机械工程基础实验报告试题及解答

机械工程基础实验报告试题及解答一、选择题1.以下哪种测量工具可用于测量外径尺寸？A.游标卡尺B.千分尺C.百分表D.以上都是答案：D2.在金属材料拉伸试验中，材料开始产生明显塑性变形时的应力称为（）。A.弹性极限B.屈服强度C.抗拉强度D.断裂强度答案：B3.齿轮传动中，为了保证传动的平稳性，通常要求（）。A.齿侧间隙大B.重合度大于1C.模数小D.齿数少答案：B4.以下哪种材料的硬度最高？A.低碳钢B.中碳钢C.高碳钢D.合金钢答案：C5.带传动中，带在带轮上的包角一般要求不小于（）。A.90°B.120°C.150°D.180°答案：B6.轴的结构设计时，轴肩的主要作用是（）。A.便于轴的加工B.提高轴的强度C.轴向定位D.周向定位答案：C7.以下哪种连接方式属于可拆卸连接？A.焊接B.铆接C.螺栓连接D.胶接答案：C8.在铸造工艺中，分型面的选择应尽量使（）。A.铸件位于下箱B.铸件位于上箱C.铸件跨分型面D.以上都不对答案：A9.钳工锯削时，锯条的安装方向应使锯齿（）。A.向前B.向后C.向上D.向下答案：A10.对于滑动轴承，为了提高其承载能力，通常采用（）。A.减小轴颈直径B.增大轴颈直径C.减小宽径比D.增大宽径比答案：D二、填空题1.测量误差按其性质可分为______误差、______误差和______误差。答案：系统；随机；粗大2.金属材料的力学性能主要包括______、______、______、______和韧性等。答案：强度；硬度；塑性；疲劳强度3.螺纹连接的防松方法主要有______防松、______防松和______防松。答案：摩擦；机械；永久4.齿轮传动的失效形式主要有______、______、______、______和齿面塑性变形等。答案：齿面磨损；齿面胶合；齿面疲劳点蚀；轮齿折断5.带传动的主要失效形式是______和______。答案：打滑；疲劳破坏6.轴按承载情况可分为______、______和______。答案：心轴；传动轴；转轴7.铸造工艺中，常用的造型方法有______造型和______造型。答案：手工；机器8.焊接接头的基本形式有______、______、______和______。答案：对接接头；搭接接头；角接接头；T形接头9.钳工的基本操作包括______、______、______、______、钻孔、扩孔、铰孔等。答案：划线；锯削；锉削；錾削10.滑动轴承按其承受载荷的方向可分为______轴承和______轴承。答案：径向；推力三、简答题1.简述游标卡尺的使用方法和注意事项。使用方法：-清洁测量面：使用前，用干净的布将游标卡尺的测量面擦拭干净，确保测量面无油污、杂物等，以保证测量的准确性。-校对零位：将游标卡尺的两个测量爪合拢，观察游标卡尺的主尺零刻度线与游标尺零刻度线是否对齐。若对齐，则零位准确；若未对齐，应记录零误差，以便在测量结果中进行修正。-测量尺寸：根据测量对象的形状和尺寸，选择合适的测量爪（外测量爪用于测量外径、长度等，内测量爪用于测量内径等）。将测量爪张开，使被测物体位于测量爪之间，然后轻轻推动游标尺，使测量爪与被测物体表面紧密接触，但不要用力过大，以免损坏测量爪或影响测量精度。-读数：读数时，先读取主尺上的整数部分，即游标尺零刻度线左侧主尺上的刻度值。然后读取游标尺上与主尺刻度线对齐的刻度值，将其乘以游标卡尺的精度（如0.02mm、0.05mm等），得到小数部分。最后将整数部分和小数部分相加，即为测量结果。注意事项：-测量前要检查游标卡尺的精度和零位是否准确，如有问题应及时校准或更换。-测量时，测量爪要与被测物体表面垂直，避免倾斜导致测量误差。-避免游标卡尺的测量面受到碰撞、划伤等损坏，使用后应妥善保管，可涂上防锈油，放入专用的包装盒中。