2025年机设结构设计题库及答案

2025年机设结构设计题库及答案一、选择题（每题3分，共30分）1.某受轴向变载荷的紧螺栓连接中，已知螺栓所受最大工作载荷为F，残余预紧力为F'，则螺栓总拉力F₀的表达式应为（）。A.F₀=F+F'B.F₀=F'F（当F<F'时）C.F₀=F+(F'F)（当F>F'时）D.F₀=F'+(FF₀)（考虑螺栓与被连接件刚度比）答案：A2.平键连接中，键的截面尺寸（b×h）通常根据（）选取。A.传递的转矩大小B.轴的直径C.轮毂的长度D.轴的材料强度答案：B3.圆柱齿轮传动中，当齿轮直径不变而减小模数、增加齿数时，其主要优点是（）。A.提高齿根弯曲强度B.降低齿面接触应力C.改善传动平稳性D.减少加工成本答案：C4.滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承中（）轴承发生点蚀破坏前的转数或工作小时数。A.1%B.10%C.50%D.90%答案：D5.轴的结构设计中，轴肩的主要作用是（）。A.提高轴的强度B.方便加工C.固定轴上零件的轴向位置D.减小应力集中答案：C6.V带传动中，带的楔角为40°，而带轮的轮槽角通常（）40°。A.大于B.等于C.小于D.无关答案：C7.对于受横向载荷的普通螺栓连接，其螺栓杆主要承受（）。A.剪切与挤压应力B.拉伸应力C.扭转切应力D.弯曲应力答案：B8.圆锥滚子轴承的内圈轴向移动可调整（）。A.径向游隙B.轴向游隙C.接触角D.预紧力答案：B9.设计减速器中的低速轴时，轴的材料选择通常优先考虑（）。A.高强度合金钢B.普通碳素钢（如Q235）C.中碳钢（如45钢）D.铝合金答案：C10.滑动轴承的宽径比（B/d）过大时，可能导致（）。A.轴承温升过高B.油膜承载能力下降C.加工难度降低D.抗偏载能力增强答案：A二、简答题（每题8分，共40分）1.简述平键连接的主要失效形式及设计准则。答：平键连接的主要失效形式包括：（1）较弱零件（通常为轮毂）的工作面被压溃（静连接）；（2）键或轮毂工作面的磨损（动连接）；（3）键的剪断（仅当键的强度不足时发生）。设计准则为：静连接时校核挤压强度，动连接时校核耐磨性（通过限制压强），通常不进行剪切强度校核（因键的剪切面尺寸由标准规定，且挤压失效更易发生）。2.滚动轴承寿命计算中，基本额定动载荷C的物理意义是什么？当轴承实际工作载荷P、转速n与额定条件不同时，如何修正寿命计算？答：基本额定动载荷C是指一批相同轴承在额定条件（转速n=10r/min，可靠度90%）下，能承受的最大载荷，此时90%的轴承寿命不低于10⁶转。当实际载荷P≠C、转速n≠10r/min时，寿命计算公式为L₁₀h=(10⁶/(60n))×(C/P)^ε，其中ε为寿命指数（球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3）。3.轴的结构设计中，为什么要设置轴环或轴肩？设计时需注意哪些问题？答：轴环或轴肩的主要作用是实现轴上零件的轴向定位与固定（如齿轮、轴承等）。设计时需注意：（1）轴肩高度h应大于被固定零件的内孔倒角或圆角半径r，通常h=(0.07d+3)mm（d为轴径）；（2）轴环宽度b≈1.4h，以保证足够的支撑面积；（3）为减小应力集中，轴肩处应设置过渡圆角，圆角半径r应小于零件孔端的倒角或圆角半径，避免零件无法靠紧。4.螺栓连接中，预紧的目的是什么？常用的防松方法有哪些？答：预紧的目的是：（1）增强连接的可靠性和紧密性（如密封连接）；（2）提高螺栓连接的疲劳强度（通过增大残余预紧力，减小工作载荷变化幅度）；（3）防止受横向载荷时被连接件间发生相对滑移（仅普通螺栓连接时）。常用防松方法包括：（1）摩擦防松（如弹簧垫圈、双螺母）；（2）机械防松（如开口销与槽形螺母、止动垫圈）；（3）永久防松（如焊接、胶接）。5.齿轮传动中，齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度的设计公式分别基于什么失效形式？提高两者强度的主要措施有哪些？答：接触疲劳强度公式基于齿面疲劳点蚀失效，弯曲疲劳强度公式基于齿根疲劳折断失效。提高接触强度的措施：增大齿轮分度圆直径（或中心距）、提高齿面硬度、采用正变位齿轮、增大齿宽；提高弯曲强度的措施：增大模数、提高齿根表面质量（如喷丸处理）、采用高强度材料、增大齿根圆角半径（减小应力集中）。