百分表设计

xxx 大 学

课 程 实 践

题 目：姓 名：班 级：学 号：指导教师：成 绩：

百分表设计 年 月 日

目录

一、机械式齿轮百分表任务设计书 ........................... 2 二、百分表的用途及设计原理 ............................... 2 三、设计任务和方案的比较分析 ............................. 5 四、机构设计参数的确定和计算 ............................. 8 五、仪表的优缺点、改进意见及其他说明问题 ................ 19 六、设计参考资料 ........................................ 19

一、机械式齿轮百分表任务设计书

（一）技术要求

1. 百分表的测量范围为0~10mm，分度值为0.01mm 。 2. 量杆行程至少应超过工作行程0.5mm 。

3. 百分表的外壳直径不大于60mm ，尖卡部分直径为 8h7，尖卡部分长度≥16mm 。

4. 百分表的测量力在0.49N~1.47N范围，同一点正反向测量力之差不大于0.45N 。

5. 本百分表为一级精密百分表其示值误差、回程误差和市值变化要求如下：

1）全量程示值误差不大于0.020mm 2）任一毫米示值误差不大于0.009mm 3）机构空回误差不大于0.005mm 4）市值变化不大于0.003mm （二）设计内容

1. 总装配图1张（一号图纸） 2. 零件图1~2图（四号图纸） 3. 设计说明书1份

二、百分表的用途及设计原理

（一）用途

机械式齿轮百分表是齿轮传动式测微指示表，主要用于比较测量，也能用于绝对测量。可用于精密机械式仪表及工件的行位误差（如平行度、圆度、对称度等）进行精密测量，也可用于对产品进行检验安装、鉴定，其测量精度较高，可达0.01mm 。

但由于百分表分度较小，故不能对较大尺寸进行测量。 （二）百分表简介

百分表通常由测头、量杆、防震弹簧、齿条、齿轮、游丝、圆表盘及指针等组成，常用于形状和位置误差以及小位移的长度测量。百分表的圆表盘上印制有100个等分刻度，即每一分度值相当于量杆移动0.01毫米，这种测量工具即称为百分表。改变测头形状并配以相应的支架，可制成百分表的变形品种，如厚度百分表、深度百分表和内径百分表等。如用杠杆代替齿条可制成杠杆百分表，其示值范围较小，但灵敏度较高。此外，它们的测头可在一定角度内转动，能适应不同方向的测量，结构紧凑。它们适用于测量普通百分表难以测量的外圆、小孔和沟槽等的形状和位置误差。 （三）工作原理

工作结构原理示意图如图1

被测尺寸（或偏差）引起测杆微小直线移动，经过齿轮传动和放大，变为指针在刻度盘上的转动，从而可直接读出被测尺寸（或偏差）的大小。

如图1所示，百分表的齿条和齿轮的模数m ：0.199mm ，当测杆工件抬高1mm 时，齿条上升1.6齿（1/(πm)=1/(0.199π)=1.6）由

于齿轮Z =16齿，故齿条移动Z ，转动1/10转，又Z 是100齿，故

2

2

3

Z

3

转过10齿。小齿轮Z 是10齿，经Z 带动后，Z 以及固定在其轴

1

3

1

上的长指针正向转过一周，而刻度盘为100等分，故测杆移动1mm 时，长指针转过100个分度，从而将微小移动转化为指针的转动。

由此可见，指针转过一个分度就相当于测杆转动0.01mm 。

图1

（四）百分表读数方法

用百分表测量时，指针转一圈，毫米指针相应转过一格，所以毫米数可以从毫米指针转过的格数来读的，毫米小数可以从毫米指针离开起始位置来读得。在作比较大范围的测量时，指针和毫米指针在开始的位置都要记住。

