河北工业大学《机械设计基础》期末复习指南

河北工业大学《机械设计基础》期末复习指南考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题2分，共20分）1.平面机构中，一个低副相当于_______个约束。A.1B.2C.3D.42.在平面四杆机构中，若两连架杆能实现预定的对应位置，则该机构一定为_______。A.曲柄摇杆机构B.双曲柄机构C.双摇杆机构D.铰链四杆机构3.凸轮机构中，从动件运动规律选择主要考虑_______。A.凸轮轮廓形状B.压力角大小C.动力特性D.承载能力4.渐开线齿轮传动能够实现_______。A.定角速比传动B.变角速比传动C.定距离传动D.变距离传动5.齿轮材料选择主要考虑_______。A.强度B.刚度C.耐磨性D.以上都是6.轴按承受载荷分类，_______轴主要承受扭矩。A.心轴B.转轴C.弯曲轴D.轴套7.滚动轴承的基本额定寿命是指_______。A.轴承达到疲劳点前的总转数B.轴承达到疲劳点前的总工作时间C.一半的轴承达到疲劳点前的总转数D.一半的轴承达到疲劳点前的总工作时间8.键连接主要用于_______。A.轴与轴上零件的固定连接B.轴与轴上零件的相对运动连接C.轴与轴上零件的过盈配合连接D.轴与轴上零件的间隙配合连接9.润滑油的选择主要考虑_______。A.工作温度B.轴承类型C.负载大小D.以上都是10.联轴器主要用于_______。A.连接两轴并传递扭矩B.隔离振动和冲击C.实现两轴的相对运动D.保护轴承二、判断题（每题1分，共10分）1.复合铰链是指两个以上构件在同一铰链处相连。()2.局部自由度不影响机构的自由度。()3.凸轮机构中，基圆半径越大，压力角越大。()4.齿轮传动的齿面接触强度与齿数无关。()5.轴的强度计算主要包括弯曲强度和扭转强度计算。()6.滚动轴承的寿命与其载荷成反比。()7.键连接是一种可拆卸连接。()8.润滑脂适用于高速、高温场合。()9.密封的主要目的是防止润滑剂流失和外界杂质进入。()10.联轴器可以补偿两轴的相对位移。()三、简答题（每题5分，共20分）1.简述平面机构自由度计算的方法和步骤。2.简述凸轮机构中压力角的概念及其对机构设计的影响。3.简述齿轮传动的失效形式及其预防措施。4.简述轴系设计需要考虑的主要因素。四、计算题（每题10分，共40分）1.图示平面四杆机构中，AB=60mm，BC=100mm，CD=80mm，AD=120mm，∠ABC=30°，∠ADC=90°。试求该机构的自由度，并判断其属于哪种类型的四杆机构（若为双曲柄机构或双摇杆机构，请说明条件）。2.一凸轮机构中，基圆半径r0=20mm，凸轮以等角速度ω=10rad/s顺时针转动。从动件的运动规律如下：推程h=20mm，推程运动时间t1=1s，远休止角φs=120°，回程运动时间t2=0.5s，近休止角φr=60°。试求：(1)从动件在推程和回程阶段的运动规律方程（用正弦函数表示）；(2)凸轮转过180°时，从动件的位移和速度。3.一对渐开线直齿圆柱齿轮传动，已知模数m=3mm，压力角α=20°，小齿轮齿数z1=20，大齿轮齿数z2=40。试求：(1)该对齿轮的传动比i12；(2)齿轮的几何参数（分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、中心距）。4.一轴传递功率P=10kW，转速n=300r/min，轴的材料为45钢，许用弯曲应力[σ]=160MPa，许用扭转剪应力[τ]=60MPa。试估算该轴的直径（不考虑刚度要求）。五、设计题（15分）某输送装置需要一台传动比i=20的减速器，输入轴转速n1=1500r/min，输出轴承受扭矩T2=200N·m。试进行传动方案设计，确定减速器的类型（至少两种方案），并对两种方案进行比较，说明各自的优缺点。试卷答案一、选择题1.B2.A3.C4.A5.D6.B7.D8.A9.D10.A二、判断题1.√2.√3.×4.×5.√6.√7.√8.×9.√10.√三、简答题1.解析思路：首先明确平面机构自由度的定义，即机构相对于参考系独立运动的数目。然后根据公式F=3n-2pL进行计算，其中n为构件数，pL为低副数。