-不要用游标卡尺测量正在运动或旋转的物体，以免损坏量具和造成安全事故。2.说明金属材料拉伸试验的过程和主要测试指标。过程：-试件制备：根据相关标准，将金属材料加工成规定尺寸和形状的拉伸试件，通常为圆形或矩形截面，且在试件的两端加工出便于夹持的部位。-安装试件：将拉伸试件安装在拉伸试验机的夹头中，确保试件的轴线与试验机的加载轴线重合，以保证试件在拉伸过程中受力均匀。-加载试验：启动拉伸试验机，以一定的加载速度对试件施加轴向拉力，使试件逐渐产生变形。在加载过程中，试验机自动记录试件所受的拉力和对应的伸长量。-观察现象：在拉伸试验过程中，观察试件的变形情况，包括弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。当试件出现明显的颈缩现象后，继续加载直至试件断裂。-数据记录：记录试件断裂时的最大拉力、屈服载荷以及对应的伸长量等数据。主要测试指标：-屈服强度：材料开始产生明显塑性变形时的应力，是衡量材料抵抗塑性变形能力的重要指标。-抗拉强度：材料在拉伸过程中所能承受的最大应力，反映了材料的最大承载能力。-伸长率：试件断裂后标距段的总变形与原标距长度之比，以百分比表示，是衡量材料塑性变形能力的指标。-断面收缩率：试件断裂后断面缩小面积与原断面面积之比，以百分比表示，也用于衡量材料的塑性。3.分析齿轮传动中产生齿面磨损的原因及预防措施。原因：-齿面间存在相对滑动：在齿轮传动过程中，齿面间除了滚动接触外，还存在相对滑动，这会导致齿面之间产生摩擦，从而引起磨损。-润滑不良：如果齿轮传动的润滑条件不好，齿面间的摩擦力会增大，加速齿面的磨损。同时，润滑不良还可能导致齿面温度升高，使齿面材料的硬度降低，进一步加剧磨损。-齿面硬度不够：如果齿轮材料的硬度较低，齿面在承受载荷时容易产生塑性变形和磨损。-外界杂质进入：在齿轮传动过程中，如果有外界杂质（如灰尘、铁屑等）进入齿面间，会起到磨料的作用，加速齿面的磨损。预防措施：-合理选择齿轮材料和热处理工艺：提高齿面的硬度和耐磨性，例如采用合金钢并进行淬火、渗碳等热处理。-保证良好的润滑：选择合适的润滑剂和润滑方式，定期更换润滑剂，确保齿面间有良好的润滑膜，减少摩擦和磨损。-加强防护：在齿轮传动系统中设置防护装置，防止外界杂质进入齿面间。-控制齿轮的制造和安装精度：保证齿轮的齿形、齿向等精度，使齿面接触良好，减少局部磨损。4.简述带传动的工作原理和优缺点。工作原理：带传动是利用带作为中间挠性件，依靠带与带轮之间的摩擦力来传递运动和动力的。当主动轮转动时，由于带与带轮之间的摩擦力，带动带运动，进而使从动轮随之转动，实现运动和动力的传递。优点：-结构简单：带传动的结构相对简单，制造、安装和维护都比较方便，成本较低。-传动平稳：带具有弹性，可以缓冲吸振，因此带传动运行平稳，噪声小。-过载保护：当传动系统过载时，带会在带轮上打滑，从而避免其他零部件的损坏，起到过载保护的作用。-可实现远距离传动：带传动可以在较大的中心距之间传递运动和动力，适用于一些空间布局要求较大的场合。缺点：-传动效率较低：由于带与带轮之间存在相对滑动，会产生一定的能量损失，因此带传动的效率一般较低。-传动比不准确：带的弹性滑动会导致传动比不稳定，不能保证严格的传动比。-带的寿命较短：带在工作过程中会受到反复的拉伸、弯曲等作用，容易产生疲劳破坏，需要定期更换。-外形尺寸较大：为了保证带传动的正常工作，需要较大的张紧力，这会使带轮轴和轴承承受较大的载荷，同时带传动的外形尺寸也相对较大。5.说明轴的结构设计应遵循的原则。-满足强度和刚度要求：轴的结构设计应保证轴具有足够的强度和刚度，以承受所传递的扭矩、弯矩等载荷，避免轴在工作过程中发生断裂或过大的变形。