机械设计习题库(含参考答案)

机械设计习题库(含参考答案)一、选择题1.带传动中，若小带轮为主动轮，则带的最大应力发生在带（）处。A.进入大带轮B.离开大带轮C.进入小带轮D.离开小带轮答案：C解析：带传动中，带的应力由紧边拉应力、松边拉应力、离心拉应力和弯曲应力组成。小带轮处带的弯曲应力较大，且紧边拉力大于松边拉力，所以带进入小带轮处的应力最大。2.在链传动中，链节数最好取（）。A.奇数B.偶数C.质数D.任意数答案：B解析：链节数取偶数时，可避免采用过渡链节。过渡链节的链板在工作时会受到附加的弯曲应力，降低链的强度和使用寿命。3.一对标准渐开线圆柱齿轮传动，若安装中心距大于标准中心距，则（）。A.传动比变大B.传动比变小C.传动比不变D.无法确定答案：C解析：渐开线齿轮传动的传动比只与两齿轮的齿数有关，与中心距无关。只要两齿轮的齿数不变，传动比就不变。4.滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承中（）的轴承所能达到的寿命。A.99%B.95%C.90%D.50%答案：C解析：滚动轴承的基本额定寿命是指一批相同的轴承，在相同条件下运转，其中90%的轴承在发生疲劳点蚀前所能达到的总转数或工作小时数。5.普通平键连接的主要失效形式是（）。A.工作面的压溃和磨损B.键的剪切C.键的弯曲D.键的扭转答案：A解析：普通平键连接靠键与轴槽、轮毂槽的侧面接触传递转矩，主要失效形式是工作面的压溃和磨损。6.在下列四种类型的联轴器中，能补偿两轴的相对位移以及可缓和冲击、吸收振动的是（）。A.凸缘联轴器B.齿式联轴器C.万向联轴器D.弹性套柱销联轴器答案：D解析：弹性套柱销联轴器中，弹性套具有弹性，能补偿两轴的相对位移，同时可缓和冲击、吸收振动。凸缘联轴器无补偿能力；齿式联轴器能补偿较大的综合位移，但不能缓和冲击；万向联轴器主要用于两轴有较大夹角的场合。7.下列螺纹连接中，用于被连接件之一较厚，且不经常拆卸的场合的是（）。A.螺栓连接B.双头螺柱连接C.螺钉连接D.紧定螺钉连接答案：C解析：螺钉连接用于被连接件之一较厚，且不经常拆卸的场合，它直接将螺钉拧入被连接件的螺纹孔中。螺栓连接用于被连接件都不太厚，且能钻成通孔的场合；双头螺柱连接用于被连接件之一较厚，需要经常拆卸的场合；紧定螺钉主要用于固定两零件的相对位置。8.对于闭式软齿面齿轮传动，主要失效形式是（）。A.齿面胶合B.齿面磨损C.齿面疲劳点蚀D.轮齿折断答案：C解析：闭式软齿面齿轮传动，在润滑良好的情况下，主要失效形式是齿面疲劳点蚀。齿面胶合一般发生在高速重载的闭式齿轮传动中；齿面磨损主要发生在开式齿轮传动中；轮齿折断一般是由于过载、冲击等原因引起的。9.滑动轴承的主要失效形式是（）。A.磨损和胶合B.疲劳点蚀C.塑性变形D.断裂答案：A解析：滑动轴承工作时，轴颈与轴承衬表面直接接触并产生相对滑动，主要失效形式是磨损和胶合。疲劳点蚀一般是滚动轴承的失效形式；塑性变形和断裂在滑动轴承中较少发生。10.设计V带传动时，选取小带轮基准直径$d_1$应（）。A.小于等于最小基准直径$d_{1min}$B.大于等于最小基准直径$d_{1min}$C.等于最小基准直径$d_{1min}$D.随意选取答案：B解析：选取小带轮基准直径$d_1$应大于等于最小基准直径$d_{1min}$，若$d_1$过小，带的弯曲应力增大，会降低带的使用寿命。二、填空题1.机械零件的主要失效形式有______、______、______、______等。答案：断裂、磨损、变形、腐蚀解析：机械零件在工作过程中，由于受到载荷、环境等因素的影响，会出现各种失效形式。断裂是零件在载荷作用下发生破裂；磨损是零件表面材料的逐渐损失；变形是零件在载荷作用下发生形状和尺寸的改变；腐蚀是零件在化学或电化学作用下表面被破坏。2.带传动的打滑是指______，打滑一般发生在______轮上。答案：带与带轮之间发生显著的相对滑动；小带解析：当带传动的载荷超过一定限度时，带与带轮之间的摩擦力不足以传递全部转矩，带与带轮之间会发生显著的相对滑动，这种现象称为打滑。由于小带轮的包角一般较小，摩擦力相对较小，所以打滑一般发生在小带轮上。3.渐开线标准直齿圆柱齿轮的正确啮合条件是______和______分别相等。答案：模数；压力角解析：只有两齿轮的模数和压力角分别相等时，才能保证两轮的齿形相同，从而实现正确啮合。4.滚动轴承的基本代号由______、______和______组成。