计算步骤包括：数清机构中构件的数目；判断并数清机构中的低副数目（注意复合铰链和局部自由度的处理）；将n和pL代入公式计算自由度F。最后根据F的值判断机构类型（F=0为静态机构，F>0为动态机构）。2.解析思路：压力角是指凸轮轮廓上某点法线方向与该点速度方向之间所夹的锐角。压力角越大，从动件运动所需的驱动力越大，机构的效率越低，越容易自锁。因此，在凸轮机构设计中，需要限制压力角的最大值，通常不超过30°-40°。可以通过选择合适的基圆半径、采用凹形轮廓等措施来减小压力角。3.解析思路：齿轮传动的失效形式主要包括齿面磨损、齿面点蚀、齿根弯曲疲劳断裂和胶合。预防措施包括：选择合适的齿轮材料及热处理方法；提高齿轮加工精度和齿面粗糙度；进行必要的强度计算和校核；采用合理的润滑方式和润滑剂；提高齿面硬度等。4.解析思路：轴系设计需要综合考虑强度、刚度、耐磨性、热变形、振动稳定性等多方面因素。强度设计主要是保证轴在承受载荷时不发生断裂或塑性变形，通常需要进行弯曲强度和扭转强度计算。刚度设计主要是保证轴在承受载荷时变形在允许范围内，通常需要进行弯曲刚度和扭转刚度计算。耐磨性设计主要是保证轴与轴承、键等配合零件之间的摩擦磨损在允许范围内，通常需要选择合适的材料、润滑方式和密封装置。热变形设计主要是保证轴在工作温度变化时不发生过大变形，通常需要考虑材料的线膨胀系数和散热条件。振动稳定性设计主要是保证轴在工作时不发生共振，通常需要进行振动分析并采取相应的措施。四、计算题1.解析思路：首先根据公式F=3n-2pL计算自由度，其中n=4（AB、BC、CD、AD为四个构件），pL=4（A、B、C、D为四个低副）。代入公式得F=3*4-2*4=4。由于存在两个转动副，且根据格拉肖夫定理，AB+CD>AD+BC，故该机构为双摇杆机构。2.解析思路：（1）推程阶段：从动件作等加速运动，位移s=1/2*a*t^2，速度v=a*t。根据运动规律，s=h*sin(ωt)，v=h*ω*cos(ωt)。代入h=20mm，ω=10rad/s，t1=1s，得到a=40mm/s^2。因此，推程阶段运动规律方程为：s=20*sin(10t)(0≤t≤1s)，v=200*cos(10t)(0≤t≤1s)。(2)回程阶段：从动件作等减速运动，位移s=h-(1/2)*a*t^2，速度v=-a*t。根据运动规律，s=h*(1-cos(ωt))，v=h*ω*sin(ωt)。代入h=20mm，ω=10rad/s，t2=0.5s，得到a=80mm/s^2。因此，回程阶段运动规律方程为：s=20*(1-cos(10t))(1s≤t≤1.6s)，v=200*sin(10t)(1s≤t≤1.6s)。当凸轮转过180°时，即t=π/5s，代入推程阶段方程，得到位移s=20*sin(2π/5)mm，速度v=200*cos(2π/5)mm/s。3.解析思路：（1）传动比i12=n1/n2=z2/z1=40/20=2。（2）分度圆直径d1=m*z1=3*20=60mm，d2=m*z2=3*40=120mm。齿顶圆直径da1=d1+2*m=60+2*3=66mm，da2=d2+2*m=120+2*3=126mm。齿根圆直径df1=d1-2.5*m=60-2.5*3=52.5mm，df2=d2-2.5*m=120-2.5*3=112.5mm。中心距a=(d1+d2)/2=(60+120)/2=90mm。4.解析思路：首先根据功率P和转速n1计算输入轴的扭矩T1=9550*P/n1=9550*10/300=318.33N·m。然后根据扭矩T1和传动比i计算输出轴的扭矩T2=T1*i=318.33*20=6366.67N·m（注意题目已给出T2=200N·m，此处计算结果与题目矛盾，可能是题目错误）。根据扭转强度条件，d≥√(16*T2/π*[τ])=√(16*200/π*60)=3.65mm。根据弯曲强度条件，d≥√(32*T1/(π*[σ]*Wz})，其中Wz为抗弯截面系数，对于圆轴，Wz=π*d^3/32。代入数据得到d≥√(32*318.33/(π*160*π*d^3/32))，解得d≥18.7mm。因此，轴的直径应取大于18.7mm的整数，即d=20mm。五、设计题解析思路：方案一：采用一级圆柱齿轮减速器。选择直齿圆柱齿轮，传动比i=20，则小齿轮齿数z1可取20，大齿轮齿数z2=20*20=400。根据功率、转速和传动比计算输入