2025年《机械设计》习题库及答案

2025年《机械设计》习题库及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.受横向载荷的普通螺栓连接中，螺栓杆承受的主要应力是（）。A.剪切应力B.拉伸应力C.扭转切应力D.弯曲应力答案：B2.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.分度圆直径D.齿宽答案：C3.滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承中（）的轴承能达到的寿命。A.90%B.95%C.99%D.100%答案：A4.设计键连接时，键的截面尺寸（宽度×高度）通常根据（）选取。A.轴的直径B.轮毂长度C.传递的扭矩D.键的材料答案：A5.带传动中，弹性滑动的根本原因是（）。A.带的预紧力不足B.带与带轮间的摩擦力不够C.带的材料不符合要求D.带的紧边与松边拉力差引起的弹性变形差异答案：D6.轴的结构设计中，轴肩的主要作用是（）。A.提高轴的强度B.便于轴上零件的定位和固定C.减少应力集中D.改善轴的加工工艺性答案：B7.圆柱螺旋压缩弹簧的弹簧丝直径d增大时，弹簧的刚度（）。A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小答案：A8.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.增大模数C.减小蜗杆分度圆直径D.降低滑动速度答案：A9.受变载荷的紧螺栓连接中，若保持剩余预紧力不变，将螺栓的刚度减小、被连接件的刚度增大，则螺栓的应力幅（）。A.增大B.减小C.不变D.先减小后增大答案：B10.滚动轴承中，角接触球轴承的公称接触角越大，其（）。A.轴向承载能力越强B.径向承载能力越强C.极限转速越高D.耐冲击性能越好答案：A二、填空题（每空1分，共15分）1.螺纹连接防松的实质是防止螺纹副的（）。答案：相对转动2.齿轮传动的主要失效形式有齿面磨损、齿面胶合、（）和（）。答案：齿面点蚀；轮齿折断3.轴按承载性质可分为（）、（）和（）。答案：心轴；转轴；传动轴4.带传动的主要失效形式是（）和（）。答案：打滑；带的疲劳破坏5.滚动轴承的基本额定动载荷C是指轴承在（）寿命为（）转时所能承受的最大载荷。答案：基本额定；10^66.设计滑动轴承时，为了避免轴瓦材料发生胶合，需限制（）值；为了避免轴承过度磨损，需限制（）值。答案：p·v；p三、简答题（每题6分，共30分）1.简述螺纹连接预紧的目的及预紧力的控制方法。答案：预紧目的：增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后连接件出现相对滑移或分离。控制方法：（1）测力矩扳手或定力矩扳手控制预紧力；（2）测量螺栓伸长量；（3）对于重要连接，采用液压拉伸器或加热螺栓的方法。2.齿轮传动中，为何闭式传动通常以接触疲劳强度设计为主，开式传动以弯曲疲劳强度设计为主？答案：闭式传动润滑良好，齿面磨损较慢，主要失效形式为齿面点蚀，故以接触疲劳强度设计为主；开式传动润滑条件差，齿面易磨损，可能在点蚀前因磨损导致齿厚减薄而折断，因此以弯曲疲劳强度设计为主，同时需适当增大模数考虑磨损影响。3.简述滚动轴承组合设计中“两端固定”和“一端固定、一端游动”两种支撑方式的适用场合。答案：两端固定：适用于工作温度变化不大、轴的伸缩量较小的短轴（如一般减速器中的轴），通过两个轴承各限制一个方向的轴向位移。一端固定、一端游动：适用于工作温度变化大、轴的伸缩量较大的长轴（如汽轮机主轴），固定端轴承限制双向轴向位移，游动端轴承允许轴自由伸缩，避免热膨胀引起的附加载荷。4.带传动中，为何小带轮的包角不能太小？如何增大包角？答案：包角越小，带与带轮的接触弧越短，接触面上的摩擦力总和越小，易发生打滑。一般要求小带轮包角α1≥120°。增大包角的方法：（1）增大中心距；（2）减小两带轮直径差；（3）采用张紧轮装置。5.轴的结构设计需要满足哪些基本要求？答案：（1）保证轴上零件的准确定位和可靠固定；（2）便于轴上零件的装拆和调整；（3）减小应力集中，提高轴的疲劳强度；（4）具有良好的加工工艺性（如倒角、退刀槽等）；（5）满足轴的强度、刚度和振动稳定性要求。四、计算题（共35分）1.（8分）某受轴向变载荷的紧螺栓连接，已知螺栓的预紧力F0=8000N，工作载荷F在0~4000N之间变化。螺栓的刚度Cb=2×10^6N/mm，被连接件的刚度Cm=6×10^6N/mm。试求：（1）螺栓所受的最大拉力F2；（2）螺栓的应力幅σa（螺栓小径d1=10mm，许用应力[σ]=120MPa）。