2026年大学机械设计基础期末试卷及答案

2026年大学机械设计基础期末试卷及答案一、填空题（每空1分，共20分）1.2025年工信部推广的新能源汽车减速器常用的硬齿面齿轮，表面淬火后齿面硬度范围是（），齿根弯曲强度计算时应力修正系数Ysa主要考虑（）的影响。2.非液体摩擦滑动轴承的压强p验算目的是（），pv值验算目的是（），滑动速度v验算目的是（）。3.V带传动工作时的最大应力出现在（）位置，传动的主要失效形式是（）和（）。4.普通公制螺纹的牙型角是（），螺纹自锁的条件是（），用于紧固连接的螺纹通常采用（）旋向。5.轴按照承受载荷的不同分为三类，只传递转矩不受弯矩的是（），只承受弯矩不传递转矩的是（），同时承受弯矩和转矩的是（）。6.闭式软齿面齿轮传动通常按照（）强度进行设计，按照（）强度进行校核，其主要失效形式是（）。7.2026年量产的人形机器人关节常用的谐波减速器，核心组成部件包括波发生器、（）、（），其传动比远大于普通行星齿轮减速器的核心原因是（）。8.联轴器分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类，其中对两轴对中性要求最高的是（）联轴器，能够缓冲吸振、补偿两轴偏移的是（）联轴器。二、单项选择题（每题2分，共20分）1.下列机械零件中，属于通用零件的是（）A.新能源汽车专用电机轴B.人形机器人关节谐波减速器柔性轴承C.六角头螺栓D.风力发电机专用叶片2.下列连接形式中，属于可拆连接且正常使用时不需要施加预紧力的是（）A.焊接连接B.铆接连接C.定位用销连接D.过盈配合连接3.带传动设置张紧轮的核心目的是（）A.消除带的弹性滑动B.延长带的疲劳寿命C.改变带的传动方向D.调节带的初拉力4.闭式硬齿面齿轮传动的主要失效形式是（）A.齿面胶合B.齿根疲劳折断C.齿面磨粒磨损D.齿面点蚀5.下列滚动轴承型号中，只能承受径向载荷、不能承受轴向载荷的是（）A.深沟球轴承6205B.圆柱滚子轴承N205C.圆锥滚子轴承30205D.推力球轴承512056.当两个被连接件中一个厚度较大，且连接需要经常拆卸时，最适宜采用的连接形式是（）A.普通螺栓连接B.双头螺柱连接C.螺钉连接D.紧定螺钉连接7.非液体摩擦滑动轴承验算pv值的核心目的是防止轴承出现（）A.过度磨粒磨损B.过热产生胶合失效C.工作面塑性变形D.接触疲劳点蚀8.下列轴的材料中，比强度最高、最适合用于人形机器人轻量化关节轴的是（）A.45钢调质处理B.20CrMnTi渗碳淬火处理C.7075铝合金硬质阳极氧化处理D.碳纤维增强树脂基复合材料9.平键连接的主要失效形式是（）A.键的拉伸断裂B.工作面的压溃C.工作面的磨粒磨损D.键的弯曲断裂10.谐波减速器相比于普通渐开线行星齿轮减速器，最突出的应用优势是（）A.承载能力更高B.传动比范围大且传动精度高C.使用寿命更长D.制造成本更低三、判断题（每题1分，共10分，正确打√，错误打×）1.带传动的弹性滑动是可以避免的，只要将初拉力调整到足够大的数值。（）2.为提高轴的疲劳强度，应优先选用高强度合金钢，而非通过优化结构设计降低应力集中。（）3.蜗杆传动的传动比等于蜗轮齿数与蜗杆头数的比值，也等于蜗轮分度圆直径与蜗杆分度圆直径的反比。（）4.滚动轴承的基本额定寿命是指90%的同批次轴承不发生疲劳点蚀失效时的总运转转数。（）5.普通平键的截面尺寸是根据轴的直径从国家标准中选取的，键的长度根据轮毂的长度确定。（）6.闭式齿轮传动中，齿面点蚀通常首先出现在齿根靠近节线的位置。（）7.满足自锁条件的螺纹连接在任何动载荷、冲击载荷工况下都不会发生松脱，不需要额外设置防松措施。（）8.谐波减速器的柔性轮齿数比刚轮齿数多2个，因此波发生器每转动一圈，柔轮相对刚轮转过的角度极小，实现大传动比。（）9.滑动轴承用润滑油的粘度随温度升高而降低，因此高温工况下应选用粘度更高的润滑油。（）10.依靠摩擦力传递横向载荷的紧螺栓连接，螺栓仅受预紧力产生的拉应力，不受剪切和挤压应力。（）四、简答题（每题5分，共20分）1.2026年量产的新能源汽车减速器普遍采用硬齿面斜齿轮传动，相比于传统的直齿软齿面齿轮传动，有哪些技术优势？2.绝大多数螺纹连接在装配时都需要施加预紧力，预紧的目的是什么？常用的螺纹防松措施分为哪三类，各举1个典型例子。3.现阶段人形机器人关节传动系统普遍采用谐波减速器，为什么不采用普通多级圆柱齿轮减速器？4.