机械设计试题及答案.docx

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机械设计试题及答案

2011年机械设计试题及答案

一、填空题及选择填空题（27分，每空1分）

1．当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现、

和同时存在的现象，这种摩擦状态称为。

2.一公称直径为d=16mm的螺纹副，螺纹头数n=2,螺距p=4mm,螺

纹中径d2=D2=14mm,牙侧角β=15º,螺纹副材料的当量摩擦系数

f′=0.08~0.10,经计算该螺纹副自锁性要求。

a.满足b.不满足

3.导向平键连接的主要失效形式是，设计时通过

限制来进行耐磨性计算；半圆键的缺点

是，所以主要适用于轴端。

4.作为标准普通V带工作面的两侧面夹角为φ=40º，相应的V带轮

轮槽的两侧面夹角则。

a.大于40ºb.小于40ºc.等于40º。

5.传动带所能传递的最大有效圆周力Fmax与、、

等因素有关，它们的值越大，Fmax就越大。

当传递的外载荷超过时，带在带

轮上发生打滑现象；而且在传动比大于1的情况下打滑总是先从小

带轮上开始的，其原因是。

6.齿轮传动的五种主要失效形式中，最严重、必须避免的失效形式

是；软齿面闭式齿轮传动最主要的失效形式是；

高速重载齿轮传动易发生；轮齿的塑性变形常发生在

齿面材料较软、低速重载、频繁起动的传动中。

7.下列齿轮参数中，对齿形系数YF没有影响的是。

a.齿数b.变位系数c.齿顶高系数d.压力角e.模数

8.按国家标准GB/292-93规定，型号7212C/DB轴承的类型为，宽度类型为，精度等级为，公称接触角α=º。

9.对于转动的滚动轴承,其主要失效形式是；对于不转动、低速或摆动的轴承，主要失效形式是；对于高速轴承，

是其主要失效形式。

10.滑动轴承一般由轴颈、轴瓦、轴承座三者组成，其失效形式主要是，主要发生在上。

二、问答题（24分,每小题4分）

1.齿向载荷分布系数Kβ的物理意义是什么？

改善齿向载荷分布不均匀状况的措施有哪些？

2.试述齿轮传动的设计准则。

3.按在支撑轴上零件传递运动和动力时受到的载荷类型的不同，轴分为那几种类型？

并分别举例说明。

4．给出滚动轴承的当量静载荷P0的定义。

5．同滚动轴承相比，液体摩擦滑动轴承有哪些特点？

6．在一些基本假设条件下，流体形成动压的必要条件是什么？

三、分析计算题（29分,第一小题19分，第二小题10分）

1．一重物匀速升降装置采用如图a所示的电机+圆柱蜗杆传动系统，已知蜗杆传动的模数m=8mm，蜗杆头数及分度圆直径分别为z1=1、d1=80mm，蜗轮齿数z2=50，卷筒直径D=250mm。

重物匀速升降的速度v=40m/min，最大载重量W为4kN，工况系数KA按1.0计，试分析、计算提升重物时的下列问题：

1）该装置以40m/min的速度匀速升起重物1m时，蜗杆应转多少转？

并在图中标明蜗杆的转向、蜗轮轮齿旋向、节点位置处蜗杆及蜗轮的受力方向。

（5分）

2）若蜗杆与蜗轮齿面间当量摩擦系数f′=0.18，该机构能否自锁？

（2分）

3）若重物W=4kN，传动装置总的传动效率为η=0.5，试计算出电机的输出转矩Tm应是多少？

（2分）

4）若蜗轮轴采用如图b所示的两个角接触轴承7209C支撑形式,L=100mm，蜗杆传动效率η1=0.7，卷筒、联轴器（连接蜗轮轴与卷筒轴）、蜗轮轴上轴承的效率合计为η2=0.8，轴承7209C的基本额定动载荷和基本额定静载荷分别为C=29800N、C0=23800N,其内部轴向力S=0.4Fr，径向载荷系数X和轴向载荷系数Y分别为0.44和1.36，fT=1.0，fP=1.5，试计算轴承II的寿命Lh为多少小时？