答案：内径代号、尺寸系列代号、类型代号解析：内径代号表示轴承的内径尺寸；尺寸系列代号表示轴承的外径、宽度等尺寸系列；类型代号表示轴承的类型。5.螺纹连接的防松方法按工作原理可分为______、______和______。答案：摩擦防松、机械防松、永久防松解析：摩擦防松是通过增加螺纹副之间的摩擦力来防止松动，如弹簧垫圈、双螺母等；机械防松是通过机械装置将螺纹副锁住，如开口销与六角开槽螺母、止动垫圈等；永久防松是通过焊接、冲点等方法使螺纹副不可拆卸，如点焊、铆接等。6.联轴器和离合器的主要作用是______，两者的区别在于______。答案：连接两轴，使它们一起回转并传递转矩；联轴器在机器运转过程中一般不能分离两轴，而离合器在机器运转过程中可随时分离或接合两轴解析：联轴器和离合器都是用于连接两轴，实现转矩传递的部件。但联轴器在安装后，一般在机器运转过程中不能将两轴分离；而离合器则可以根据工作需要，在机器运转过程中随时分离或接合两轴。7.齿轮传动的精度要求主要包括______、______、______和______四个方面。答案：运动精度、工作平稳性精度、接触精度、齿侧间隙解析：运动精度要求齿轮传动准确地传递运动，传动比恒定；工作平稳性精度要求齿轮在传动过程中振动和噪声小；接触精度要求齿面接触良好，以保证齿轮的承载能力；齿侧间隙是为了保证齿轮传动的灵活性和润滑，以及补偿热变形等。8.滑动轴承按润滑状态可分为______和______。答案：液体润滑轴承、非液体润滑轴承解析：液体润滑轴承工作时，轴颈与轴承衬表面被一层连续的润滑油膜隔开，处于液体摩擦状态；非液体润滑轴承工作时，轴颈与轴承衬表面存在部分直接接触，处于边界摩擦或混合摩擦状态。9.链传动的主要失效形式有______、______、______和______等。答案：链板疲劳破坏、滚子和套筒的冲击疲劳破坏、链条铰链的磨损、链条的胶合解析：链传动工作时，链板在交变应力作用下会发生疲劳破坏；滚子和套筒在与链轮啮合时会受到冲击，发生冲击疲劳破坏；链条铰链处的相对运动和磨损会导致链节伸长；在高速重载的情况下，链条铰链处可能会发生胶合。10.设计轴时，通常先按______初步估算轴的直径，然后再进行______和______。答案：扭转强度；结构设计；强度校核解析：按扭转强度初步估算轴的直径是一种简便的方法，可确定轴的大致尺寸。然后进行结构设计，确定轴的各部分形状、尺寸和位置等。最后进行强度校核，以确保轴在工作过程中满足强度要求。三、简答题1.简述带传动的优缺点。答案：优点：（1）适用于两轴中心距较大的传动。可以在较大的距离上传动动力，安装和布置较为灵活。（2）带具有弹性，可缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。能减少传动过程中的冲击和振动，提高工作的平稳性和舒适性。（3）过载时带会在带轮上打滑，可防止其他零件损坏，起安全保护作用。当载荷超过一定限度时，带与带轮之间的打滑可以避免其他部件因过载而损坏。（4）结构简单，制造、安装和维护方便，成本低。不需要复杂的加工和装配工艺，降低了生产成本。缺点：（1）传动效率较低，约为0.92-0.96。在传动过程中，带与带轮之间的摩擦会产生能量损失，导致传动效率不高。（2）外廓尺寸较大，紧凑性差。由于带传动需要一定的包角和中心距，所以整体结构的外廓尺寸较大。（3）带的寿命较短，需要定期更换。带在使用过程中会受到磨损、疲劳等因素的影响，寿命相对较短。（4）传动比不准确。带在工作过程中会发生弹性滑动，导致传动比不能严格保持恒定。2.简述齿轮传动的设计准则。答案：（1）闭式软齿面齿轮传动：通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，确定齿轮的主要参数和尺寸，然后再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。因为闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式是齿面疲劳点蚀，所以先满足齿面接触强度要求，同时也要保证齿根有足够的强度，防止轮齿折断。（2）闭式硬齿面齿轮传动：一般先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，确定齿轮的模数等参数，然后再按齿面接触疲劳强度进行校核。