河北工业大学《机械设计基础》期末考试试卷(含答案)

河北工业大学《机械设计基础》期末考试试卷（含答案）考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。请将正确选项的字母填在题后的括号内）1.下列机构中，属于连杆机构的是（）。A.凸轮机构B.齿轮机构C.平行四边形机构D.万向联轴器2.计算平面机构自由度时，若机构中存在复合铰链，则该处约束数应为（）。A.1B.2C.3D.2n（n为组成该复合铰链的构件数）3.在凸轮机构中，若凸轮作匀速转动，从动件作往复直线运动，则盘形凸轮机构的压力角（α）在从动件（）时可能最大。A.上升段起始点B.上升段任意点C.上升段终止点（顶点）D.回程段起始点4.在带传动中，限制传动功率的主要因素是（）。A.带的拉力B.带的线速度C.带与带轮间的摩擦系数D.带的弹性变形5.在齿轮传动中，通常将齿廓曲线设计成渐开线的原因是（）。A.渐开线齿廓能满足定传动比要求B.渐开线齿廓制造方便C.渐开线齿廓易于安装D.以上都是6.下列滚动轴承类型中，通常适用于高速旋转且要求较高精度的场合的是（）。A.深沟球轴承B.角接触球轴承C.圆柱滚子轴承D.调心滚子轴承7.在轴的结构设计中，为了使轴上载荷分布更均匀，减少应力集中，轴肩过渡圆角应（）。A.越大越好B.越小越好C.保持一定D.与轴径无关8.下列连接方式中，属于不可拆连接的是（）。A.螺栓连接B.键连接C.销连接D.焊接9.选择材料时，通常优先考虑的因素是（）。A.成本最低B.强度最高C.工艺性最好D.寿命最长10.对轴进行刚度计算时，主要关心的是轴的（）。A.强度B.刚度C.磨损D.断裂二、填空题（每小题2分，共20分。请将答案填在题中的横线上）1.一个平面四杆机构，其组成构件数n=4，运动副总数P=5，则该机构的自由度F=______。2.凸轮机构的基圆是指凸轮理论轮廓线上的______。3.带传动中，当主动轮转速一定时，从动轮转速与带的______成反比。4.在直齿圆柱齿轮传动中，模数m和压力角α是标准值的齿轮称为______齿轮。5.滚动轴承的基本额定寿命是指一批相同轴承在相同条件下运转，其中______%的轴承发生疲劳点蚀前所能运转的总转数（或总小时数）。6.轴按承载情况可分为______轴、______轴和______轴。7.键连接主要用于实现轴与轴上零件间的______连接。8.在机械设计中，选择材料时通常遵循的是______原则。9.为了防止轴承过热，通常需要对其进行______。10.机构运动简图是用规定的______和______来表示机构的组成和运动关系的图形。三、简答题（每小题5分，共20分。请将答案写在答题纸上）1.简述什么是机构的自由度？影响平面机构自由度的因素有哪些？2.与平键连接相比，花键连接有哪些优点？3.简述滚动轴承与滑动轴承相比的主要优缺点。4.在进行轴的结构设计时，需要考虑哪些主要因素？四、计算题（共40分。请将计算过程和结果写在答题纸上）1.（8分）如图所示平面四杆机构中，构件长度分别为：AB=60mm，BC=90mm，CD=80mm，AD=100mm。若已知构件AD为机架，AB作顺时针匀速转动，角速度ω₁=10rad/s。求当φ₁=30°时，构件CD的角速度ω₃和角加速度α₃。（提示：可用瞬心法或速度影像法求解）（此处无图，需根据描述想象机构或自行绘制示意图进行计算）2.（10分）一平带传动，主动轮直径d₁=200mm，从动轮直径d₂=400mm，中心距a=1500mm。若主动轮转速n₁=1450r/min，带传动的传动比i=1.5，带与带轮间的摩擦系数f=0.3。试计算：（1）从动轮转速n₂；（2）若带速v=5m/s，主动轮直径d₁应改为多少？3.（12分）一钢制实心阶梯轴，受力情况如图所示（此处无图，需根据描述想象载荷分布）。轴的材料为Q235钢，许用弯曲应力[σ]=160MPa。试校核轴的强度。（提示：需先绘出轴的弯矩图，计算危险截面处的弯矩，然后进行强度校核）（载荷描述：轴上作用有集中力F₁=10kN，作用在距离左端支座L₁=300mm处；集中力偶M=5kN·m，作用在距离左端支座L₂=500mm处；右端为支座，距离左端支座L₃=200mm）4.（10分）一轴系部件如图所示（此处无图，需根据描述想象结构），轴上安装有一个深沟球轴承（型号6210），转速n=1000r/min，承受的径向载荷F_r=5000N，轴向载荷F_a=2000N。若润滑条件良好，预期使用寿命L_h（以小时计）为多少？（提示：需根据F_r和F_a计算当量动载荷P，然后利用6210轴承的基本额定寿命公式L_h=C/P^3，其中C为6210轴承的基本额定动载荷，需查手册）---试卷答案一、选择题1.C2.D3.C4.C5.A6.A7.C8.D9.C10.B二、填空题1.12.