（10分）

2．图c所示为一托架，20kN的载荷作用在托架宽度方向的对称线上，用四个螺栓将托架连接在一钢制横梁上，螺栓的相对刚度为0.3，螺栓组连接采用普通螺栓连接形式，假设被连接件都不会被压溃、也不滑移，试计算:

1）该螺栓组连接的接合面不出现间隙所需的螺栓预紧力F′至少应大于多少？

（接合面的抗弯剖面模量W=12.71×106mm3）（7分）

2）若受力最大螺栓处接合面间的残余预紧力F′′要保证6956N，计算该螺栓所需预紧力F′、所受的总拉力F0。

（3分）

四、结构题（20分）

1．试说明实现轴上零件轴向固定的五种方法，并分别画出相应于各种轴向固定方法的结构图；画出模锻轮坯、腹板式大齿轮在转轴的轴端实现轴向固定与周向固定的结构图（要求齿轮也要画出来）。

（12分）

2．图d和图e为凸缘联轴器的两个半联轴器的将两根轴连接起来的两种形式的部分结构，请将未画出的其余部分补全，成为完整的结构。

（5分）

3.现有成品一级标准圆柱齿轮减速器一台，输入轴与小齿轮采用普通平键连接，轴与小齿轮轮毂配合段轴颈直径d=40mm，该轴段长度l=58mm，键槽长L=50mm,小齿轮轮毂键槽深t1=3.3mm。

为得到比现有减速器更大的减速比，现在需要重新设计、更换该减速器的齿轮。

已知重新设计得到的齿轮模数m=3.0mm,小齿轮齿顶圆直径da1=69mm,齿根圆直径df1=55.5mm，齿宽b1=60mm，如果采用该小齿轮，试根据上述数据进行分析：

