机械设计基础考试题库及答案

机械设计基础考试题库及答案1.在平面机构中，若引入一个移动副，则机构将引入多少个约束？A.1个B.2个C.3个D.4个答案：B解析：在平面机构中，一个运动副引入的约束数等于其自由度减少的数目。一个不受约束的构件在平面内有3个自由度（两个移动和一个转动）。一个转动副允许构件间相对转动，约束了两个移动自由度，因此引入2个约束。一个移动副允许构件沿某一方向相对移动，约束了另一个方向的移动和转动，同样引入2个约束。因此，无论是转动副还是移动副，在平面机构中均引入2个约束。2.对于铰链四杆机构，当最短杆与最长杆长度之和小于或等于其余两杆长度之和时，若取最短杆为机架，则获得何种机构？A.曲柄摇杆机构B.双曲柄机构C.双摇杆机构D.曲柄滑块机构答案：B解析：根据格拉肖夫（Grashof）定理，对于铰链四杆机构，若满足杆长条件（最短杆与最长杆长度之和≤其余两杆长度之和），则：以最短杆的邻杆为机架，构成曲柄摇杆机构。以最短杆为机架，构成双曲柄机构。以最短杆的对杆为机架，构成双摇杆机构。因此，取最短杆为机架时，获得的是双曲柄机构，此时与机架相连的两个连架杆均能作整周回转，成为两个曲柄。3.在凸轮机构中，从动件采用等速运动规律时，在行程的起点和终点将发生何种冲击？A.柔性冲击B.刚性冲击C.无冲击D.有限冲击答案：B解析：等速运动规律是指从动件在推程或回程中速度保持常数。在行程的起点，速度从零瞬间变为常数，加速度在理论上为无穷大；在行程的终点，速度从常数瞬间变为零，加速度同样为无穷大。这种由加速度无穷大（理论值）导致的冲击称为刚性冲击。刚性冲击会引起强烈的振动和噪声，对高速凸轮机构是极其不利的。4.标准直齿圆柱齿轮不发生根切的最少齿数为多少？（压力角为20°，齿顶高系数为1）A.14B.17C.20D.25答案：B解析：对于标准直齿圆柱齿轮，用齿条型刀具加工时，不发生根切的最少齿数由下式决定：=其中，为齿顶高系数（标准值通常为1），α为分度圆压力角（标准值通常为20°）。代入计算：=因此，不发生根切的最少齿数为17。5.一对渐开线标准直齿圆柱齿轮正确啮合的条件是什么？A.模数相等，压力角相等B.模数相等，齿数相等C.压力角相等，齿数相等D.模数相等，齿宽相等答案：A解析：一对渐开线齿轮要能正确啮合，必须保证两轮的基圆齿距（法向齿距）相等。根据渐开线性质，基圆齿距=πmcosα，其中m为模数，α为压力角。因此，要满足=，即6.在定轴轮系中，惰轮（介轮）的主要作用是什么？A.改变传动比大小B.改变从动轮转向C.增大传动距离D.提高传动效率答案：B解析：惰轮是介于主动轮和从动轮之间的齿轮，它同时与前后两个齿轮啮合。惰轮不影响传动比的大小，因为从传动比计算公式来看，惰轮同时出现在分子和分母中，其齿数会被约去。但是，每增加一个外啮合，转向就改变一次。因此，惰轮的主要作用是改变从动轮的旋转方向，同时也可以增大轴间距。7.代号为6208的滚动轴承，其内径尺寸是多少毫米？A.8B.40C.80D.208答案：B解析：滚动轴承的代号中，右起第一、二位数字表示内径尺寸。对于内径≥20mm的轴承，内径尺寸=内径代号×5mm。代号6208中，右起第一、二位数字是“08”，因此内径d=08×5=40mm。右起第三位数字“2”表示直径系列（轻窄系列），右起第四位数字“6”表示类型（深沟球轴承）。8.在带传动中，若小带轮为主动轮，带的最大应力发生在何处？A.进入主动轮处B.退出主动轮处C.进入从动轮处D.退出从动轮处答案：A解析：带传动工作时，带中应力包括拉应力、离心应力和弯曲应力。带绕上小带轮（主动轮）时，同时承受最大的弯曲应力（因小带轮直径小，弯曲应力大）和最大的有效拉力（紧边拉力），因此总应力最大。