最小半径3.紧边拉力4.标准齿5.90%6.心轴、转轴、传动轴7.固定8.最优（或经济、合理）9.润滑10.运动副符号、运动尺寸三、简答题1.机构的自由度是指一个机构相对于确定位置的机架独立运动的数目。影响平面机构自由度的因素有：机构的构件数n、运动副类型（移动副计1个约束，转动副计1个约束）以及是否存在复合铰链、局部自由度、虚约束等。计算公式为F=3n-2P₁-P₂，其中P₁为转动副数，P₂为移动副数。2.花键连接与平键连接相比，优点包括：承载能力高、对中性好、联接强度高、可适应较长的轴上零件、轴上零件与轴的配合性质好（便于热处理）、可传递较大扭矩。3.滚动轴承的优点：摩擦系数小、启动灵敏、效率高、磨损小、可自润滑、寿命较长、安装方便。缺点：成本较高、抗冲击能力较差、高速性能受限制、对安装精度要求较高、工作时存在径向和轴向动反力。4.轴的结构设计需考虑的主要因素包括：强度（满足强度计算要求）、刚度（满足刚度计算要求，特别是弯曲和扭转变形）、耐磨性、热处理可能性、加工工艺性、轴上零件的固定与定位、轴与轴承、联轴器等标准件的配合与安装、减少应力集中等。四、计算题1.解：（瞬心法）*瞬心P在AD延长线和BC的交点。因P为AB的瞬心，有vB=ω₁*AB=10*60=600mm/s。*vB也等于BP*ω₃，BP=BC/sin(φ₁)=90/sin(30°)=180mm。*ω₃=vB/BP=600/180=10/3rad/s(方向：由速度方向判断为顺时针)。*加速度分析：P为B、C的瞬心，BC杆作平面运动，其角加速度α_BC=a_Bn/BP=(a_Bt^B+a_Bn^B)/BP。a_Bn^B=ω₃²*BP=(10/3)²*180=6000mm/s²(方向垂直BC向上)。a_Bt^B=α_BC*BP。*C点的加速度a_C=a_B+a_C/B。a_C/B=α_BC*BC=α_BC*90。*a_C=a_Bn^B+a_Bt^B=6000+α_BC*90。*a_C也等于a_Pn^C=ω₃²*CP=ω₃²*AD=(10/3)²*100=1111.1mm/s²(方向指向P)。*将a_C表示为a_Pn^C，即6000+α_BC*90=1111.1。*α_BC=(1111.1-6000)/90=-55.56rad/s²。*a_C/B=α_BC*90=-55.56*90=-5000mm/s²。*a_C=a_Bn^B+a_C/B=6000-5000=1000mm/s²。a_C方向垂直BC向下。*a_C也等于a_Pn^C=ω₃²*CP，方向指向P。*α₃=a_Cn^C/CP=a_C/CP=1000/100=10rad/s²(方向：由a_C指向P，判断为顺时针)。*答：ω₃=10/3rad/s(顺时针)，α₃=10rad/s²(顺时针)。2.解：（1）i=n₁/n₂→n₂=n₁/i=1450/1.5=966.67r/min。（2）v=π*d₁*n₁/60→d₁=60*v/(π*n₁)=60*5/(π*1450)≈0.065m=65mm。答：从动轮转速n₂≈966.67r/min；主动轮直径d₁应约为65mm。3.解：（绘弯矩图）*绘制轴的简图，标出支座位置和载荷。*计算各支座反力：ΣM_A=0:F₁*L₁-R_B*(L₁+L₂-L₃)=0→R_B=F₁*L₁/(L₁+L₂-L₃)=10*300/(300+500-200)=7500/600=12.5kN(向上)。ΣF_y=0:F₁+R_B-R_C-F₂=0→R_C=F₁+R_B-F₂=10+12.5-10=12.5kN(向上)。*注：题目载荷描述中未提及F₂，假设F₂=10kN作用于L₃段中点，或按平衡方程求解R_C。若按ΣF_y=10+12.5-R_C-10=0，则R_C=12.5kN。为计算简便，假设F₂=10kN。**绘制弯矩图M(x)：M_A=0。M_max_1=R_B*L₁=12.5*300=3750N·m(发生在B点右侧)。M_max_2=R_C*L₃=12.5*200=2500N·m(发生在C点左侧)。M_max=max(3750,2500)=3750N·m。*强度校核：轴为阶梯轴，需校核弯矩最大的截面（B点或假设的中间截面，此处取B点右侧截面）。W_x=π*d³/32=π*(60mm)³/32=π*216000/32=21000πmm³≈66148mm³。σ_max=M_max/W_x=3750000N·mm/66148mm³≈56.7MPa。*比较：σ_max=56.7MPa<[σ]=160MPa。*答：轴的强度足够。4.解：*查手册，深沟球轴承6210的基本额定动载荷C=44.8kN。*计算当量动载荷P。因Fa/Fr≤e，查手册得e=0.19对于6210。因Fa/Fr=2000/5000=0.4>e，应使用公式P=X*Fr+Y*Fa。对于6210，通常X=1.0,