读百分表时，眼睛要垂直的看指针，否则也会由于视差造成读数误差。如下图2

当指针两条刻线之间时，可进行估读，读出小数第三位，即微米。如图3所示百分表的读数为8.874mm 。

图2读百分表的方法

图3 百分表的读数

三、设计任务和方案的比较分析

（一）百分表的组成

百分表由系数装置、传动装置、清楚空回误差装置、产生测量力装置、防震装置及轴承板导槽、导轨装置等组成。 （二）百分表的结构分析及方案确定 一、结构分析

1. 示数装置：由标尺、指针等组成。

标尺：直标尺、圆盘标尺、螺旋标尺、鼓轮标尺。根据百分表的结构特点，选用圆盘标尺度盘。

指针：一般有同心指针、不同心指针。根据百分表结构简单的特点，选用不同心指针。

度盘颜色：一般用黑、白、灰、黄等几种颜色，一般选用白色，加上黑刻线，显得清楚明朗 2. 传动装置

百分表具有外形要求小、内部紧凑、传动精度高的特点。选用齿轮传动键，其放大倍数为K=2πR/s（R 为指针半径，S 为百分表量程）。 3. 清除空回误差装置

清楚空回误差的方法常用的有：利用弹簧力消除侧隙，固定双片齿轮，利用接触游丝调整中心距等。

考虑到百分表的结构特点及实现的难易程度，选用接触游丝消除侧隙的方法。将游丝装在一根轴上，利用其产生的反力矩，迫使各级齿轮在传动时总在固定的齿面啮合，从而消除了侧隙对空回的影响。为了消除轴和轴承间的摩擦力，游丝安装时应具有初应力，则应从开始位置时，系统力就封闭，其初始应力通过游丝的初始位置转过π/2转角来决定。 4. 产生测量力装置

该装置可有三种：利用扭簧、利用拉簧、利用拉簧-杠杆-滚轮组合。

利用扭簧的装置往往被表面结构所限制，因为要产生足够大的测量力，其旋转圈数就须增加，则结构体积变大。

利用拉簧的装置可占用小空间而产生比扭簧大的力，但拉簧需装在测杆上，当随着拉簧的不断拉长，会使测杆倾斜导致测杆与导轨的摩擦力增大，使测杆与导轨的间隙变小，直接影响测量精度，且表面易损伤。

利用拉簧-杠杆-滚轮组合的方式，能克服前两者的不足，又能满足百分表的要求，故选用拉簧-杠杆-滚轮的组合结构。该结构利用杠

杆原理，使百分表在测量过程中测量力尽量小，测杆工作中就也较稳定，从而减小了测杆与导轨间的摩擦，延长了使用寿命。 5. 其它辅助结构的设计 1）导轨

有铜套及自动轴套两种，而前者使摩擦力有效地降低，故选用前者。 2）限动装置

限动装置用于控制仪器的工作范围，常用螺钉、滑道等限位。在本表中上限选用钉而下限位直接利用防限位。 3）防震装置

为了使百分表在震动情况下仍可以正常工作，并且可以在较大震动下能自我保护，采用测杆上加一防震滑动块的方法，并使其通过有初应力的拉簧和装置中的齿条相连，当外力大于这个弹簧的初应力时，拉弹簧带动震弹簧，拉伸防震块与齿轮相脱离，达到仿真的目的。 4）防转装置

为了保证百分表数值的确定，在测杆转动时示值变化不超过分度值的1/3，需采用防转装置。最简单的防转装置是在还功件和承导件的接触表面上做出凸起和凹槽，利用一个大头螺钉在转工件上，是螺钉帽与某一个平面有接触，靠两者之间的摩擦力防转。另一方法是利用辅助导面，这种方法可以更好地限制还工件转动，在防震装置中用了两个测杆来连接防震滑块和齿条，在此装置中利用此两个辅助测杆、辅助导面，由于难以直接加工在壳件上，因此可用螺钉将“ ”

型辅助导面固定在壳体上，测杆和滑道间为间隙配合，要选配并尽量减少测杆与滑道之间的接触面积，以减小摩擦力 5）轴承板（主夹板）

采用整体轴承板已达到结构紧凑易于加工及精度高的目的，材料为H68，轴承采用旋转精度高、摩擦力小的宝石轴承。 6）连接方式以及定位方式

本百分表采用螺纹连接及圆柱连接，指针套与采用圆锥销连接，定位方式采用圆柱锁定位。 二、方案的确定

综上所述比较分析，本百分表方案如下：

由拉簧-杠杆-滚轮来产生测量力，用齿轮传动结构及表针来实现微小位移的放大，利用装在最后一级齿轮上的游丝来实现齿轮系统的无侧隙单面啮合，导轨采用青铜作衬套，防转系统用导槽来实现连接为螺纹连接，定位方式为圆柱销定位。