具体位置是带刚进入主动轮的那一点。9.普通平键的剖面尺寸（b×h）通常根据什么来选取？A.传递扭矩的大小B.轴的直径C.轮毂的长度D.键的材料答案：B解析：普通平键是标准件。其剖面尺寸（宽度b和高度h）主要是根据安装键的轴的直径d，按照国家标准（GB/T1095-2003）查表选取的。而键的长度L则根据轮毂的长度确定，一般略短于轮毂长度，并取标准长度系列值。键的尺寸选定后，需进行强度校核（挤压强度和剪切强度），传递扭矩的大小影响校核结果，但不直接决定剖面尺寸的选取。10.螺纹联接中，用于连接的螺纹牙型通常是哪一种？A.矩形螺纹B.梯形螺纹C.三角形螺纹D.锯齿形螺纹答案：C解析：三角形螺纹（普通螺纹、管螺纹）的牙型角大（60°或55°），当量摩擦系数大，自锁性能好，主要用于连接。矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的传动效率较高，但自锁性能较差，主要用于传递运动和动力，即用于传动。11.计算题：已知一对外啮合标准直齿圆柱齿轮传动，标准中心距a=150mm，传动比i=3，模数m=4mm。试求两齿轮的齿数z1和z2。解：由传动比公式i==3由标准中心距公式a=将m=4，==8=齿数必须为整数，取=19则=i验证中心距：a=这说明在给定模数、传动比和中心距下，无法同时满足齿数为整数和精确的中心距。实际工程中需调整参数。若严格要求中心距为150mm，则需采用变位齿轮。按题目要求求理论齿数，通常取整后需说明。严格按公式计算过程如下：由a=和=i得==答案：理论计算齿数为=18.75，=12.计算题：某铰链四杆机构各杆长度（单位：mm）为：LAB=50，LBC=80，LCD=100，LAD=120。试判断该机构的类型。解：首先找出最短杆和最长杆。最短杆：LAB=50mm最长杆：LAD=120mm其余两杆：LBC=80mm，LCD=100mm。验证杆长条件：最短杆长度+最长杆长度=50+120=170mm。其余两杆长度之和=80+100=180mm。比较：170mm<180mm。满足杆长条件（最短杆与最长杆长度之和≤其余两杆长度之和）。因此，存在曲柄。现需根据机架判断类型。题目未指定机架，需分情况讨论或判断以最短杆邻杆为机架时的情形。通常，若以最短杆LAB的邻杆LAD或LBC为机架，则机构为曲柄摇杆机构。答案：该机构满足杆长条件。若以最短杆LAB的邻杆（AD或BC）为机架，则为曲柄摇杆机构；若以最短杆LAB为机架，则为双曲柄机构；若以最短杆的对杆CD为机架，则为双摇杆机构。13.计算题：某单级闭式直齿圆柱齿轮传动，已知传递功率P=10kW，小齿轮转速n1=960r/min，齿数比u=3.2，工作载荷平稳，长期单向运转。试初步估算小齿轮分度圆直径d1（单位：mm）。提示：可按齿面接触疲劳强度初步设计公式估算，取载荷系数K=1.3，齿宽系数φd=1.0，材料弹性影响系数ZE=189.8MPa^{1/2}，许用接触应力[σH]=550MPa。解：按齿面接触疲劳强度设计公式：≥首先计算小齿轮传递的扭矩T1：=代入公式：≥计算各部分：第一部分：2第二部分：=第三部分：=相乘：258646开立方：≈34.4(因为=39304，≈+3××0.4=39304答案：初步估算的小齿轮分度圆直径d1不小于34.3mm。14.机构具有确定相对运动的条件是什么？A.机构自由度数大于0B.机构自由度数等于原动件数C.机构自由度数大于原动件数D.机构自由度数小于原动件数答案：B解析：机构具有确定相对运动的条件是机构的自由度F必须大于0，且F等于原动件的数目。