该减速器的输入轴是否具有可以继续使用的可能性？

（3分）

一、填空题及选择填空题（27分，每空1分）

1．当动压润滑条件不具备，且边界膜遭破坏时，就会出现流体摩擦、

边界摩擦和干摩擦同时存在的现象，这种摩擦状态称为混合摩擦。

2.一公称直径为d=16mm的螺纹副，螺纹头数n=2,螺距p=4mm,螺

纹中径d2=D2=14mm,牙侧角β=15º,螺纹副材料的当量摩擦系数

f´=0.08~0.10,经计算该螺纹副a自锁性要求。

a.满足b.不满足

3.导向平键连接的主要失效形式是工作面的磨损，设计时通过

限制工作面间的压强来进行耐磨性计算；半圆键的缺点

是键槽对轴强度削弱较大，所以主要适用于轴端。

4.作为标准普通V带工作面的两侧面夹角为φ=40º，相应的V带轮

轮槽的两侧面夹角则b。

a.大于40ºb.小于40ºc.等于40º。

5.传动带所能传递的最大有效圆周力Fmax与初拉力F0、带在小带轮

上的包角α1、带与带轮间的摩擦系数f等因素有关，它们的值越大，

Fmax就越大。

当传递的外载荷超过最大有效圆周力下的承载能力

时，带在带轮上发生打滑现象；而且在传动比大于1的情况下，打

滑总是先从小带轮上开始的，其原因是带在小带轮上的包角小于

大带轮上的包角（或带在大带轮上的包角大于小带轮上的包角）。

6.齿轮传动的五种主要失效形式中，最严重、必须避免的失效形式

是轮齿折断；软齿面闭式齿轮传动最主要的失效形式是齿面疲劳点

蚀；高速重载齿轮传动易发生热胶合；轮齿的塑性变形常发生在

齿面材料较软、低速重载、频繁起动的传动中。

7.下列齿轮参数中，对齿形系数YF没有影响的是e。

a.齿数b.变位系数c.齿顶高系数d.压力角e.模数

8.按国家标准GB/292-93规定，型号7212C/DB轴承的类型为角接触球轴承，宽度类型为窄系列，精度等级为P0，公称接触角α=15º。

9.对于转动的滚动轴承,其主要失效形式是疲劳点蚀,对于不转动、低速或摆动的轴承，主要失效形式是局部塑性变形,对于高速轴承，发热以至胶合是其主要失效形式。

10.滑动轴承一般由轴颈、轴瓦、轴承座三者组成，其失效形式主要是胶合和磨损，主要发生在轴瓦上。

二、问答题（24分,每小题4分）

1.齿向载荷分布系数Kβ的物理意义是什么？

改善齿向载荷分布不均匀状况的措施有哪些？

Kβ的物理意义——考虑沿齿宽方向载荷分布不均匀对轮齿应力的影响系数。

（2分）

措施：

（答出以下7点中3点以下者1分，答出3点以上者2分）

1）齿轮的制造和安装精度↑

2）轴、轴承及机体的刚度↑

3）齿轮在轴上的布置——合理选择

4）轮齿的宽度——设计时合理选择

5）采用软齿面——通过跑合使载荷均匀

6）硬齿面齿轮——将齿端修薄、或做成鼓形齿

7）齿轮要布置在远离转矩输入端的位置。

2.试述齿轮传动的设计准则

评分标准：

以下4点各点1分

（1）软齿面闭式齿轮传动：

通常先按齿面接触疲劳强度进行设计，然后校核齿根弯曲疲劳强度。

（2）硬齿面式齿轮传动：

通常先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后校核齿面接触疲劳强度。

（3）高速重载齿轮传动，还可能出现齿面胶合，故需校核齿面胶合强度。

（4）开式齿轮传动：

目前多是按齿根弯曲疲劳强度进行设计，并考虑磨损的影响将模数适当增大（加大10~15%）。

3.按照轴所受载荷类型的不同，轴分为那几种类型？

并分别举例说明。

评分标准：

以下3点各点1分，举例正确合计1分。

（1）仅受弯矩M的轴——心轴，只起支撑零件作用，如自行车前轴。

（2）仅受转矩T的轴——传动轴，只传递运动和转矩不起支撑作用，如汽车后轮传动轴。

（3）既受弯矩又受转矩的轴——转轴，既起支撑又起传运动和转矩作用，如减速器的输出轴。

4．给出滚动轴承的当量静载荷P0的定义。

当量静载荷是一个假想载荷，其作用方向与基本额定静负荷相同，而在当量静载荷作用下，轴承的受载最大滚动体与滚道接触处的塑性变形总量与实际载荷作用下的塑性变形总量相同。

（4分）

5．同滚动轴承相比，液体摩擦滑动轴承有哪些特点？

评分标准：

以下6点中，答出1~2点2分，答出3~4点分3分，答出5~6点4分

1）在高速重载下能正常工作，寿命长；

2）精度高；滚动轴承工作一段时间后，旋转精度↓

3）滑动轴承可以做成剖分式的—能满足特殊结构需要。

如曲轴上的轴承；

4）液体摩擦轴承具有很好的缓冲和阻尼作用，可以吸收震动，缓和冲击。

5）滑动轴承的径向尺寸比滚动轴承的小。

6）起动摩擦阻力较大。

6．在一些基本假设条件下，流体形成动压的必要条件是什么？

评分标准：

答出1点2分，答出2点3分，答出3点4分

1）流体必须流经收敛间隙,而且间隙倾角越大则产生的油膜压力越大。

2）流体必须有足够的速度；

3）流体必须是粘性流体。

三、分析计算题（29分,第一小题19分，第二小题10分）

1．一重物匀速升降装置采用如图a所示的电机+圆柱蜗杆传动系统，已知蜗杆传动的模数m=8mm，蜗杆头数及分度圆直径分别为z1=1、d1=80mm，蜗轮齿数z2=50，卷筒直径D=250mm。

重物匀速升降的速度v=40m/min，最大载重量W为4kN，工况系数KA按1.0计，试分析、计算提升重物时的下列问题：

1）该装置以40m/min的速度匀速升起重物1m时，蜗杆应转多少转？

并在图中标明蜗杆的转向、蜗轮轮齿旋向、节点位置处蜗杆及蜗轮的受力方向。

（5分）

2）若蜗杆与蜗轮齿面间当量摩擦系数f′=0.18，该机构能否自锁？

（2分）

3）若重物W=4kN，传动装置总的传动效率为η=0.5，试计算出电机的输出转矩Tm应是多少？

（2分）

4）若蜗轮轴采用如图b所示的两个角接触轴承7209C支撑形式,L=100mm，蜗杆传动效率η1=0.7，卷筒、联轴器（连接蜗轮轴与卷筒轴）、蜗轮轴上轴承的效率合计为η2=0.8，轴承7209C的基本额定动载荷和基本额定静载荷分别为C=29800N、C0=23800N,其内部轴向力S=0.4Fr，径向载荷系数X和轴向载荷系数Y分别为0.44和1.36，fT=1.0，fP=1.5，试计算轴承II的寿命Lh为多少小时？