这是因为闭式硬齿面齿轮传动中，轮齿的弯曲强度相对较低，容易发生轮齿折断，所以先保证齿根强度，再校核齿面接触强度。（3）开式齿轮传动：主要失效形式是齿面磨损和轮齿折断，通常按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并适当增大模数以考虑磨损的影响，一般不进行齿面接触强度的校核。由于开式齿轮传动的润滑条件较差，齿面磨损较为严重，所以重点考虑齿根强度和磨损问题。3.简述滚动轴承的选用原则。答案：（1）载荷性质和大小：-当载荷较大时，应选用滚子轴承。滚子轴承的承载能力比球轴承大，能承受较大的径向载荷和轴向载荷。-当载荷较小时，可选用球轴承。球轴承的摩擦系数小，运转精度高，适用于轻载和高速的场合。-当承受纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承等。这些轴承主要承受径向力。-当承受纯轴向载荷时，可选用推力球轴承、推力滚子轴承等。它们专门用于承受轴向力。-当同时承受径向和轴向联合载荷时，可选用角接触球轴承、圆锥滚子轴承等。这些轴承既能承受径向载荷，又能承受一定的轴向载荷。（2）转速：-对于高速运转的场合，应选用球轴承。球轴承的滚动体与滚道之间的摩擦较小，发热少，适用于高速旋转。-滚子轴承的极限转速相对较低，一般用于中低速场合。（3）调心性能：-当两轴存在较大的相对倾斜或轴的弯曲变形较大时，应选用调心球轴承或调心滚子轴承。这些轴承具有一定的调心能力，能适应轴的倾斜和变形。（4）安装和拆卸要求：-对于需要经常安装和拆卸的场合，可选用分离型轴承，如圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承等，便于安装和拆卸。（5）经济性：-在满足使用要求的前提下，应优先选用价格较低的轴承，以降低成本。4.简述螺纹连接的预紧目的和预紧力的控制方法。答案：预紧目的：（1）增强连接的可靠性和紧密性。预紧可以使螺纹连接件在工作时保持紧密接触，防止连接件松动和分离，提高连接的可靠性。（2）提高连接的疲劳强度。预紧力可以使螺纹牙间的摩擦力增大，减少螺纹牙间的相对滑动和磨损，从而提高连接的疲劳强度。（3）保证密封性能。对于有密封要求的连接，预紧力可以使密封件产生足够的变形，达到密封的目的。预紧力的控制方法：（1）拧紧力矩法：根据预紧力与拧紧力矩之间的关系，通过控制拧紧力矩来控制预紧力。拧紧力矩可以通过力矩扳手等工具来测量和控制。其计算公式为$T=KF_0d$，其中$T$为拧紧力矩，$K$为拧紧力矩系数，$F_0$为预紧力，$d$为螺纹公称直径。（2）测量伸长法：在拧紧螺栓时，测量螺栓的伸长量，根据螺栓的伸长量与预紧力之间的关系来控制预紧力。螺栓的伸长量可以通过百分表等工具测量。（3）控制螺母转角法：根据螺母的转角与预紧力之间的关系，通过控制螺母的转角来控制预紧力。这种方法适用于塑性区拧紧的情况。5.简述轴的结构设计应满足的基本要求。答案：（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，以保证它们在工作过程中不会发生位移。轴向定位通常采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母等结构；周向定位一般采用键、花键、过盈配合等方式。（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，同时要考虑到零件的调整和维修。例如，在设计轴时，应留出足够的空间，以便使用工具进行装拆操作；采用可拆式的结构，如用套筒、螺母等固定零件，便于拆卸和更换。（3）具有良好的制造工艺性。轴的结构应便于加工和制造，减少加工难度和成本。例如，轴的各段直径应尽量采用标准尺寸，轴上的圆角、倒角等应符合加工工艺要求；避免轴上出现不必要的台阶和凹槽，以减少加工工序。（4）减小应力集中。轴在工作过程中会受到各种载荷的作用，应力集中会降低轴的疲劳强度。因此，在轴的结构设计中，应尽量避免出现尖锐的棱角、突然的直径变化等情况，采用适当的圆角、过渡圆弧等结构来减小应力集中。四、计算题1.有一单级圆柱齿轮减速器，已知输入功率$P_1=7.5kW$，小齿轮转速$n_1=960r/min$，传动比$i=4$，设齿轮传动效率$\eta=0.97$。试求输出轴的功率$P_2$、转速$n_2$和转矩$T_2$。答案：（1）求输出轴的功率$P_2$：根据功率传递关系，$P_2=\etaP_1$，已知$P_1=7.5kW$，$\eta=0.97$，则$P_2=0.97\times7.5=7.275kW$。