若F>0但小于原动件数，则会导致机构中最薄弱的构件或运动副破坏；若F大于原动件数，则机构运动不确定，表现为乱动。只有当F等于原动件数时，机构才有确定的运动。15.在凸轮机构中，从动件的位移、速度和加速度随凸轮什么的变化规律称为从动件运动规律？A.压力角B.轮廓曲线C.转角D.基圆半径答案：C解析：从动件的运动规律是指从动件的位移s、速度v、加速度a随凸轮转角φ（或时间t）变化的函数关系。它描述了从动件是如何运动的，是设计凸轮轮廓曲线的依据。凸轮的轮廓曲线形状是根据从动件的运动规律设计出来的。16.渐开线齿轮的齿廓形状取决于哪个圆的直径？A.齿顶圆B.分度圆C.基圆D.齿根圆答案：C解析：渐开线是由一条直线（发生线）沿着一个圆（基圆）作纯滚动时，直线上任一点的轨迹。因此，渐开线的形状完全取决于基圆的大小。基圆越大，渐开线越平直；基圆越小，渐开线越弯曲。对于渐开线齿轮，齿廓是渐开线，所以其形状由基圆直径决定。17.在标准安装条件下，渐开线标准直齿圆柱齿轮的分度圆与节圆有什么关系？A.分度圆大于节圆B.分度圆小于节圆C.分度圆等于节圆D.大小关系不确定答案：C解析：节圆是一对齿轮啮合时，过节点所作的圆。单个齿轮没有节圆。在标准安装（即按标准中心距安装）下，一对标准齿轮的节点正好位于各自的分度圆上，此时分度圆与节圆重合，分度圆半径等于节圆半径。如果安装中心距不等于标准中心距（非标准安装），则节圆与分度圆不重合。18.周转轮系中，轴线位置固定的齿轮称为什么？A.行星轮B.太阳轮C.系杆D.惰轮答案：B解析：在周转轮系（行星轮系）中，通常有三种基本构件：太阳轮（中心轮）、行星轮和系杆（行星架、转臂）。太阳轮是轴线固定且与行星轮啮合的齿轮。行星轮是既自转又公转的齿轮。系杆是支撑行星轮并带动其公转的构件。19.滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承在相同条件下运转，其可靠度为多少时的寿命？A.100%B.90%C.80%D.50%答案：B解析：滚动轴承的基本额定寿命L10是指一批相同的轴承，在相同的运转条件下，其中90%的轴承在发生疲劳点蚀前所能达到或超过的总转数（或在一定转速下的工作小时数）。它对应的是90%的可靠度。这是一个基于概率统计的定义。20.V带传动中，带的楔角θ（如40°）与带轮轮槽角φ之间的大小关系通常是？A.θ=φB.θ>φC.θ<φD.无关答案：B解析：V带绕在带轮上弯曲时，其外周受拉变窄，内周受压变宽，从而使带的楔角θ会减小。为了保证带的两侧面与轮槽工作面良好贴合，通常将带轮的轮槽角φ做得比带的楔角θ略小。对于普通V带（θ=40°），对应的轮槽角φ常为32°、34°、36°、38°等，具体取决于带轮直径。21.普通平键的工作面是哪个面？A.上表面B.下表面C.两侧面D.两端面答案：C解析：平键连接中，键的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，键的下表面与轴键槽底面接触，键的两侧面与轴和轮毂的键槽侧面紧密配合，以传递扭矩。因此，平键的工作面是其两个侧面，靠侧面挤压传递转矩。22.用于单向传动的螺纹牙型是哪种？A.三角形螺纹B.梯形螺纹C.锯齿形螺纹D.矩形螺纹答案：C解析：锯齿形螺纹的牙型不对称，工作面的牙侧角为3°，非工作面的牙侧角为30°。这种结构使其兼有矩形螺纹传动效率高和梯形螺纹牙根强度高的优点，但只能用于单向传动（通常承受单向轴向力）。三角形螺纹用于连接，梯形和矩形螺纹可用于双向传动。23.计算题：试计算图示机构的自由度（若有复合铰链、局部自由度或虚约束需明确指出）。