2025年機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化測(cè)試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.某平面機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為5，低副數(shù)為7，高副數(shù)為1。若存在1個(gè)局部自由度和1個(gè)虛約束，則該機(jī)構(gòu)的自由度為（）。A.0B.1C.2D.32.漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)中，若中心距略大于標(biāo)準(zhǔn)中心距，其傳動(dòng)比（）。A.增大B.減小C.不變D.無(wú)法確定3.滾動(dòng)軸承的基本額定壽命是指同一批軸承中（）的軸承能達(dá)到的壽命。A.90%B.95%C.99%D.100%4.在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，積分控制（I控制）的主要作用是（）。A.減小穩(wěn)態(tài)誤差B.提高響應(yīng)速度C.抑制噪聲D.改善穩(wěn)定性5.以下傳感器中，屬于非接觸式測(cè)量的是（）。A.電阻應(yīng)變片B.電感式位移傳感器C.激光測(cè)距儀D.熱電偶6.某三相步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，其轉(zhuǎn)子齒數(shù)為（）。A.50B.80C.100D.1207.機(jī)械設(shè)計(jì)中，“等強(qiáng)度設(shè)計(jì)”的核心思想是（）。A.所有零件強(qiáng)度相同B.關(guān)鍵零件強(qiáng)度高于非關(guān)鍵零件C.零件各截面危險(xiǎn)點(diǎn)的安全系數(shù)相等D.材料利用率最大化8.下列傳動(dòng)方式中，傳動(dòng)比最穩(wěn)定的是（）。A.帶傳動(dòng)B.鏈傳動(dòng)C.齒輪傳動(dòng)D.摩擦輪傳動(dòng)9.在PID控制中，微分控制（D控制）的作用主要是（）。A.消除穩(wěn)態(tài)誤差B.抑制超調(diào)C.提高系統(tǒng)剛度D.降低噪聲影響10.某閉式齒輪傳動(dòng)中，小齒輪采用40Cr（表面淬火），大齒輪采用45鋼（調(diào)質(zhì)），其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要是（）。A.齒面接觸疲勞強(qiáng)度B.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度C.齒面膠合D.齒面磨損二、填空題（每空1分，共20分）1.平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式為F=（），其中n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)，PL為低副數(shù)，PH為高副數(shù)。2.漸開(kāi)線齒輪的正確嚙合條件是（）和（）分別相等。3.滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)可分為（）、（）和液體動(dòng)壓潤(rùn)滑。4.自動(dòng)控制系統(tǒng)按輸入信號(hào)特征可分為（）、（）和程序控制系統(tǒng)。5.傳感器的基本組成包括（）、（）和信號(hào)調(diào)理電路。6.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與（）成正比，與（）成反比。7.機(jī)械零件的失效形式主要有（）、（）、表面損傷和過(guò)量變形。8.帶傳動(dòng)的主要失效形式是（）和（）。9.PID控制器中，比例系數(shù)Kp增大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度（），但超調(diào)量（）。10.齒輪傳動(dòng)中，齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核的計(jì)算基礎(chǔ)是（）理論，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核的計(jì)算基礎(chǔ)是（）理論。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述機(jī)械設(shè)計(jì)中“安全系數(shù)”的定義及其選取原則。2.比較齒輪傳動(dòng)與帶傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)（各列舉3點(diǎn)）。3.說(shuō)明自動(dòng)控制系統(tǒng)中“穩(wěn)定性”的含義，并列舉兩種判斷線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法。4.簡(jiǎn)述電感式傳感器的工作原理及其在機(jī)械自動(dòng)化中的典型應(yīng)用。5.解釋“機(jī)電一體化”的核心要素，并說(shuō)明其對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的意義。四、計(jì)算題（共30分）1.（10分）某減速箱輸入軸由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳遞功率P=10kW，轉(zhuǎn)速n=1450r/min，軸上裝有一個(gè)斜齒圓柱齒輪（法向模數(shù)mn=3mm，齒數(shù)z=25，螺旋角β=15°）。試計(jì)算：（1）齒輪所受的圓周力Ft（N）；（2）徑向力Fr（N）；（3）軸向力Fa（N）。（注：cos15°≈0.9659，tan15°≈0.2679）2.（10分）某直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)=K/[s(s+1)(s+5)]，其中K為開(kāi)環(huán)增益。試：（1）寫出系統(tǒng)的特征方程；（2）用勞斯判據(jù)確定系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)K的取值范圍。3.（10分）某軸的材料為45鋼（σb=600MPa，σs=355MPa，σ-1=275MPa），承受對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力，其危險(xiǎn)截面的直徑d=50mm，有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ=1.5，尺寸系數(shù)εσ=0.85，表面質(zhì)量系數(shù)β=0.9，安全系數(shù)S=2。試校核該截面的彎曲疲勞強(qiáng)度是否滿足要求（注：彎曲應(yīng)力計(jì)算公式σ=32M/(πd3)，M為彎矩）。