（2）求输出轴的转速$n_2$：由传动比公式$i=\frac{n_1}{n_2}$，可得$n_2=\frac{n_1}{i}$，已知$n_1=960r/min$，$i=4$，则$n_2=\frac{960}{4}=240r/min$。（3）求输出轴的转矩$T_2$：根据功率、转速和转矩的关系$P=\frac{Tn}{9550}$（$P$的单位为$kW$，$T$的单位为$N\cdotm$，$n$的单位为$r/min$），可得$T_2=9550\frac{P_2}{n_2}$。将$P_2=7.275kW$，$n_2=240r/min$代入上式，$T_2=9550\times\frac{7.275}{240}\approx289.3N\cdotm$。2.一V带传动，已知小带轮基准直径$d_1=100mm$，大带轮基准直径$d_2=400mm$，中心距$a=500mm$，小带轮转速$n_1=1460r/min$，带与带轮间的当量摩擦系数$f_v=0.5$，带的紧边拉力$F_1=1000N$。试求：（1）带的基准长度$L_d$；（2）小带轮包角$\alpha_1$；（3）单根V带的基本额定功率$P_0$；（4）单根V带的最大有效拉力$F_{ec}$。答案：（1）求带的基准长度$L_d$：根据近似公式$L_d\approx2a+\frac{\pi}{2}(d_1+d_2)+\frac{(d_2-d_1)^2}{4a}$，将$a=500mm$，$d_1=100mm$，$d_2=400mm$代入上式，$L_d\approx2\times500+\frac{\pi}{2}(100+400)+\frac{(400-100)^2}{4\times500}$$=1000+\frac{\pi}{2}\times500+\frac{90000}{2000}$$=1000+785.4+45$$=1830.4mm$，根据标准选取$L_d=1800mm$。（2）求小带轮包角$\alpha_1$：$\alpha_1=180^{\circ}-\frac{d_2-d_1}{a}\times60^{\circ}$，将$a=500mm$，$d_1=100mm$，$d_2=400mm$代入上式，$\alpha_1=180^{\circ}-\frac{400-100}{500}\times60^{\circ}=180^{\circ}-36^{\circ}=144^{\circ}$。（3）求单根V带的基本额定功率$P_0$：根据小带轮基准直径$d_1=100mm$和小带轮转速$n_1=1460r/min$，查V带单根基本额定功率表（假设为A型V带），可得$P_0=1.32kW$。（4）求单根V带的最大有效拉力$F_{ec}$：由公式$F_{ec}=2F_1\frac{1}{1+e^{f_v\alpha_1}}$，其中$\alpha_1=144^{\circ}=\frac{144\pi}{180}rad$，$f_v=0.5$，$F_1=1000N$。$e^{f_v\alpha_1}=e^{0.5\times\frac{144\pi}{180}}\approxe^{1.2566}\approx3.51$，$F_{ec}=2\times1000\times\frac{1}{1+3.51}\approx443.5N$。3.已知一轴用一对7208AC轴承支承，轴的转速$n=1000r/min$，轴承所受的径向载荷$F_{r1}=1200N$，$F_{r2}=2000N$，轴向载荷$F_a=800N$，载荷系数$f_p=1.2$，试计算这对轴承的基本额定寿命$L_{h1}$和$L_{h2}$。答案：（1）对于7208AC轴承，$e=0.68$，$Y=1.14$。先计算内部轴向力$S$，$S=0.68F_r$。$S_1=0.68F_{r1}=0.68\times1200=816N$，$S_2=0.68F_{r2}=0.68\times2000=1360N$。（2）判断轴向力的作用情况：$S_1+F_a=816+800=1616N\gtS_2$，所以轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”。则$F_{a1}=S_2-F_a=1360-800=560N$，$F_{a2}=S_2=1360N$。