(2025年)机械设计类试题及答案

(2025年)机械设计类试题及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.某机械传动系统中，轴的材料选用40Cr，经调质处理后硬度为240HBS，其主要目的是提高轴的（）。A.表面硬度B.整体综合力学性能C.耐磨性D.耐腐蚀性2.螺纹连接中，若被连接件之一厚度较大且需要经常拆卸，宜选用（）。A.螺栓连接B.双头螺柱连接C.螺钉连接D.紧定螺钉连接3.齿轮传动中，齿面接触疲劳强度主要与（）有关。A.模数B.齿数C.齿宽D.分度圆直径4.滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承中（）不发生点蚀破坏的寿命。A.90%B.95%C.99%D.100%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.带的弹性变形和拉力差D.带轮直径不一致6.轴的结构设计中，轴肩的主要作用是（）。A.提高轴的强度B.便于轴的加工C.实现零件的轴向定位D.减少应力集中7.圆柱螺旋压缩弹簧的有效圈数n主要影响弹簧的（）。A.刚度B.强度C.稳定性D.固有频率8.对于受轴向变载荷的紧螺栓连接，提高其疲劳强度的有效措施是（）。A.增大螺栓直径B.减小被连接件的刚度C.增大被连接件的刚度D.降低预紧力9.蜗杆传动中，为了提高传动效率，最有效的措施是（）。A.增大蜗杆头数B.减小蜗杆直径系数C.提高蜗杆转速D.增加蜗轮齿数10.设计闭式软齿面齿轮传动时，通常首先按（）设计，再校核（）。A.接触疲劳强度，弯曲疲劳强度B.弯曲疲劳强度，接触疲劳强度C.磨损，胶合D.胶合，磨损二、填空题（每空1分，共15分）1.机械零件的主要失效形式包括断裂、表面损伤、变形和（）。2.螺纹连接防松的本质是防止螺纹副的（）。3.齿轮传动中，齿根弯曲疲劳裂纹通常起始于（）。4.滚动轴承的基本额定动载荷C是指轴承在额定寿命L₁₀=（）转时所能承受的最大载荷。5.带传动的最大有效拉力Fₙ与初拉力F₀、摩擦系数f和包角α的关系式为（）。6.轴按受载性质可分为心轴、转轴和（）。7.滑动轴承的润滑方法中，适用于高速重载场合的是（）润滑。8.圆柱齿轮传动的重合度εα越大，说明同时参与啮合的齿数（）。9.螺栓连接的强度计算中，松螺栓连接的最大拉应力发生在（）截面。10.蜗杆传动的主要失效形式是胶合、磨损和（）。11.弹簧的旋绕比C=D/d（D为弹簧中径，d为簧丝直径），C过小时弹簧（）。12.平键连接的主要失效形式是（），设计时通常校核其（）强度。13.联轴器与离合器的主要区别是（）。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述齿轮传动中齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度的设计准则，并说明软齿面和硬齿面齿轮的设计侧重点为何不同。2.滚动轴承的寿命计算中，基本额定寿命L₁₀和额定动载荷C的关系是什么？当轴承实际承受的当量动载荷P不等于C时，如何计算其寿命？3.带传动中为何需要张紧装置？常见的张紧方法有哪些？4.轴的结构设计需要满足哪些基本要求？列举至少4项。5.与普通V带传动相比，同步带传动的主要特点是什么？适用于哪些场合？四、计算题（共35分）1.（10分）某受轴向静载荷的紧螺栓连接，螺栓材料为45钢（σs=360MPa），安全系数S=3，螺栓小径d₁=15.294mm。被连接件接合面间的摩擦系数f=0.15，防滑系数Kf=1.2，试计算该连接能传递的最大轴向载荷F。2.（12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，齿宽b=80mm，小齿轮转速n₁=1450r/min，传递功率P=15kW，齿轮材料均为40Cr（调质），小齿轮硬度260HBS，大齿轮硬度220HBS。试校核小齿轮的齿面接触疲劳强度（已知接触疲劳许用应力[σH1]=600MPa，弹性系数ZE=189.8MPa^0.5，节点区域系数ZH=2.5，接触疲劳强度公式：σH=ZEZH√(2KT₁(u+1)/(bd₁²u))，其中K=1.2，u=z₂/z₁，d₁=mz₁，T₁=9550×10³P/n₁）。3.（13分）某转轴的危险截面处，弯矩M=1200N·m，扭矩T=800N·m，轴的直径d=60mm，材料为40Cr（σb=750MPa，σ-1=350MPa，τ-1=200MPa），应力集中系数Kσ=1.5，Kτ=1.3，尺寸系数εσ=0.85，ετ=0.80，表面质量系数βσ=βτ=0.9，许用安全系数[S]=1.8。试按第三强度理论校核该截面的安全系数是否满足要求（注：第三强度理论当量应力σeq3=√(σ²+4τ²)，安全系数S=σ-1/(Kσσa/εσβσ+ψσσm)，扭转切应力安全系数Sτ=τ-1/(Kττa/ετβτ+ψττm)，对于碳钢，ψσ≈0.1~0.2，ψτ≈0.05~0.1，取ψσ=0.15，ψτ=0.08；假设为对称循环变应力，σm=τm=0）。