进行滚动轴承选型时，需要考虑的核心因素有哪些？五、分析计算题（每题10分，共20分）1.某新能源汽车驱动电机端盖采用4个普通紧螺栓连接，已知连接承受的横向总载荷FΣ=16000N，接合面摩擦系数f=0.2，可靠性系数Kf=1.2，接合面数目为1，螺栓材料的许用拉应力[σ]=120MPa，试计算该连接所需螺栓的最小公称直径。（紧螺栓连接拉应力计算公式为σ=1.3F₀/(πd₁²/4)≤[σ]，其中F₀为预紧力，d₁为螺栓小径）2.一对闭式标准直齿圆柱齿轮传动，已知小齿轮齿数z₁=20，大齿轮齿数z₂=80，模数m=3mm，小齿轮传递功率P=5.5kW，转速n₁=1440r/min，载荷系数K=1.3，小齿轮许用接触应力[σH₁]=550MPa，大齿轮许用接触应力[σH₂]=450MPa，齿宽系数ψd=1，区域系数ZE=189.8√MPa，齿面接触强度校核公式为σH=ZE×√[2KT₁(u+1)/(bd₁²u)]≤[σH]，试校核该对齿轮的接触强度是否满足要求。六、结构设计题（共10分）试绘制普通A型平键连接的轴向装配剖面图，标注主要配合尺寸与公差带特征，说明平键的工作面是哪两个面，若轴上安装的轮毂需要沿轴向频繁滑动，应采用哪种类型的键连接。参考答案一、填空题1.52~62HRC；齿根圆角处的应力集中2.防止轴承工作面过度磨损；防止轴承过热产生胶合；防止局部工作面速度过高导致加速磨损3.紧边进入小带轮的啮合处；打滑；疲劳破坏4.60°；螺纹升角小于等于当量摩擦角；右5.传动轴；心轴；转轴6.齿面接触疲劳；齿根弯曲疲劳；齿面点蚀7.刚轮；柔轮；柔轮与刚轮的齿数差极小（通常为2）8.凸缘（刚性固定式）；弹性（弹性元件式）二、单项选择题1.答案：C。解析：通用零件是指在各类机械设备中都能广泛应用的零件，螺栓属于通用紧固件，其余三个选项均为特定设备专用的专用零件。2.答案：C。解析：焊接、铆接、过盈连接均属于不可拆连接，定位销连接为可拆连接，主要作用是固定零件相对位置，不需要预紧。3.答案：D。解析：弹性滑动是带传动固有特性，不可避免，张紧轮核心作用是调节初拉力，保证带传动的正常传载能力。4.答案：B。解析：硬齿面齿轮齿面硬度高于350HBS，接触强度高，失效首先出现在齿根，主要为疲劳折断。5.答案：B。解析：N类圆柱滚子轴承没有挡边，只能承受径向载荷，6类深沟球轴承可承受少量轴向载荷，3类圆锥滚子轴承可同时承受径向和轴向载荷，5类推力轴承只能承受轴向载荷。6.答案：B。解析：双头螺柱连接拧入被连接件的螺纹孔，拆卸时只需要拧下螺母，不会损伤被连接件的螺纹孔，适合厚壁零件且经常拆卸的场合。7.答案：B。解析：pv值反映轴承的发热情况，验算pv值是为了限制轴承温升，防止胶合失效。8.答案：D。解析：碳纤维增强树脂基复合材料的比强度是合金钢的3~5倍，在同等强度下重量更轻，符合人形机器人关节轻量化的要求。9.答案：B。解析：普通平键连接为静连接，依靠两侧面挤压传载，主要失效形式是工作面的压溃。10.答案：B。解析：谐波减速器单级传动比可达50~500，回程间隙小于1弧分，传动精度远高于普通行星减速器，适合高精度传动场景。三、判断题1.答案：×。解析：弹性滑动是带的弹性变形和拉力差导致的固有特性，只要传递载荷就会存在，无法避免。2.答案：×。解析：合金钢对应力集中的敏感度更高，提高轴的疲劳强度首先要优化结构设计降低应力集中，其次才是选用高性能材料。3.答案：×。解析：蜗杆分度圆直径与头数无直接关联，传动比不等于分度圆直径的反比。4.答案：√。解析：滚动轴承基本额定寿命的定义即为可靠度90%时的运转寿命。5.答案：√。解析：平键的选型标准规定，截面尺寸按轴径选取，长度比轮毂长度短5~10mm。6.答案：√。解析：节线处啮合时相对滑动速度小，润滑油膜难以形成，接触应力大，点蚀首先出现在该位置。7.答案：×。解析：冲击、振动、变载荷工况下，螺纹副间的摩擦力会消失，自锁失效，需要设置防松措施。8.答案：×。解析：谐波减速器柔轮齿数比刚轮少2个，波发生器转一圈，柔轮相对刚轮反向转过2个齿对应的角度，实现大传动比。9.答案：√。解析：润滑油粘度随温度升高下降，高温工况下选用高粘度油才能保证足够的油膜厚度。10.答案：√。解析：靠摩擦力传载的紧螺栓连接，被连接件之间无相对滑移，螺栓仅受预紧拉力，不受剪切应力。四、简答题1.