三、分析题（每题15分，共30分）1.图1所示为某齿轮轴的结构设计图（示意图），试指出其中存在的结构不合理之处，并提出改进建议。（注：齿轮通过平键与轴连接，右端安装深沟球轴承，左端安装角接触球轴承，齿轮需轴向固定）（示意图关键点：①轴肩高度小于轴承内圈倒角；②齿轮左侧无轴向定位（仅靠键连接）；③键槽未贯通轮毂全长；④轴承安装处轴径未设引导倒角；⑤轴上有两个键槽不在同一母线上）答：不合理之处及改进建议：（1）左端角接触球轴承安装处的轴肩高度h过小（小于轴承内圈倒角），无法实现轴承的轴向定位，应增大h（h>轴承内圈倒角r）；（2）齿轮左侧未设置轴向定位结构（如轴环或套筒），仅靠平键无法承受轴向力，应在齿轮左侧增加轴环或套筒；（3）平键键槽长度未贯通轮毂全长，导致键与轮毂接触面积不足，易发生压溃失效，应将键槽长度设计为略短于轮毂长度（通常取轮毂长度L=1.5d，键长l=L-5~10mm）；（4）轴承安装处轴端未设置引导倒角（或倒角过小），导致轴承装配困难，应在轴端加工15°~30°的引导倒角；（5）轴上两个键槽（齿轮键槽与轴承端盖键槽）未布置在同一母线上，增加了轴的应力集中，应将键槽设计在同一轴向平面内。2.某液压油缸缸盖采用6个M16（d₁=13.835mm）的普通螺栓连接，已知油缸内径D=200mm，油压p=5MPa，螺栓材料为45钢（σ_s=355MPa），安全系数S=3，试校核螺栓的强度（取残余预紧力F'=1.5F，F为单个螺栓工作载荷）。解：（1）计算单个螺栓工作载荷F：油缸总推力F_Σ=πD²p/4=π×200²×5×10⁻³/4≈157080N（注意单位转换：p=5MPa=5N/mm²）单个螺栓工作载荷F=F_Σ/6≈157080/6≈26180N（2）计算螺栓总拉力F₀=F+F'=F+1.5F=2.5F=2.5×26180≈65450N（3）计算螺栓应力σ=4F₀/(πd₁²)=4×65450/(π×13.835²)≈4×65450/(600.5)≈436MPa（4）许用应力[σ]=σ_s/S=355/3≈118.3MPa（5）校核：σ=436MPa>[σ]=118.3MPa，强度不足。需增大螺栓数量或改用高强度螺栓（如8.8级，σ_s=640MPa，则[σ]=640/3≈213MPa，仍不足；需重新计算或调整预紧力）。四、综合设计题（20分）设计一台带式输送机的单级圆柱齿轮减速器输出轴（已知：传递功率P=10kW，转速n=80r/min，齿轮分度圆直径d=240mm，宽度b=80mm，齿轮材料为40Cr（调质），轴材料为45钢（正火），轴承采用深沟球轴承，齿轮受径向力F_r=3000N，轴向力F_a=500N，齿轮轮毂长度L=90mm，试完成以下设计：（1）确定轴的材料及热处理方式；（2）绘制轴的结构草图（标注主要尺寸）；（3）说明轴上关键结构的设计依据）答：（1）轴的材料选择45钢（正火），热处理方式为正火（改善切削性能，提高综合力学性能，σ_b=600MPa，σ_s=355MPa）。（2）结构草图要点（从左到右）：①左端轴承安装段：直径d₁=50mm（根据轴承型号初选，如6210，内径50mm），长度l₁=轴承宽度（6210宽度20mm）+轴肩倒角（2mm）≈22mm；②轴肩1：高度h₁=3mm（大于轴承内圈倒角r=1.5mm），宽度b₁=5mm；③齿轮安装段：直径d₂=60mm（由轮毂孔直径确定，d₂=轮毂孔d=60mm），长度l₂=轮毂长度L=90mm（键槽长度l=80mm，略短于轮毂）；④轴肩2：高度h₂=4mm（齿轮需轴向固定，h₂>齿轮孔倒角r=2mm），宽度b₂=8mm；⑤右端轴承安装段：直径d₃=50mm（与左端轴承对称），长度l₃=22mm；⑥轴端：设置倒角1×45°，便于装配；键槽：采用A型平键（b×h=18×11mm，长度80mm），与轮毂键槽配合。（3）关键结构设计依据：①直径确定：轴承段d₁=50mm（选6210轴承，基本额定动载荷C=35.0kN，寿命校核：L₁₀h=(10⁶/(60×80))×(35000/P)^3，P≈√(F_r²+F_a²)=√(3000²+500²)=3041N，L₁₀h≈(10⁶/4800)×(35000/3041)^3≈208.3×(11.5)^3≈208.3×1520≈316,616h>10⁴h，满足要求）；齿轮段d₂=60mm（由扭转强度初算：d≥√[9.5