2025年机械设计考研试题及答案解析

2025年机械设计考研试题及答案解析一、单项选择题（每题3分，共30分）1.在机械设计中，通常以（）作为零件的设计准则。A.强度准则B.刚度准则C.寿命准则D.以上都是答案：D解析：在机械设计中，强度准则确保零件在载荷作用下不发生破坏；刚度准则保证零件在受力时的弹性变形在允许范围内；寿命准则使零件在规定时间内正常工作。这三个准则都是常见的设计准则，所以答案选D。2.带传动工作时，带中产生的应力不包括（）。A.拉应力B.弯曲应力C.离心应力D.扭转应力答案：D解析：带传动工作时，带在绕过带轮时会产生弯曲应力，带在紧边和松边存在拉应力，带做圆周运动时会产生离心应力。而扭转应力通常出现在受扭转作用的轴类零件中，带传动中不存在扭转应力，所以选D。3.一对标准直齿圆柱齿轮传动，已知$z_1=20$，$z_2=40$，则它们的齿形系数$Y_{Fa1}$和$Y_{Fa2}$的关系是（）。A.$Y_{Fa1}>Y_{Fa2}$B.$Y_{Fa1}<Y_{Fa2}$C.$Y_{Fa1}=Y_{Fa2}$D.无法确定答案：A解析：齿形系数$Y_{Fa}$只与齿数有关，齿数越少，齿形系数越大。因为$z_1=20<z_2=40$，所以$Y_{Fa1}>Y_{Fa2}$，答案选A。4.滚动轴承的基本额定寿命是指（）。A.一批同型号的轴承在相同条件下运转，其中90%的轴承发生疲劳点蚀前运转的总转数或小时数B.一个轴承在正常工作条件下所能达到的最大寿命C.一批同型号的轴承在相同条件下运转，平均每个轴承的寿命D.一个轴承在规定的可靠度下所能达到的寿命答案：A解析：滚动轴承的基本额定寿命的定义就是一批同型号的轴承在相同条件下运转，其中90%的轴承发生疲劳点蚀前运转的总转数或小时数，所以选A。5.联轴器和离合器的主要作用是（）。A.缓冲、减振B.传递运动和转矩C.防止机器发生过载D.补偿两轴的相对位移答案：B解析：联轴器和离合器都是用于连接两轴，使两轴一起转动并传递运动和转矩的部件。缓冲、减振一般是靠弹性联轴器等实现；防止机器过载是安全联轴器或离合器的功能；补偿两轴相对位移是一些特殊联轴器的作用。主要作用还是传递运动和转矩，所以选B。6.设计键连接时，键的截面尺寸$b×h$通常是根据（）来选择的。A.传递的转矩B.轴的直径C.轮毂的长度D.轴的转速答案：B解析：键的截面尺寸$b×h$是根据轴的直径来选择的，可通过机械设计手册查得相应轴径对应的键的截面尺寸。传递的转矩主要用于校核键连接的强度；轮毂长度影响键的长度；轴的转速对键的截面尺寸选择无直接关系。所以选B。7.对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，在平均应力不变的情况下，减小螺栓的刚度$C_b$和增大被连接件的刚度$C_m$，可以（）。A.提高螺栓的疲劳强度B.提高连接的紧密性C.降低螺栓的静强度D.降低连接的可靠性答案：A解析：在受轴向变载荷的紧螺栓连接中，减小螺栓的刚度$C_b$和增大被连接件的刚度$C_m$，可以减小螺栓的应力幅，从而提高螺栓的疲劳强度。对连接的紧密性、螺栓的静强度和连接的可靠性没有直接的降低作用，所以选A。8.下列螺纹中，自锁性能最好的是（）。A.三角形螺纹B.梯形螺纹C.矩形螺纹D.锯齿形螺纹答案：A解析：三角形螺纹的牙型角大，当量摩擦系数大，自锁性能最好。梯形螺纹、矩形螺纹和锯齿形螺纹的自锁性能相对较差，所以选A。9.齿轮传动中，齿面接触疲劳强度主要取决于（）。A.齿轮的材料B.齿轮的模数C.齿轮的齿宽D.齿轮的分度圆直径答案：D解析：齿面接触疲劳强度的计算公式中，主要与齿轮的分度圆直径有关。齿轮材料影响齿面的硬度等性能，但不是决定接触疲劳强度的主要因素；模数主要影响齿根弯曲强度；齿宽对接触强度有一定影响，但不是主要决定因素。所以选D。10.滑动轴承的润滑方式主要根据（）来选择。A.轴颈的圆周速度B.轴承的载荷C.轴承的工作温度D.润滑油的粘度答案：A解析：滑动轴承的润滑方式主要根据轴颈的圆周速度来选择。不同的轴颈圆周速度对应不同的润滑方式，如滴油润滑、油环润滑、压力润滑等。轴承的载荷、工作温度和润滑油的粘度会影响润滑油的选择等，但不是选择润滑方式的主要依据，所以选A。二、简答题（每题10分，共30分）1.简述机械零件的失效形式有哪些，并举例说明。答：机械零件的失效形式主要有以下几种：（1）断裂失效：零件在载荷作用下发生断裂，如轴在过大的扭矩或弯矩作用下发生的断裂，汽车发动机曲轴在长期交变载荷作用下可能发生疲劳断裂。（2）过量变形失效：零件在载荷作用下产生的弹性变形或塑性变形超过了允许的范围。例如，机床的主轴在切削力作用下发生过大的弯曲变形，会影响加工精度；桥梁的钢梁在重载下发生塑性变形，导致结构破坏。（3）表面损伤失效：包括磨损、腐蚀、接触疲劳等。磨损是由于两零件表面相对运动产生的，如齿轮传动中，齿面的磨损会使齿轮的传动精度下降；腐蚀是零件与周围介质发生化学反应而损坏，如钢铁零件在潮湿环境中生锈；接触疲劳是在交变接触应力作用下，零件表面产生疲劳裂纹并扩展，最终导致表面剥落，如滚动轴承的滚道和滚动体表面可能出现接触疲劳点蚀。