此方案能满足技术要求和使用要求。

四、机构设计参数的确定和计算

（一）传动系统的设计 已知最大行程S

min

=S /Z，最大转角为

mm

max

=π，h =1，c =0.35，

a #

#

α=20，且设计过程列表如下：

如果变位系数选择可能出现齿顶变齿，齿廓干涉一系列问题，因此选

10

择变位系数应在如下基本条件下得到保证： 1、不发生根切 2、不产生齿廓干涉 3、有足够的齿顶厚度S 4、有足够重合度εα1. 4

S a =π/2Z 1(tga 1-tga ) +Z 2(tga

a

(0. 25~0. 4) m

[

'

2

-tga )

'

]

S

a

=S [r a /r -2r (inva

a

-inva ) ]

（二）示数装置设计 1、大刻度盘

11

2、小刻度盘

12

（三）消除空回游丝的设计

轴的材料为T12，密度为ρT12，齿宽为1mm 。

=8. 25

克每立方厘米，齿轮的材料也为

根据上面的计算结果，水平放置时M 大，故取M

f 1

f 1

以下的两种轴的计算只需要计算水平放置时的摩擦力矩即可。 2、轴Ⅱ的摩擦力矩M

f 2

的计算

13

3、轴Ⅲ的计算游丝座的材料QS

ρ=7. 9g /mm

3

n

65ρ=8. 899g /mm

3

，轴套为gCr18，

14

将各轴的最大力矩折算到游丝轴上，当功从一根轴传递到另一根轴上时，如果你忽略了阻力做的功，应用是功的保持不变，则M =

w

常数，

即转换到游丝轴上的力矩

M

f

=M

4

f 2

+M

f 2

*W 3/W 4+M

f 2

*W 2/W

4

1

W 3/W =Z 4/Z 3=

10，, W

2

/W

4

=Z 4/Z 2=

所以 M

f

=2. 226⨯0. 001+0. 11⨯10⨯0. 001+2. 65⨯0. 001=0. 00601N ∙mm

安全系数ξ

15

M M

min

=ξ

M

f

=0.01803N ⋅mm

/2

max

时的转角为5π

，是π的5倍，则M

max

=5M

min

=0.09015N ⋅mm

设计游丝选锡青铜0.5n65

取n=12，u=7.5，D1=18，D2=4，E=120000MPa

（四）产生测量力装置设计

采用拉簧-杠杆-滚轮机构的导轨摩擦力F 和游丝对杠杆作用

f

力F

游

(φmax -φmin ) 均可省略不计。

max

所以F F

=1. 47-F

f

-P -F 游(φmax -φmin ) =1. 47-P

-----------①

min

=0. 49+F f +P =0. 49+P

-----------②

式中F ——导轮摩擦力 P——测杆重量

f

F

游

(φmax -φmin ) ---游丝对测杆作用力

16

F

max

、F

min

——弹簧的最大、最小拉力

φ

max

、φmin ——游丝最大工作转角和初始角

m

用①+②得 F

=1/2(F max +F min ) =(0. 49+1. 47) ⨯1/2=0. 98n

=9mm

H 1=28mm

由结构可知参数 L=27.6mm h

H 2=29. 333mm

1

h

2

=8mm

=29.333mm

=80⨯10mPa

所以F F

1

=(L /h 1) ⨯F m =3. 01n

2

=(L /h 2) ⨯F m =3. 38n

选用碳素弹簧钢丝，所以E

17

18

五、仪表的优缺点、改进意见及其他说明问题

1. 优点

本设计采用的是侧拉簧-杠杆-滚轮产生测量力的装置，采用了辅助面式防转装置，测杆防转效果好，同时还带有防震装置，使其在震动的环境下也能工作，提高了表的测量精度和扩大了使用范围，本表测量误差小，各表在保证精度前提下，使用了经济性的材料，成本较低，大多数零件为标准件适合大量生产及修配。 2. 缺点

本表零件几乎全用金属件组成，比较重，齿轮传功系统由于各参数较小，制造起来不易。 3. 改进意见及其他需要说明的问题

本设计说明书中所用到的数据由于资料有限，很多未进行标准化，而应分别单项计算的数据，只是按设计思路进行了最佳选择。这样难免产生误差甚至错误。另外，为使各要求指标达到设计的精度要求，衬套应使用铜合金之类的软材料，以减少测量力对测头冲击而影响精度。

六、设计参考资料

1. 精密机械设计基础，裘祖荣著，北京：机械工业出版社，2007 2. 误差理论与数据处理，费业泰，北京：机械工业出版社，2010

19

3. 精密机械及仪表零件手册，庞振基，北京：机械工业出版社，1993

4.Auto cad 2009机械设计从入门到精通，张传纪，人民邮电出版社

20