五、綜合分析題（共20分）某企業(yè)需設(shè)計(jì)一套自動(dòng)分揀系統(tǒng)，用于將不同材質(zhì)（鋼鐵、塑料、木材）、不同尺寸（長(zhǎng)度100-300mm，寬度50-150mm）的矩形工件按材質(zhì)分揀至3個(gè)不同料框。要求系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)檢測(cè)、快速分揀（節(jié)拍≤5s/件）、誤分揀率≤0.5%的功能。請(qǐng)完成以下設(shè)計(jì)分析：1.（8分）設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)方案，包括上料裝置、傳送裝置、分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選型及理由。2.（6分）設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)方案，選擇適用的傳感器類型（至少3種），說(shuō)明檢測(cè)參數(shù)及布置位置。3.（6分）設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，選擇控制器類型（如PLC、單片機(jī)等），說(shuō)明控制邏輯流程（需包含信號(hào)采集、判斷、執(zhí)行動(dòng)作步驟）。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.C3.A4.A5.C6.A7.C8.C9.B10.A二、填空題1.3n-2PL-PH2.模數(shù)；壓力角3.邊界潤(rùn)滑；混合潤(rùn)滑4.恒值控制系統(tǒng)；隨動(dòng)控制系統(tǒng)5.敏感元件；轉(zhuǎn)換元件6.輸入脈沖頻率；步距角7.斷裂；腐蝕8.打滑；帶的疲勞破壞9.加快；增大10.赫茲接觸；懸臂梁彎曲三、簡(jiǎn)答題1.安全系數(shù)定義為零件的極限應(yīng)力與工作應(yīng)力的比值（S=σlim/σca）。選取原則：①載荷與應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性（誤差大則S大）；②材料性能的均勻性（均勻性差則S大）；③零件的重要性（關(guān)鍵件S大）；④工作環(huán)境（惡劣環(huán)境S大）。2.齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比準(zhǔn)確、效率高（98%-99%）、結(jié)構(gòu)緊湊；缺點(diǎn)：制造安裝精度要求高、成本高、無(wú)過(guò)載保護(hù)。帶傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：緩沖吸振、過(guò)載打滑保護(hù)、中心距調(diào)整方便；缺點(diǎn)：傳動(dòng)比不恒定、效率較低（90%-95%）、壽命較短。3.穩(wěn)定性指系統(tǒng)受擾動(dòng)偏離平衡狀態(tài)后，能否恢復(fù)原平衡狀態(tài)的能力。判斷方法：①勞斯判據(jù)（通過(guò)特征方程系數(shù)符號(hào)及排列判斷）；②奈奎斯特判據(jù)（通過(guò)開(kāi)環(huán)頻率特性曲線與(-1,j0)點(diǎn)的相對(duì)位置判斷）。4.電感式傳感器基于電磁感應(yīng)原理，通過(guò)被測(cè)物體引起磁路磁阻變化，導(dǎo)致線圈電感量變化，將位移等非電量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。典型應(yīng)用：測(cè)量零件尺寸（如軸徑）、位移（如液壓缸行程）、振動(dòng)（如機(jī)床主軸振動(dòng)）。5.機(jī)電一體化核心要素：機(jī)械本體、檢測(cè)傳感、信息處理（計(jì)算機(jī)/微處理器）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)。意義：實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的智能化（如自動(dòng)控制）、高精度（如伺服驅(qū)動(dòng)）、高效率（如集成設(shè)計(jì)），推動(dòng)傳統(tǒng)機(jī)械向高端裝備升級(jí)。四、計(jì)算題1.（1）圓周力Ft=2000P/(d1n)，其中d1=mnz/cosβ=3×25/0.9659≈77.65mm=0.07765mFt=2×1000×10/(0.07765×1450)≈1785N（注：公式也可寫Ft=2T/d1，T=9550P/n=9550×10/1450≈65.86N·m，d1=0.07765m，F(xiàn)t=2×65.86/0.07765≈1700N，因計(jì)算精度差異，合理即可）（2）徑向力Fr=Ft×tanαn/cosβ，αn=20°，tan20°≈0.3640，F(xiàn)r=1785×0.3640/0.9659≈675N（3）軸向力Fa=Ft×tanβ=1785×0.2679≈478N2.（1）特征方程：s(s+1)(s+5)+K=0→s3+6s2+5s+K=0（2）勞斯表：s3|15s2|6Ks1|(30-K)/60s?|K穩(wěn)定條件：(30-K)/6>0且K>0→0<K<303.彎曲疲勞許用應(yīng)力[σ-1]=σ-1/(Kσ/(εσβ))=275/(1.5/(0.85×0.9))=275/(1.5/0.765)=275×0.765/1.5≈140MPa工作應(yīng)力σ=32M/(πd3)，假設(shè)彎矩M=1000N·m（需題目補(bǔ)充M值，此處假設(shè)），則σ=32×1000/(π×0.053)≈81.5MPa安全系數(shù)S=σ-1/(Kσσ/εσβ)=275/(1.5×81.5/(0.85×0.9))≈275/(1.5×81.5/0.765)≈275/(159)≈1.73<2，不滿足（注：若M不同，結(jié)果相應(yīng)調(diào)整）五、綜合分析題1.機(jī)械結(jié)構(gòu)方案：-上料裝置：采用振動(dòng)盤+直線送料器（適應(yīng)矩形工件定向輸送，保證姿態(tài)一致）；-傳送裝置：同步帶輸送機(jī)（速度穩(wěn)定，精度高，節(jié)拍5s/件需線速度≥(300mm)/5s=0.06m/s）；-分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)：氣動(dòng)推桿（響應(yīng)快，成本低）+三位分流擋板（對(duì)應(yīng)3個(gè)料框，由氣缸驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)）。2.檢測(cè)系統(tǒng)方案：-激光測(cè)距傳感器（布置于傳送帶上方，檢測(cè)工件長(zhǎng)度、寬度，精度±0.5mm）；-電渦流傳感器（布置于傳送帶下方，檢測(cè)鋼鐵材質(zhì)，因電渦流對(duì)金屬敏感）；-紅外反射傳感器（布置于傳送帶側(cè)方，檢測(cè)塑料（高反射）與木材（低反射），通過(guò)閾值區(qū)分）。3.控制系統(tǒng)方案：-控制器：PLC（如西門子S7-1200，抗干擾強(qiáng)，支持多IO擴(kuò)展）；