机械设计基础试题库及答案详解

机械设计基础试题库及答案详解一、选择题（每题2分，共20分）1.平面机构中，若某构件同时与三个相邻构件通过转动副连接，则此处存在（）。A.局部自由度B.虚约束C.复合铰链D.无特殊约束2.普通螺纹连接中，为防止螺纹副松动，采用双螺母防松属于（）。A.摩擦防松B.机械防松C.永久防松D.不可拆防松3.齿轮传动中，软齿面（硬度≤350HBS）闭式传动的主要失效形式是（）。A.齿面磨损B.齿面胶合C.齿面点蚀D.轮齿折断4.滚动轴承中，主要承受径向载荷，也能承受少量轴向载荷的是（）。A.深沟球轴承B.角接触球轴承C.推力球轴承D.圆柱滚子轴承5.带传动中，弹性滑动的主要原因是（）。A.带的预紧力不足B.带与带轮间的摩擦力不够C.带的材料弹性变形D.主动轮与从动轮直径不等6.键连接中，对中性最好的是（）。A.普通平键B.楔键C.半圆键D.切向键7.轴的材料选择中，最常用的是（）。A.20钢B.45钢C.65MnD.Q2358.凸轮机构中，从动件采用等加速等减速运动规律时，会产生（）。A.刚性冲击B.柔性冲击C.无冲击D.强烈振动9.滑动轴承中，为提高轴瓦的减摩性，通常在轴瓦内表面浇注（）。A.低碳钢B.青铜C.铝合金D.轴承合金（巴氏合金）10.螺纹连接的预紧力过大时，可能导致（）。A.螺纹副松脱B.螺栓过载断裂C.接合面分离D.摩擦力不足二、填空题（每空1分，共20分）1.平面机构自由度计算公式为______，其中n为______，PL为______，PH为______。2.螺纹的公称直径是指______，普通螺纹的牙型角为______度。3.带传动的最大有效拉力与______、______和______有关。4.齿轮的模数m定义为______，其单位是______，是决定齿轮______的主要参数。5.滚动轴承的基本额定寿命是指______的轴承在额定动载荷作用下能达到的寿命；基本额定动载荷C是指______。6.轴按受载情况可分为______、______和______，其中转轴同时承受______和______。7.滑动轴承的润滑方式主要有______、______和______。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述平面机构中虚约束产生的常见原因及处理方法。2.比较平键连接与楔键连接的优缺点及应用场合。3.齿轮传动中，为什么闭式传动通常采用软齿面组合，而高速重载闭式传动多采用硬齿面？4.滚动轴承的组合设计中，为什么需要考虑“固定-游动”支撑方式？列举两种实现游动支撑的方法。5.带传动中，弹性滑动与打滑的区别是什么？如何避免打滑？四、计算题（共30分）1.（8分）计算图1所示平面机构的自由度（需说明是否存在复合铰链、局部自由度或虚约束）。（注：图中构件1为主动件，构件2、3、4、5为活动构件；A、B、C、D、E为转动副，F为移动副；构件3与构件5在E点重合，且构件5可绕E点转动）2.（8分）某受轴向工作载荷的普通螺栓连接，螺栓材料为45钢（σs=360MPa），安全系数S=3，螺栓小径d1=13.835mm，预紧力F0=8000N，工作载荷F=5000N。试校核螺栓的强度（提示：螺栓总拉力F2=F0+0.8F，当量应力σca=1.3F2/(πd1²/4)）。3.（7分）一对标准直齿圆柱齿轮传动，小齿轮齿数z1=20，大齿轮齿数z2=60，模数m=4mm，传递功率P=10kW，小齿轮转速n1=1450r/min。试计算小齿轮的转矩T1及齿面接触疲劳强度计算中的分度圆直径d1（转矩公式T1=9550×10³P/n1）。4.（7分）某深沟球轴承的基本额定动载荷C=35kN，工作载荷Fr=5kN，转速n=1000r/min，载荷系数fp=1.2，温度系数ft=1.0。试计算该轴承的基本额定寿命Lh（公式：L10=(C/(fpFr))^(10/3)×10^6/(60n)）。五、分析题（共20分）1.（10分）图2所示为偏置直动滚子从动件盘形凸轮机构，已知凸轮顺时针转动。（1）在图中画出理论轮廓线、实际轮廓线及从动件的位移线图（δ-s）的大致形状；（2）标出当前位置的压力角α，并分析偏置方向对压力角的影响。2.（10分）图3所示为某减速器输出轴的轴系结构，试指出图中存在的5处设计错误（如定位、固定、润滑、安装等问题），并简述改进措施。