解：（1）螺栓的剩余预紧力F1=F0(Cm/(Cb+Cm))Fmin=8000N（因Fmin=0时，F1=F0）。当工作载荷最大为F=4000N时，螺栓的总拉力F2=F0+(Cb/(Cb+Cm))F=8000+(2/(2+6))×4000=8000+1000=9000N。（2）螺栓的最小拉力F1'=F0(Cm/(Cb+Cm))Fmax=8000(6/8)×4000=8000-3000=5000N。应力幅σa=(F2F1')/(2×(πd1²/4))=(9000-5000)/(2×(π×10²/4))=4000/(2×78.54)=4000/157.08≈25.47MPa。2.（9分）设计一对闭式软齿面直齿圆柱齿轮传动，已知传递功率P=10kW，小齿轮转速n1=960r/min，齿数比u=3，载荷平稳，单向传动，寿命10年（每年工作300天，每天2班，每班8小时），小齿轮材料为40Cr（调质，硬度280HBS），大齿轮材料为45钢（调质，硬度240HBS）。试确定小齿轮齿数z1、模数m（取标准值）及齿宽b（b=φd×d1，φd=1.0）。（注：接触疲劳强度公式：σH=ZE√[(2KT1(u+1))/(φdz1²ub)]≤[σH]，ZE=189.8MPa^0.5，K=1.2，[σH1]=600MPa，[σH2]=550MPa，T1=9550×10³×P/n1）解：（1）计算转矩T1=9550×10³×10/960≈99479N·mm。（2）许用接触应力取较小值[σH]=550MPa（大齿轮硬度低）。（3）代入公式求z1²m³（因d1=mz1，b=φdd1=φdmz1）：σH²=ZE²×(2KT1(u+1))/(φdz1²ub)=ZE²×(2KT1(u+1))/(φd²z1³um³)整理得m³z1³≥(ZE²×2KT1(u+1))/(φd²u[σH]²)代入数据：m³z1³≥(189.8²×2×1.2×99479×4)/(1²×3×550²)≈(36024×2×1.2×99479×4)/(3×302500)≈(36024×955000)/(907500)≈38000取z1=24（软齿面通常z1=20~40），则m³≥38000/(24³)=38000/13824≈2.75，取m=2mm（标准模数）。（4）验证：d1=mz1=2×24=48mm，b=φdd1=48mm，圆整为b2=48mm，b1=53mm（小齿轮宽5~10mm）。3.（9分）某轴用一对7210C型角接触球轴承（α=15°，基本额定动载荷C=35.2kN，e=0.38，当Fa/Fr≤e时，X=1,Y=0；Fa/Fr>e时，X=0.41,Y=0.87），轴的转速n=1450r/min，轴承所受径向载荷Fr1=3000N，Fr2=2000N，轴向外载荷Fae=800N（方向向左）。试计算轴承的寿命Lh（载荷系数fp=1.0）。解：（1）计算内部轴向力Fs=0.68Fr（7210C型轴承，α=15°时Fs≈0.68Fr）。Fs1=0.68×3000=2040N（向右），Fs2=0.68×2000=1360N（向左）。（2）轴向载荷Fa1、Fa2：轴向外载荷Fae=800N向左，故轴承1的轴向力平衡：Fs1=Fa1+Fae→Fa1=Fs1Fae=2040-800=1240N（因Fs1>Fs2+Fae=1360+800=2160N？不，重新分析：正确平衡：轴承1的轴向合力应等于轴承2的内部轴向力加外载荷。假设轴向左移动，轴承1被压紧，轴承2被放松：Fa1=Fs2+Fae=1360+800=2160N，Fa2=Fs2=1360N（若Fa1>Fs1=2040N，则轴承1的实际轴向力为Fa1=2160N，超过Fs1，需由轴承1的约束提供额外力）。（3）计算当量动载荷P：对于轴承1：Fa1/Fr1=2160/3000=0.72>e=0.38，故X1=0.41，Y1=0.87，P1=fp(X1Fr1+Y1Fa1)=1×(0.41×3000+0.87×2160)=1230+1879.2=3109.2N。对于轴承2：Fa2/Fr2=1360/2000=0.68>e=0.38，X2=0.41，Y2=0.87，P2=1×(0.41×2000+0.87×1360)=820+1183.2=2003.2N。（4）寿命取较小值（P大的寿命短），L10h=(10^6/(60n))×(C/P1)^ε（球轴承ε=3）。L10h=(10^6/(60×1450))×(35200/3109.2)^3≈(10^6/87000)×(11.32)^3≈11.49×1452≈16690小时。4.（9分）某钢制实心轴传递扭矩T=2000N·m，轴的材料为45