机构示意图描述：一个偏心轮（原动件）通过转动副与机架相连，偏心轮上套有一个圆环（可视为扩大了的转动副），圆环与连杆通过转动副连接，连杆另一端与摇杆通过转动副连接，摇杆通过转动副与机架相连。在偏心轮与机架连接处，还有一个小滚子与偏心轮接触（高副）。解：首先分析构件：机架1，偏心轮（原动件）2，圆环3，连杆4，摇杆5，小滚子6。运动副分析：A点：偏心轮2与机架1构成转动副。B点：偏心轮2与圆环3构成转动副（几何中心重合，但存在两个构件）。C点：圆环3与连杆4构成转动副。D点：连杆4与摇杆5构成转动副。E点：摇杆5与机架1构成转动副。高副F：小滚子6与偏心轮2构成高副接触。小滚子6与机架1构成转动副。检查特殊情形：复合铰链：无。B点只有两个构件（偏心轮和圆环）相连，不是复合铰链。局部自由度：小滚子6绕其自身轴线的转动是局部自由度。处理方法是将其与相连的构件（机架1）固结，即将滚子6视为机架1的一部分，从而消除该转动副。虚约束：需检查。圆环3与偏心轮2的配合，如果只是为了将偏心轮的高副接触转化为低副，且转动中心与偏心轮几何中心重合，则圆环3和其两端的转动副B、C可能引入虚约束。常见的偏心轮机构中，圆环（相当于连杆）是必要的，但若机构运动简图表明，没有圆环，直接用连杆连接偏心轮和摇杆（通过高副）也能实现相同约束，则圆环和两个低副可能构成虚约束。但典型分析中，常将偏心轮、圆环和连杆视为一个低副连接（即偏心轮相当于曲柄，通过转动副与连杆连接）。根据描述“偏心轮上套有一个圆环”，这通常是将高副（偏心轮与机架或连杆）用低副替代的一种结构，圆环是真实构件。若无更多几何条件证明轨迹重合，暂不按虚约束处理。更常见的是，滚子局部自由度是明确的。按处理后的机构计算：将滚子6与机架1固结后。活动构件数n=4（偏心轮2，圆环3，连杆4，摇杆5）低副数PL=5（转动副A、B、C、D、E）高副数PH=1（偏心轮2与机架1在F点的高副？注意：原高副是滚子6与偏心轮2，滚子固结到机架后，高副变为偏心轮2与机架1之间的高副接触）所以自由度F=3n-2PL-PH=3×4-2×5-1=12-10-1=1。答案：该机构自由度F=1。存在局部自由度（小滚子），已处理。24.计算题：某轴由一对角接触球轴承支承，轴承正安装（面对面），已知轴承1、2所受的径向载荷分别为Fr1=2000N，Fr2=1000N，轴向外载荷FA=800N，方向指向轴承1。轴承内部轴向力Fs与径向载荷Fr的关系为Fs=0.68Fr。试计算两个轴承所受的轴向载荷Fa1和Fa2。解：对于角接触球轴承，需先计算内部轴向力Fs。轴承1的内部轴向力：Fs1=0.68Fr1=0.68×2000=1360N，方向指向轴承外（面对面安装时，内部轴向力指向轴承外部，即对于面对面安装，内部轴向力方向相背）。轴承2的内部轴向力：Fs2=0.68Fr2=0.68×1000=680N，方向指向轴承外（与Fs1方向相反）。画受力简图：轴向外载荷FA=800N指向轴承1。比较“Fs2+FA”与“Fs1”的大小，判断轴的移动趋势。计算：Fs2+FA=680+800=1480N。Fs1=1360N。因为Fs2+FA=1480N>Fs1=1360N，所以轴有向右（指向轴承1）移动的趋势。但对于面对面安装，当轴有向右移动趋势时，轴承1被压紧，轴承2被放松。因此：被压紧的轴承1的轴向载荷：Fa1=Fs2+FA=1480N。被放松的轴承2的轴向载荷：Fa2=Fs2=680N。答案：轴承1的轴向载荷Fa1=1480N，轴承2的轴向载荷Fa2=680N。25.在机械设计中，零件的强度条件可以表达为什么？A.计算应力≤极限应力B.计算应力≤许用应力C.计算应力≥许用应力D.计算应力=许用应力答案：B解析：强度条件是保证机械零件工作能力的基本准则。