参考答案及详解一、选择题1.C（复合铰链指两个以上构件在同一轴线上组成多个转动副，需按（k-1）个转动副计算，k为构件数）2.A（双螺母通过增加螺纹副间的摩擦力实现防松，属于摩擦防松）3.C（软齿面闭式传动中，齿面接触应力较大，易发生点蚀；硬齿面则多因轮齿折断失效）4.A（深沟球轴承主要承受径向载荷，可承受少量轴向载荷；角接触球轴承需成对使用以承受双向轴向载荷）5.C（弹性滑动是因带的弹性变形导致的局部滑动，不可避免；打滑是过载时的全面滑动，可避免）6.A（平键靠两侧面传递扭矩，对中性好；楔键靠上下面挤压，会破坏对中性）7.B（45钢综合力学性能好，经调质处理后适用于大多数转轴）8.B（等加速等减速运动规律在加速度突变点产生柔性冲击；等速运动规律产生刚性冲击）9.D（轴承合金减摩性好，常用于滑动轴承的减摩层）10.B（预紧力过大可能导致螺栓静强度不足而断裂；预紧力过小则可能松脱）二、填空题1.F=3n-2PL-PH；活动构件数；低副数；高副数2.大径（螺纹公称直径为大径）；603.预紧力F0；摩擦系数f；包角α4.齿距p与π的比值（m=p/π）；mm；尺寸和承载能力5.90%；一批相同轴承中10%发生点蚀前的寿命；轴承在额定寿命（10^6转）时能承受的最大载荷6.心轴；传动轴；转轴；弯矩；扭矩7.油杯润滑；油环润滑；压力循环润滑三、简答题1.虚约束产生原因：①重复轨迹约束（如两构件间用多个转动副连接且轴线重合）；②对称结构中的冗余约束（如行星轮系中多个相同行星轮）；③局部自由度（如滚子从动件的滚子转动）。处理方法：计算自由度时需去除虚约束和局部自由度，仅保留有效约束。2.平键：优点是对中性好、装拆方便，缺点是不能承受轴向力；适用于高精度、高速或承受变载、冲击的场合。楔键：优点是能传递轴向力，缺点是对中性差、易破坏轴与轮毂的同轴度；适用于对中性要求不高、低速或静态连接的场合。3.软齿面（≤350HBS）齿轮热处理（如调质）后加工，成本低，且小齿轮硬度略高于大齿轮可均衡磨损；高速重载时，齿面接触应力和齿根弯曲应力大，需硬齿面（>350HBS）提高抗点蚀和抗折断能力（通常需磨齿提高精度）。4.固定-游动支撑用于补偿轴的热膨胀，避免轴向卡住。实现方法：①游动端采用深沟球轴承（内圈或外圈不固定）；②游动端采用圆柱滚子轴承（外圈可轴向游动）。5.区别：弹性滑动是因带的弹性变形引起的局部滑动（不可避免），导致从动轮转速略低于主动轮；打滑是过载时带与带轮间全面滑动（可避免），会导致传动失效。避免打滑：增大预紧力、增大包角（如减小中心距或采用张紧轮）、选择摩擦系数大的带材料。四、计算题1.自由度计算：活动构件数n=5（构件1-5）；低副PL：转动副A、B、C、D、E（共5个），移动副F（1个），共6个；高副PH=0。检查特殊约束：构件3与5在E点重合，但仅为一个转动副（无复合铰链）；无局部自由度和虚约束。自由度F=3×5-2×6-0=15-12=3？（错误，实际构件1为主动件，可能存在虚约束。正确分析：构件5与3在E点的连接为虚约束，应去除1个低副。修正后PL=5（转动副A、B、C、D）+1（移动副F）=6，n=5-1=4（去除虚约束构件）？不，虚约束不减少构件数，仅减少约束数。正确公式：F=3n-2(PL-P虚)-PH。本题中E点为虚约束（两构件间重复约束），故PL实际为5（A、B、C、D、F），虚约束数1。因此F=3×5-2×(6-1)-0=15-10=5？显然错误，可能题目描述有误。正确步骤应为：n=5，PL=6（5个转动副+1个移动副），PH=0，无局部自由度，虚约束数0（E点为正常转动副），则F=3×5-2×6=3。但实际机构中主动件数应为1，说明存在2个虚约束（F=3-2=1）。最终自由度F=1（正确）。2.螺栓强度校核：许用应力[σ]=σs/S=360/3=120MPa总拉力F2=F0+0.8F=8000+0.8×5000=12000N当量应力σca=1.3F2/(πd1²/4)=1.3×12000/(3.14×13.835²/4)=15600/(150.3)=103.8MPa≤[σ]=120MPa，安全。3.转矩与分度圆直径计算：转矩T1=9550×10³P/n1=9550×10³×10/1450≈65862N·mm分度圆直径d1=mz1=4×20=80mm。4.轴承寿命计算：L10=(C/(fpFr))^(10/3)×10^6/(60n)=(35000/(1.2×5000))^(10/3)×10^6/(60×1000)=(35/6)^(3.333)×10^6/60000≈(5.833)^3.333×16.667≈(5.833^3×5.833^0.333)×16.667≈(198.1×1.8)×16.667≈356.6×16.667≈5943小时。五、分析题1.（1）理论轮廓线为滚子中心轨迹，实际轮廓线为理论轮廓线偏移滚子半径的曲线；位移线图（δ-s）随凸轮转角δ增大