（10分）

1）蜗杆转：

1*50/（3.14*D）=50/（3.14*0.25）=63.69（转）（1分）

蜗轮转速：

40/（3.14*0.25）=50.96r/min

蜗杆转向（1分）、蜗轮轮齿旋向（1分）、蜗轮蜗杆受力分析方向如图所示（2分）。

2）写出公式得1分，结论正确得1分。

结论：

该机构满足自锁性条件。

3）写出公式得1.5分，结论正确得0.5分。

4）公式、步骤都正确得9分（其中：

轴承寿命计算公式占5分），计算结果正确得1分。

2．图c所示为一托架，20kN的载荷作用在托架宽度方向的对称线上，用四个螺栓将托架连接在一钢制横梁上，螺栓的相对刚度为0.3，螺栓组连接采用普通螺栓连接形式，假设被连接件都不会被压溃，试计算:

1）该螺栓组连接的接合面不出现间隙所需的螺栓预紧力F´至少应大于多少？

（接合面的抗弯剖面模量W=12.71×106mm3）（7分）

2）若受力最大螺栓处接合面间的残余预紧力F´´要保证6956N，计算该螺栓所需预紧力F´、所受的总拉力F0。

（3分）

1）

（1）、螺栓组联接受力分析：

将托架受力情况分解成下图所示的受轴向载荷Q和受倾覆力矩M的两种基本螺栓组连接情况分别考虑。

（2分）

（2）计算受力最大螺栓的工作载荷F：

（1分）

Q使每个螺栓所受的轴向载荷均等，为

倾覆力矩M使左侧两个螺栓工作拉力减小；使右侧两个螺栓工作拉力增加，其值为：

显然，轴线右侧两个螺栓所受轴向工作载荷最大，均为：

（3）根据接合面间不出现间隙条件确定螺栓所需的预紧力F’：

（4分）

预紧力F’的大小应保证接合面在轴线右侧不能出现间隙，即：

2）若F’’=6956N，则：

（3分）

四、结构题（20分）

1．试说明实现轴上零件轴向固定的五种方法，并分别画出相应于各种轴向固定方法的结构图；画出模锻轮坯、腹板式大齿轮在转轴的轴端实现轴向固定与周向固定的结构图（要求齿轮也要画出来）。

（12分）

评分标准：

轴向固定：

五种方法每种方法各0.5分，每画对一种结构1分；齿轮（2.5分）在轴端实现周向固定（普通平键）（1分）和轴向固定（轴肩和轴端挡板）（1分）4.5分。

2．图d和图e为凸缘联轴器的两个半联轴器的将两根轴连接起来的两种形式的部分结构，请将未画出的其余部分补全，成为完整的结构。

（5分）

3.现有成品一级标准圆柱齿轮减速器一台，输入轴与小齿轮采用普通平键连接，轴与小齿轮轮毂配合段轴颈直径d=40mm，该轴段长度l=58mm，键槽长L=50mm,小齿轮轮毂键槽深t1=3.3mm。

为得到比现有减速器更大的减速比，现在需要重新设计、更换齿轮。

已知重新设计得到的齿轮模数m=3.0mm,小齿轮齿顶圆直径da1=69mm,齿根圆直径df1=55.5mm，齿宽b1=60mm，如果采用该小齿轮，试根据上述数据进行分析：

该减速器的输入轴是否具有可以继续使用的可能性？

（3分）

标准答案：

该小齿轮能否做成齿轮与轴分开决定了这根输入轴能否继续被使用的首要条件：

结论：

按着这根轴设计小齿轮轮毂结构必须做成齿轮与轴为一体的轴齿轮形式，因此，如果采用该小齿轮，原输入轴不能继续被使用，必须重新设计输入轴。