它要求零件在预期的工作条件下，其危险截面上的计算应力（如σca）不应超过材料的许用应力（[σ]），即σca≤[σ]。许用应力[σ]由材料的极限应力（σlim）除以安全系数（S）得到：[σ]=σlim/S。26.螺纹连接防松的根本问题在于防止什么？A.螺纹副的相对转动B.螺栓被拉断C.螺栓被剪断D.被连接件挤压破坏答案：A解析：螺纹连接在静载荷和工作温度变化不大时，一般能满足自锁条件不会自动松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下，或温度变化较大时，螺纹副间的摩擦力可能会瞬时减小或消失，导致连接松动甚至松脱。因此，防松的根本问题是防止螺纹副在工作过程中发生相对转动。27.在带传动设计中，限制小带轮最小直径的目的是什么？A.限制包角过小B.限制弯曲应力过大C.限制离心应力过大D.限制紧边拉力过大答案：B解析：带绕在带轮上时会产生弯曲应力。小带轮直径越小，带的弯曲应力就越大。过大的弯曲应力是导致带疲劳破坏的主要原因之一。因此，在带传动设计中，需要限制小带轮的最小直径，以防止带的弯曲应力过大，从而保证带具有足够的疲劳寿命。28.链传动中，链节数最好取为何值？A.偶数B.奇数C.质数D.任意整数答案：A解析：链传动中，链节数最好取为偶数。这是因为链条的接头形式通常为开口销或弹簧卡子。当链节数为偶数时，可以采用连接链节，其外形与其它链节相同，仅连接板与销轴为可拆卸的，这样链条的刚度较好。若链节数为奇数，则需采用一个过渡链节（弯板链节），其强度较差，应尽量避免。29.齿轮传动中，齿面点蚀通常首先出现在齿廓的什么部位？A.齿顶附近B.齿根附近C.节线附近D.任意位置答案：C解析：齿面点蚀是闭式软齿面齿轮传动的主要失效形式。在节线附近，齿面相对滑动速度方向发生变化，且通常为单对齿啮合区，接触应力大，润滑油膜不易形成。因此，点蚀通常首先出现在靠近节线的齿根表面区域，然后向其他区域扩展。30.对轴进行结构设计时，为了便于轴上零件的装拆，常将轴设计成什么形状？A.等直径光轴B.阶梯轴C.曲轴D.空心轴答案：B解析：阶梯轴各轴段的直径不同，形成台阶。这种结构便于轴上零件的轴向定位、固定和装拆。零件可以从轴的一端依次装入，利用轴肩、轴环、套筒等结构进行轴向固定，装拆方便。等直径光轴虽然加工简单，但零件定位和装拆不便，应用较少。31.计算题：已知一普通V带传动，传递功率P=5.5kW，小带轮转速n1=1440r/min，传动比i=3，每天工作8小时，载荷变动较小。试确定V带的型号。提示：可根据计算功率Pca和小带轮转速n1查选型图确定。计算功率Pca=KA*P，其中KA为工况系数。解：根据工作条件：每天工作8小时，载荷变动较小，查取工况系数KA。通常，对于载荷变动较小的带式输送机、风机等，KA可取1.1~1.2。此处取KA=1.1。计算功率Pca=KA*P=1.1×5.5=6.05kW。根据小带轮转速n1=1440r/min和计算功率Pca=6.05kW，查V带选型图（如教材或手册中的普通V带选型图）。在选型图上，横坐标为计算功率Pca，纵坐标为小带轮转速n1。找到Pca=6.05kW，n1=1440r/min的点，该点位于A型区和B型区交界处，但更靠近B型区。为可靠起见，通常选择型号较大的带。因此，可选择B型V带。答案：建议选用B型普通V带。32.计算题：某螺栓连接，已知螺栓所受预紧力F0=10000N，被连接件刚度Cm与螺栓刚度Cb之比为Cm/Cb=4，工作载荷F=5000N。试求螺栓所受的总拉力F2。解：螺栓连接中，总拉力F2等于预紧力F0加上工作载荷F引起的一部分附加拉力。