答案：第一，斜齿轮重合度大于直齿轮，传动平稳性更好，噪声更低，适合新能源汽车驱动系统10000r/min以上的高速工况；第二，硬齿面齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度比软齿面齿轮高40%以上，承载能力更强，可大幅减小减速器的体积和重量，符合新能源汽车轻量化的设计要求；第三，硬齿面齿轮的耐磨性更好，维护周期更长，可满足新能源汽车15年或30万公里的寿命要求；第四，斜齿轮的载荷分布更均匀，抗冲击载荷能力更强，适合新能源汽车急加速、急减速时的大扭矩冲击工况。2.答案：预紧的目的是提高螺纹连接的可靠性、紧密性，防止受载后被连接件之间出现缝隙或相对滑移，提升连接的刚度。常用防松措施分为三类：第一类是摩擦防松，典型例子包括双螺母防松、弹簧垫圈防松；第二类是机械防松，典型例子包括开口销与开槽螺母防松、止动垫圈防松；第三类是永久防松，典型例子包括冲点防松、粘接防松、点焊防松。3.答案：第一，谐波减速器单级传动比可达50~500，普通圆柱齿轮减速器要达到同等传动比需要3~4级传动，体积和重量是谐波减速器的3倍以上，不符合人形机器人关节轻量化的设计要求；第二，谐波减速器的传动精度高，回程间隙可控制在1弧分以内，可满足人形机器人高精度运动控制的需求，普通多级圆柱齿轮减速器的回程间隙通常在10弧分以上，无法满足精度要求；第三，谐波减速器同时啮合的齿数可达总齿数的30%以上，承载能力比同体积的普通齿轮减速器高2倍以上，运行更平稳，噪声更低。4.答案：第一，载荷因素，包括载荷的大小、方向和性质：仅受径向载荷时选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承，仅受轴向载荷时选用推力轴承，同时承受径向和轴向载荷时选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，载荷较大或有冲击载荷时优先选用滚子轴承；第二，转速因素，高速工况下优先选用球轴承，精度等级选用P0以上的高精度轴承；第三，调心要求，当两轴安装对中性差或轴的挠曲变形大时，选用调心球轴承或调心滚子轴承；第四，安装拆卸便利性，剖分式安装场景优先选用分离型轴承（如圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承）；第五，经济性，在满足使用要求的前提下优先选用价格更低的深沟球轴承，降低成本。五、分析计算题1.解答：（1）计算单个螺栓所需的预紧力F₀：根据摩擦传载的条件，接合面的摩擦力总和应大于等于横向总载荷乘以可靠性系数，即：f×F₀×z×n=Kf×FΣ其中f=0.2，z=4，n=1，Kf=1.2，FΣ=16000N，代入得：F₀=Kf×FΣ/(f×z×n)=1.2×16000/(0.2×4×1)=24000N（2）计算螺栓所需的最小小径d₁：紧螺栓连接受预紧力时，同时受拉应力和扭转切应力，等效拉应力为1.3倍的纯拉应力，因此强度条件为：σ=1.3F₀/(πd₁²/4)≤[σ]整理得d₁≥√(4×1.3F₀/(π[σ]))代入F₀=24000N，[σ]=120MPa，π=3.14，得：d₁≥√(4×1.3×24000/(3.14×120))=√(124800/376.8)≈√331.2≈18.2mm（3）选取螺栓公称直径：查普通螺纹国家标准，M22螺栓的小径d₁=19.294mm，大于所需最小小径18.2mm，因此所需螺栓的最小公称直径为22mm。2.解答：（1）计算基本参数：传动比u=z₂/z₁=80/20=4小齿轮分度圆直径d₁=m×z₁=3×20=60mm齿宽b=ψd×d₁=1×60=60mm（大齿轮齿宽通常取65mm，计算时取较小值60mm）小齿轮传递的转矩T₁=9.55×10⁶×P/n₁=9.55×10⁶×5.5/1440≈36475.7N·mm（2）代入接触强度公式计算接触应力σH：σH=ZE×√[2KT₁(u+1)/(bd₁²u)]代入参数：ZE=189.8√MPa，K=1.3，T₁=36475.7N·mm，u=4，b=60mm，d₁=60mm，得：根号内部分：2×1.3×36475.7×(4+1)/(60×60²×4)=474184.1/864000≈0.5488开根号后为≈0.7408σH=189.8×0.7408≈140.6MPa（3）强度判断：计算得到的接触应力140.6MPa小于大齿轮的许用接触应力450MPa（大齿轮许用应力更低，取较小值作为校核基准），因此该对齿轮的接触强度满足要求。六、结构设计题