五、综合分析题（共20分）设计一台带式输送机的传动系统，已知：输送带工作拉力F=5kN，输送带速度v=1.2m/s，滚筒直径D=400mm，工作环境为常温、有粉尘，载荷平稳，单向运转，要求使用寿命8年（每年工作300天，每天8小时）。试完成以下任务：（1）确定传动方案（需画出传动系统简图，标注主要部件）；（2）选择电动机的类型和额定功率（计算滚筒所需功率P滚筒=Fv/1000，传动系统总效率η=η1×η2×η3，其中η1为联轴器效率0.99，η2为齿轮减速器效率0.96，η3为滚筒轴承效率0.98，取η=0.99×0.96×0.98≈0.93）；（3）说明齿轮减速器中高速级和低速级齿轮的材料、热处理方式及硬度选择原则（软齿面或硬齿面）；（4）简述滚筒轴的结构设计要点（包括轴向定位、周向定位、加工工艺性等）。参考答案一、选择题1.B2.B3.D4.A5.C6.C7.A8.C9.A10.A二、填空题1.功能失效2.相对转动3.齿根受拉一侧4.10⁶5.Fₙ=2F₀(fα)/(e^(fα)-1)6.传动轴7.压力8.越多9.螺纹10.点蚀11.刚度大、易脆断12.工作面压溃，挤压13.联轴器需停机才能分离，离合器可在运转中分离三、简答题1.接触疲劳强度设计准则：σH≤[σH]，防止齿面出现点蚀；弯曲疲劳强度设计准则：σF≤[σF]，防止齿根断裂。软齿面（≤350HBS）齿轮的接触疲劳强度较低，通常先按接触强度设计模数，再校核弯曲强度；硬齿面（>350HBS）齿轮的弯曲强度较低，需先按弯曲强度设计模数，再校核接触强度。2.基本额定寿命L₁₀=(C/P)^ε×10⁶转（球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3）。当实际载荷P≠C时，寿命L=(C/P)^ε×10⁶转，即寿命与(C/P)^ε成正比。3.带传动工作一段时间后会因塑性变形松弛，导致摩擦力不足，需张紧装置保持初拉力。常见方法：调整中心距（定期张紧、自动张紧）、使用张紧轮（置于松边内侧靠近大带轮处）。4.基本要求：①零件轴向、周向定位可靠；②减少应力集中；③便于加工和装配；④轴上零件便于拆卸；⑤满足强度、刚度要求。5.同步带传动特点：无滑动、传动比准确；初拉力小、轴承受力小；可高速传动；耐油、耐高温。适用于要求传动比精确、高速、多粉尘的场合（如数控机床、纺织机械）。四、计算题1.螺栓许用拉应力[σ]=σs/S=360/3=120MPa。螺栓危险截面面积A=πd₁²/4=π×15.294²/4≈183.8mm²。螺栓预紧力F₀≥KfF/(f×z)（z=1），即F≤F₀f/Kf。螺栓拉应力σ=1.3F₀/A≤[σ]（1.3为考虑扭转切应力的系数），故F₀≤[σ]A/1.3=120×183.8/1.3≈16994N。最大轴向载荷F≤F₀f/Kf=16994×0.15/1.2≈2124N。2.小齿轮转矩T₁=9550×10³×15/1450≈98620N·mm。d₁=mz₁=4×20=80mm，u=z₂/z₁=3。接触应力σH=189.8×2.5×√(2×1.2×98620×(3+1)/(80×80²×3))≈189.8×2.5×√(946752/(80×6400×3))≈189.8×2.5×√(946752/1536000)≈189.8×2.5×0.78≈372MPa≤[σH1]=600MPa，安全。3.弯曲应力σ=32M/(πd³)=32×1200×10³/(π×60³)≈32×1200000/(π×216000)≈56.6MPa。扭转切应力τ=16T/(πd³)=16×800×10³/(π×60³)≈16×800000/(π×216000)≈18.9MPa。当量应力σeq3=√(56.6²+4×18.9²)=√(3204+1426)=√4630≈68.0MPa。对称循环下σa=σ=56.6MPa，τa=τ=18.9MPa。弯曲安全系数Sσ=σ-1/(Kσσa/(εσβσ))=350/(1.5×56.6/(0.85×0.9))=350/(1.5×56.6/0.765)=350/(110.9)≈3.16。扭转安全系数Sτ=τ-1/(Kττa/(ετβτ))=200/(1.3×18.9/(0.8×0.9))=200/(1.3×18.9/0.72)=200/(34.1)≈5.86。综合安全系数S=SσSτ/√(Sσ²+Sτ²)=3.16×5.86/√(9.99+34.3)=18.5/6.66≈2.78>[S]=1.8，安全。五、综合分析题（1）传动方案：电动机→弹性联轴器→齿轮减速器→刚性联轴器→滚筒。简图：电动机输出轴通过弹性联轴器连接减速器高速轴，减速器低速轴通过刚性联轴器连接滚筒轴。（2）滚筒转速n=60×1000v/(πD)=60×1000×1.2/(π×400)≈57.3r/min。滚筒功率P滚筒=Fv/1000=5×1.2=6kW。电动机功率P电=P滚筒/η=6/0.93≈6.45kW，选Y132S-4型电动机（额定功率5.5kW偏小，可选Y132M-4，7.5kW）