根据螺栓连接的受力变形图，引入相对刚度系数。已知=4，则=相对刚度==总拉力F2=F0+F=10000+0.2×5000=10000+1000=11000N。答案：螺栓所受的总拉力F2=11000N。33.在铰链四杆机构中，若存在曲柄，则曲柄一定是什么杆？A.最短杆B.最长杆C.与机架相连的杆D.连杆答案：C解析：在满足杆长条件的铰链四杆机构中，曲柄是指能作整周回转的连架杆。连架杆是指与机架相连的杆。因此，曲柄一定是与机架相连的杆。最短杆不一定是曲柄，只有当最短杆是连架杆（即作为机架的邻杆）或作为机架本身时，它才是曲柄或与曲柄相连。34.凸轮机构中，压力角增大对传动有何影响？A.有效分力增大，传动更省力B.有效分力减小，传动费力C.径向压力减小，磨损减小D.对传动无影响答案：B解析：凸轮机构中，压力角α是从动件受力方向（法线方向）与从动件速度方向所夹的锐角。将作用力沿从动件运动方向分解，有效分力为F'=Fcosα。当压力角α增大时，cosα减小，有效分力F'减小，推动从动件运动的力减小，传动变得费力。同时，径向分力增大，加剧摩擦和磨损。因此，设计中通常限制最大压力角。35.斜齿圆柱齿轮的当量齿数zv与实际齿数z的关系是什么？A.zv<zB.zv>zC.zv=zD.无法确定答案：B解析：斜齿圆柱齿轮的当量齿数zv是用仿形法加工时选择铣刀刀号，以及进行齿轮弯曲强度计算时所用的一个等效齿数。其计算公式为=，其中β为分度圆螺旋角。由于cosβ<1，所以cos^3β<1，因此zv>z。当量齿数总是大于实际齿数。36.蜗杆传动中，蜗轮轮齿的旋向与蜗杆蜗轮的旋向关系如何？A.相同B.相反C.无关D.视情况而定答案：A解析：在蜗杆传动中，蜗杆和蜗轮轮齿的旋向必须相同。即右旋蜗杆配右旋蜗轮，左旋蜗杆配左旋蜗轮。这是由它们的啮合原理决定的。判断旋向时，沿轴线方向看，齿向右边高为右旋，左边高为左旋。37.既能承受径向力又能承受较大轴向力的滚动轴承是哪种？A.深沟球轴承B.圆柱滚子轴承C.角接触球轴承D.滚针轴承答案：C解析：深沟球轴承主要承受径向力，可承受一定的双向轴向力，但能力有限。圆柱滚子轴承和滚针轴承只能承受径向力，不能承受轴向力。角接触球轴承可以同时承受径向力和单向的轴向力，且通过成对使用可以承受双向轴向力。圆锥滚子轴承也具有此特性。因此，题目中角接触球轴承是正确选项。38.设计链传动时，链节距p的选择原则是什么？A.在满足承载能力前提下，尽量选小节距B.尽量选大节距以提高承载能力C.与转速无关D.任意选择答案：A解析：链节距p是链传动最重要的参数。节距越大，承载能力越高，但运动不均匀性、动载荷和噪声也越大。因此，在满足传递功率要求的前提下，应尽量选用较小的节距。对于高速重载的链传动，此原则更为重要。通常，高速轻载时选小节距，低速重载时在大节距单排链和较小节距多排链之间选择。39.设计齿轮时，齿面接触疲劳强度主要针对哪种失效形式？A.轮齿折断B.齿面点蚀C.齿面磨损D.齿面胶合答案：B解析：齿面接触疲劳强度计算是为了防止齿面发生点蚀失效。点蚀是由于齿面接触应力过大，在循环变化下导致表层产生疲劳裂纹并扩展，形成麻点状凹坑。计算时以保证齿面最大接触应力不超过许用接触应力为准则。40.轴肩或轴环定位，是对轴上零件进行什么方向的定位？A.周向B.轴向C.径向D.轴向和周向答案：B解析：轴肩和轴环是轴上截面尺寸变化的台阶。利用轴肩或轴环的端面可以与轴上零件的端面接触，从而限制零件沿轴向的移动。因此，它们主要用于零件的轴向定位。周向定位通常采用键、花键、销、过盈配合等实现。41.计算题：一对渐开线标准直齿圆柱齿轮，已知模数m=3mm，齿数z1=20，z2=60，压力角α