（4）功能失效：零件由于某些原因不能实现其预定的功能。例如，离合器不能正常离合，导致动力传递中断；安全阀不能在规定压力下开启，失去安全保护作用。2.简述带传动的优缺点。答：带传动的优点：（1）适用于中心距较大的传动，两轴中心距可以根据需要进行调整，安装方便。（2）带具有弹性，能缓冲、减振，传动平稳，噪声小，可减少对机器的振动和冲击，延长机器的使用寿命。（3）过载时带会在带轮上打滑，能防止其他零件损坏，起到安全保护作用。（4）结构简单，制造、安装和维护方便，成本较低。带传动的缺点：（1）存在弹性滑动，不能保证准确的传动比，传动效率相对较低，一般在0.90.98之间。（2）带的寿命较短，需要定期更换，增加了使用成本和维护工作量。（3）带传动的外廓尺寸较大，占用空间较多。（4）由于带需要张紧，作用在轴上的压轴力较大，会增加轴和轴承的负荷。3.简述轴的结构设计应满足的基本要求。答：轴的结构设计应满足以下基本要求：（1）保证轴上零件有准确的定位和可靠的固定：轴上的零件如齿轮、带轮、轴承等需要有准确的轴向和周向定位，以保证其正常工作。轴向定位可通过轴肩、轴环、套筒等实现；周向定位可通过键、花键、过盈配合等方式实现。（2）便于轴上零件的装拆和调整：轴的结构应设计得便于零件的安装和拆卸，例如采用阶梯轴，轴的直径从一端向另一端逐渐增大或减小，方便零件从轴的一端套入或取出。同时，对于需要调整的零件，应预留调整的空间和结构。（3）具有良好的制造工艺性：轴的结构应便于加工制造，尽量减少加工面的数量和加工难度。例如，轴上的键槽应尽量布置在同一母线上，减少刀具的调整次数；轴的各段直径应符合标准尺寸系列，便于选用标准刀具和量具。（4）减小应力集中：轴在截面尺寸变化处会产生应力集中，降低轴的疲劳强度。因此，在轴的结构设计中，应尽量避免截面尺寸的突然变化，采用圆角过渡、卸载槽等措施减小应力集中。（5）保证轴的强度和刚度：轴的结构设计应使轴具有足够的强度和刚度，以保证轴在工作时不发生过大的变形和破坏。在设计时，应根据轴的受力情况合理确定轴的直径和长度，选择合适的材料。三、计算题（每题20分，共40分）1.有一普通V带传动，已知主动轮基准直径$d_1=100mm$，从动轮基准直径$d_2=400mm$，主动轮转速$n_1=1460r/min$，单根V带的基本额定功率$P_0=1.32kW$，单根V带额定功率的增量$\DeltaP_0=0.17kW$，带轮包角系数$K_α=0.96$，带长系数$K_L=0.99$，试求：（1）带传动的传动比$i$；（2）从动轮转速$n_2$；（3）该V带传动所需的V带根数$z$（取传递功率$P=5kW$）。解：（1）带传动的传动比$i$：传动比的计算公式为$i=\frac{d_2}{d_1}$，将$d_1=100mm$，$d_2=400mm$代入可得：$i=\frac{400}{100}=4$（2）从动轮转速$n_2$：根据传动比与转速的关系$i=\frac{n_1}{n_2}$，可得$n_2=\frac{n_1}{i}$，将$n_1=1460r/min$，$i=4$代入可得：$n_2=\frac{1460}{4}=365r/min$（3）该V带传动所需的V带根数$z$：单根V带的许用功率$[P_0]=(P_0+\DeltaP_0)K_αK_L$，将$P_0=1.32kW$，$\DeltaP_0=0.17kW$，$K_α=0.96$，$K_L=0.99$代入可得：$[P_0]=(1.32+0.17)\times0.96\times0.99=1.49\times0.96\times0.99\approx1.41kW$所需V带根数$z=\frac{P}{[P_0]}$，将$P=5kW$，$[P_0]\approx1.41kW$代入可得：$z=\frac{5}{1.41}\approx3.55$由于V带根数必须为整数，且应圆整为较大的整数，所以$z=4$根。2.如图所示的螺栓组连接，已知横向载荷$F_R=10000N$，接合面间的摩擦系数$f=0.15$，可靠性系数$K_f=1.2$，螺栓材料的许用拉应力$[\sigma]=120MPa$，试设计该螺栓组连接的螺栓直径$d$。解：（1）计算单个螺栓所需的预紧力$F_0$：该螺栓组承受横向载荷，靠接合面间的摩擦力来传递载荷。设螺栓个数为$z$，这里假设为4个（一般常见的螺栓组布置）。根据横向载荷与预紧力的关系$K_fF_R\leqzfF_0$，可得$F_0\geq\frac{K_fF_R}{zf}$，将$F_R=10000N$，$f=0.15$，$K_f=1.2$，$z=4$代入可得：$F_0\geq\frac{1.2\times10000}{4\times0.15}=\frac{12000}{0.6}=20000N$（2）计算螺栓的小径$d_1$：对于紧螺栓连接，受预紧力作用时，螺栓的强度条件为$\sigma=\frac{1.3F_0}{\frac{\pi}{4}d_1^2}\leq[\sigma]$，变形可得$d_1\geq\sqrt{\frac{1.3\times4F_0}{\pi[\sigma]}}$，将$F_0=