在设计时，要合理确定轴的直径、长度和截面形状，必要时进行强度和刚度计算。-便于零件的安装和拆卸：轴上的零件（如齿轮、带轮、联轴器等）应便于安装和拆卸，以方便设备的维修和更换零件。为此，轴通常设计成阶梯轴，轴肩和轴环的尺寸应合理，以便于零件的轴向定位和拆卸。同时，轴上应设置键槽、花键等结构，用于零件的周向定位。-保证零件的定位和固定：轴上的零件需要进行准确的轴向和周向定位，以保证其正常工作。轴向定位可以采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母等方式；周向定位可以采用键连接、花键连接、过盈配合等方式。-考虑加工工艺性：轴的结构应便于加工制造，减少加工难度和成本。例如，轴的各段直径应尽量采用标准尺寸，轴上的圆角、倒角等尺寸应符合加工工艺要求，避免出现过于复杂的结构。-改善轴的受力状况：通过合理布置轴上零件的位置和尺寸，使轴上的载荷分布更加均匀，减少应力集中。例如，将齿轮等传动零件尽量靠近轴承布置，以减小轴所承受的弯矩。-考虑润滑和密封：对于需要润滑的轴，应设计合理的润滑通道和油槽，以保证良好的润滑条件。同时，为了防止润滑油泄漏和外界杂质进入，轴上应设置密封装置。四、综合题1.设计一个简单的减速器，已知输入功率$P_1=5kW$，输入转速$n_1=960r/min$，传动比$i=4$，工作寿命$L_h=5000h$，试完成以下设计任务：（1）确定减速器的类型和传动方案。根据给定的条件，可选择圆柱齿轮减速器。传动方案采用两级圆柱齿轮传动，因为单级圆柱齿轮传动的传动比一般在3-6之间，而本题要求传动比$i=4$，采用两级传动可以使传动更加平稳，结构更加紧凑。（2）计算各轴的转速、功率和转矩。输入轴（I轴）：转速$n_1=960r/min$功率$P_1=5kW$转矩$T_1=9550\frac{P_1}{n_1}=9550\times\frac{5}{960}\approx49.74N\cdotm$中间轴（II轴）：转速$n_2=\frac{n_1}{i_1}$，假设第一级传动比$i_1=2$，则$n_2=\frac{960}{2}=480r/min$功率$P_2=P_1\eta_1$，其中$\eta_1$为第一级齿轮传动的效率，取$\eta_1=0.97$，则$P_2=5\times0.97=4.85kW$转矩$T_2=9550\frac{P_2}{n_2}=9550\times\frac{4.85}{480}\approx96.32N\cdotm$输出轴（III轴）：转速$n_3=\frac{n_2}{i_2}$，因为$i=i_1\timesi_2=4$，$i_1=2$，所以$i_2=2$，则$n_3=\frac{480}{2}=240r/min$功率$P_3=P_2\eta_2$，其中$\eta_2$为第二级齿轮传动的效率，取$\eta_2=0.97$，则$P_3=4.85\times0.97\approx4.70kW$转矩$T_3=9550\frac{P_3}{n_3}=9550\times\frac{4.70}{240}\approx186.77N\cdotm$（3）选择齿轮材料和热处理方式。对于减速器中的齿轮，可选择中碳钢或合金钢。这里选择45钢，其具有良好的综合力学性能，价格相对较低。热处理方式：小齿轮采用调质处理，硬度为220-250HBS，以提高其强度和韧性；大齿轮采用正火处理，硬度为180-210HBS，以改善其切削加工性能。（4）进行齿轮的几何尺寸计算（以第一级齿轮为例）。设第一级齿轮的模数$m=3mm$，齿数$z_1=20$，则$z_2=i_1z_1=2\times20=40$。