度程序如下：clear allclce=1;%將賦值為1n=2:1:5;%賦值為2,3,4,5a=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉換到弧度制for l=1:4%建立循環for k=1:1000%把a分為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);%對應相對傳動比公式endendplot(

12、a,y(1,:),'k-')%擬合曲線hold onplot(a,y(2,:),'b-.')hold onplot(a,y(3,:),'g')hold onplot(a,y(4,:),'r:')hold on%擬合四條曲線e=2;%將賦值為2n=3:1:5;%賦值為3,4,5a=linspace(70,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為70到-10，并轉換到弧度制for l=1:3%建立循環for k=1:1000%把a分為100份 y1(l,k)=1/(cos(a(k)-(cos(a(k)-e)*sin(a(k)/s

13、qrt(n(l)2-(cos(a(k)-e)2);%對應相對傳動比公式endendplot(a,y1(1,:),'k-')hold onplot(a,y1(2,:),'b-.')hold onplot(a,y1(3,:),'g')hold on%擬合三條曲線a=13.86116838;b=27.72233677;d=13.86116838;%根據計算所得的曲柄滑塊機構的數據賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉換到弧度制for k=1:1000 s1(k)=a*(sin(i(k)-sin(

14、10/180*pi)+b*(sqrt(1-(a*cos(10/180*pi)-d)/b)2)-(sqrt(1-(a*cos(i(k)-d)/b)2);%對應s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應s2公式endplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,'r');%擬合s2曲線hold ona=13.8556701;b=41.27835052;d=13.8556701;%根據計算所得的曲柄滑塊機構的數據賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10

15、，并轉換到弧度制for l=1:2for k=1:1000 s1(k)=a*(sin(i(k)-sin(10/180*pi)+b*(sqrt(1-(a*cos(10/180*pi)-d)/b)2)-(sqrt(1-(a*cos(i(k)-d)/b)2);%對應s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應s2公式endendplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,'r');%擬合s2曲線hold ona=13.85773196;b=41.57319588;d=13.85773196;%根據計算

16、所得的曲柄滑塊機構的數據賦值i=linspace(10,-10,1000)/180*pi;%a的范圍為10到-10，并轉換到弧度制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);%對應s1公式s2(k)=4.798*(i(k)-(10/180)*pi)/(20/180)*pi);%對應s2公式endplot(i,s1);%擬合s1曲線hold onplot(i,s2,'r');%擬合s2曲線h=(s1-s2)

17、/4.798;%對應非線性度公式plot(i,h);%擬合非線性度曲線對于=1，=2的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.3所示，非線性度曲線如圖2.4所示。 圖2.3 理想位移與實際位移曲線 圖2.4 非線性度曲線對于=1，=3的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.5所示，非線性度曲線如圖2.6所示。 圖2.5 理想位移與實際位移曲線 圖2.6 非線性度曲線對于=1，=5的一組圖譜，s1、s2曲線如圖2.7所示，非線性度曲線如圖2.8所示。 圖2.7 理想位移與實際位移曲線 圖2.8 非線性度曲線可以看出，三組數據計算出的非線性度的最大值均小于2.5%，均符合條件。2.3.8 作圖法確定曲柄滑塊機構

18、位置1、過彈簧管端點C1的切線做與切線夾角為的直線C1C2=SP=.2、以C1、C2為圓心，以b為半徑，作圓弧L1、L2.3、作C1C2的平行線E1,兩平行線之間的距離為d,再做距離為的平行線E2,E2與圓弧L1交于B1.4、在直線E2上，取點N,其中.5、過N點作E1垂線，交E1于點A,A點即為曲柄的固定點A.6、連接AB1C1.（曲柄滑塊機構的初始位置）7、以A為圓心，以曲柄a為半徑作弧與L2交于B2,，連接AB2C2。（曲柄滑塊機構終點)2.4 齒輪機構設計傳動比: （式2-18） （式2-19）中心距： （式2-20）選取a=39mm，m=0.25,根據計算得： （式2-21）齒輪直徑

19、為： （式2-22）則小齒輪直徑為： （式2-23）則大齒輪直徑為： =72 （式2-24）其中大齒輪的角度為： 三、附件說明3.1 游絲游絲是用帶料繞制成的平面螺線形狀的彈性元件。按作用不同，可分為測量游絲和接觸游絲兩種。游絲處于正常位置時，可以給中心齒輪一反時針方向的線性平穩的回復力，保持扇形齒輪和中心齒輪間的可靠接觸,因避免齒間間隙產生空行程.選用游絲的注意事項：1、 游絲材料的選擇，一般選用錫青銅、恒彈性合金。2、游絲圈數的選擇，游絲的工作轉較大時，游絲的圈數應當多些，以減小工作時游絲的偏心。一般，游絲轉角大于時，圈數為10-14；轉角小于時，圈數為5-10.3、游絲的寬度比的選擇，對

20、于要求彈性滯后、彈性后效小的游絲，一般都選取具有較大的寬厚比的游絲。在震動條件下工作時，應當選用寬厚比小的游絲。3.2 表盤表盤位于小齒輪的中心處，小齒輪轉動帶動指針轉動，顯示刻度。示數裝置是用來引入給定數據，指示儀器的工作狀態或工作結果，因此示數裝置的設計必須合理而且保證精度，在壓力表的讀數中，指針所指數值的大小代表了壓力的大小，要對表盤進行相關設計。設計表盤旋轉讀數為240度，最大量程為2.5MPa，最小分度值為0.1MPa，所以每一分度值對應的角度為9.6°。壓力表表盤大小應保證操作人員能清楚地看到壓力指示值，表盤的直徑最小不得小于10mm。3.3 限位銷限位銷使零件可以更快速的放進定位點，節省勞動力。 四、系統誤差分析 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。游絲的選取造成的誤差。表盤刻度不夠精確帶來的測量誤差。個人因素造成的讀數誤差。由于環境因素，如溫度、濕度造成的誤差。壓力表的超負荷運行并不是僅僅指壓力表指示值達到刻度盤最大，實際上超過滿刻度2/3的位置時，壓力表的彈性元件已經是處于近極限狀態。壓力表在超負荷的狀態下長期工作，其內部的彈性元件如彈簧管、膜片就會因為長期處于極限或近極限的變形狀態而彈性減