（3）计算当量动载荷$P$：对于轴承1：$\frac{F_{a1}}{F_{r1}}=\frac{560}{1200}\approx0.47\lte$，$X_1=1$，$Y_1=0$，$P_1=f_p(X_1F_{r1}+Y_1F_{a1})=1.2\times(1\times1200+0\times560)=1440N$。对于轴承2：$\frac{F_{a2}}{F_{r2}}=\frac{1360}{2000}=0.68=e$，$X_2=0.41$，$Y_2=0.87$，$P_2=f_p(X_2F_{r2}+Y_2F_{a2})=1.2\times(0.41\times2000+0.87\times1360)$$=1.2\times(820+1183.2)=1.2\times2003.2=2403.84N$。（4）计算基本额定寿命$L_{h}$：对于球轴承，寿命指数$\epsilon=3$，根据公式$L_{h}=\frac{10^6}{60n}(\frac{C}{P})^{\epsilon}$，7208AC轴承的基本额定动载荷$C=25800N$。对于轴承1：$L_{h1}=\frac{10^6}{60\times1000}(\frac{25800}{1440})^3=\frac{10^6}{60000}\times(\frac{25800}{1440})^3$$\approx16.67\times(17.92)^3\approx16.67\times5747.7\approx95714h$。对于轴承2：$L_{h2}=\frac{10^6}{60\times1000}(\frac{25800}{2403.84})^3=\frac{10^6}{60000}\times(\frac{25800}{2403.84})^3$$\approx16.67\times(10.73)^3\approx16.67\times1235.7\approx20599h$。五、设计题设计一普通V带传动，已知电动机功率$P=5.5kW$，转速$n_1=1440r/min$，传动比$i=3$，每天工作16小时，要求中心距$a\approx500mm$。答案：（1）确定计算功率$P_{ca}$：根据工作情况，查工作情况系数表，每天工作16小时，工作情况系数$K_A=1.1$。$P_{ca}=K_AP=1.1\times5.5=6.05kW$。（2）选取V带型号：根据$P_{ca}=6.05kW$和$n_1=1440r/min$，查V带选型图，选取A型V带。（3）确定带轮的基准直径$d_1$和$d_2$：选取小带轮基准直径$d_1=100mm$（满足$d_1\geqd_{1min}$，A型V带$d_{1min}=100mm$）。大带轮基准直径$d_2=id_1=3\times100=300mm$，根据标准选取$d_2=315mm$。此时实际传动比$i'=\frac{d_2}{d_1}=\frac{315}{100}=3.15$，传动比误差$\frac{i'-i}{i}=\frac{3.15-3}{3}=0.05=5\%$，在允许范围内。（4）计算带速$v$：$v=\frac{\pid_1n_1}{60\times1000}=\frac{\pi\times100\times1440}{60\times1000}\approx7.54m/s$，带速在5-25m/s范围内，合适。（5）确定中心距$a$和带长$L_d$：先根据经验公式$0.7(d_1+d_2)\lta_0\lt2(d_1+d_2)$，$0.7\times(100+315)\lt500\lt2\times(100+315)$，$290.5\lt500\lt830$，$a_0=500mm$合适。根据近似公式$L_d\approx2a_0+\frac{\pi}{2}(d_1+d_2)+\frac{(d_2-d_1)^2}{4a_0}$$=2\times500+\frac{\pi}{2}(100+315)+\frac{(315-100)^2}{4\times500}$$=1000+\frac{\pi}{2}\times415+\frac{46225}{2000}$$=1000+651.8+23.11\approx1674.9mm$。根据标准选取$L_d=1600mm$。再计算实际中心距$a\approxa_0+\frac{L_d-L_d'}{2}=500+\frac{1600-1674.9}{2}\approx462.6mm$。（6）计算小