分度圆直径：$d_1=mz_1=3\times20=60mm$$d_2=mz_2=3\times40=120mm$齿顶圆直径：$d_{a1}=m(z_1+2)=3\times(20+2)=66mm$$d_{a2}=m(z_2+2)=3\times(40+2)=126mm$齿根圆直径：$d_{f1}=m(z_1-2.5)=3\times(20-2.5)=52.5mm$$d_{f2}=m(z_2-2.5)=3\times(40-2.5)=112.5mm$中心距：$a=\frac{m(z_1+z_2)}{2}=\frac{3\times(20+40)}{2}=90mm$2.某工厂要加工一批轴类零件，材料为45钢，要求轴的直径为$\phi50\pm0.03mm$，表面粗糙度$R_a$为1.6μm，试制定加工工艺路线，并说明各工序的加工设备和加工精度。加工工艺路线及相关说明如下：（1）下料采用锯床将45钢棒料按照所需长度进行下料。加工设备为锯床，此工序主要保证下料长度符合后续加工要求，对直径尺寸精度要求不高。（2）粗车在普通车床上进行粗车加工。粗车的目的是去除大部分余量，接近零件的最终尺寸。加工时，使用三爪卡盘装夹工件，先车削外圆，留0.5-1mm的加工余量。粗车可以使用硬质合金车刀，切削速度、进给量和背吃刀量根据工件材料和刀具情况合理选择。普通车床的加工精度一般能达到IT11-IT13级，表面粗糙度$R_a$为12.5-50μm。（3）调质处理将粗车后的轴进行调质处理，提高轴的综合力学性能。调质处理包括淬火和高温回火两个过程，淬火温度一般在840-860°C，回火温度在550-650°C。处理后轴的硬度达到220-250HBS。（4）半精车在数控车床上进行半精车加工。半精车进一步提高轴的尺寸精度和表面质量，为精车做准备。数控车床可以精确控制刀具的运动轨迹和切削参数，加工精度能达到IT8-IT10级，表面粗糙度$R_a$为3.2-6.3μm。此工序留0.1-0.2mm的精车余量。（5）精车继续在数控车床上进行精车加工。精车是保证轴的最终尺寸精度和表面粗糙度的关键工序。通过精确控制切削参数，使轴的直径尺寸达到$\phi50\pm0.03mm$的要求，表面粗糙度$R_a$达到1.6μm。数控车床精车的加工精度可以达到IT6-IT7级。（6）磨削（可选）如果对轴的表面质量和尺寸精度要求更高，可以增加磨削工序。在万能外圆磨床上进行磨削加工。磨削可以进一步提高轴的尺寸精度和表面粗糙度，加工精度能达到IT5-IT6级，表面粗糙度$R_a$可以达到0.2-0.8μm。（7）检验使用量具（如千分尺、卡尺等）对加工后的轴进行尺寸精度检验，使用表面粗糙度仪对表面粗糙度进行检测，确保轴的各项指标符合设计要求。3.分析滑动轴承在工作过程中可能出现的故障及原因，并提出相应的解决措施。故障及原因分析和解决措施如下：（1）轴承温度过高原因：-润滑不良：润滑油不足、润滑油变质或选用的润滑油不合适，都会导致轴承摩擦阻力增大，产生过多的热量，使轴承温度升高。-载荷过大：轴承承受的载荷超过了其设计承载能力，会使轴承内部的应力增大，摩擦加剧，从而引起温度升高。-装配不当：轴承与轴颈的配合间隙过小，会使轴承在工作时产生过大的摩擦；或者轴承安装时不平整，导致局部受力过大，也会引起温度升高。-散热不良：轴承的散热条件不好，如散热通道堵塞、环境温度过高等，会使热量无法及时散发出去，导致轴承温度升高。解决措施：-检查润滑系统，确保润滑油充足、清洁，并根据工作条件选择合适的润滑油。定期更换润滑油，保证润滑效果。-检查载荷情况，避免过载运行。如果载荷过大，应考虑更换承载能力更大的轴承或对设备进行改造。-重新检查和调整轴承与轴颈的配合间隙，确保其符合设计要求。在安装轴承时，要保证安装平整，避免局部受力不均。-改善轴承的散热条件，清