2025年注冊(cè)機(jī)械工程師考試機(jī)械設(shè)計(jì)綜合能力全真試卷考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡(jiǎn)述機(jī)構(gòu)自由度的意義及其計(jì)算方法。在計(jì)算平面機(jī)構(gòu)自由度時(shí)，應(yīng)注意哪些特殊情況的處理？二、試述螺栓連接的基本類型。對(duì)于承受靜載荷的普通螺栓連接，其主要失效形式有哪些？采用哪種強(qiáng)度計(jì)算方法？為什么？三、簡(jiǎn)述軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求。在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何確定軸的直徑？軸上零件（如齒輪、軸承）的軸向固定通常采用哪些方法？四、試比較下列四種材料：Q235鋼、45鋼、40Cr鋼、38CrMoAl鋼在性能上的主要區(qū)別，并說(shuō)明各自的主要應(yīng)用場(chǎng)合。五、簡(jiǎn)述機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的自由度概念。什么是臨界轉(zhuǎn)速？為什么高速旋轉(zhuǎn)軸需要避免在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行？六、什么是公差與配合？國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的公差等級(jí)和基本偏差分別表示什么意義？簡(jiǎn)述基準(zhǔn)制的選擇原則。七、簡(jiǎn)述滑動(dòng)軸承與滾動(dòng)軸承的主要區(qū)別。根據(jù)工作條件選擇滑動(dòng)軸承或滾動(dòng)軸承時(shí)應(yīng)考慮哪些因素？八、試述帶傳動(dòng)的主要失效形式。提高帶傳動(dòng)承載能力的主要途徑有哪些？九、簡(jiǎn)述齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算和彎曲強(qiáng)度計(jì)算的基本原理。影響齒輪接觸強(qiáng)度的主要因素有哪些？十、如圖所示（此處無(wú)圖，請(qǐng)根據(jù)題意自行想象或描述），一軸上安裝有一個(gè)斜齒輪。已知斜齒輪的模數(shù)m=3mm，齒數(shù)z=24，螺旋角β=15°，傳遞功率P=10kW，轉(zhuǎn)速n=600r/min，載荷有輕微沖擊。試計(jì)算該斜齒輪所受的圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa的大小。（重力忽略不計(jì)）十一、簡(jiǎn)述彈簧的功用。按受力形式不同，彈簧可分為哪幾種基本類型？十二、某軸用45鋼制成，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后工作。軸上安裝有一個(gè)鍵連接的齒輪，傳遞扭矩T=200N·m。若鍵的尺寸選用為b×h×l=14mm×9mm×100mm，鍵連接處的許用切應(yīng)力[τ]=100MPa，許用擠壓應(yīng)力[σp]=220MPa。試校核該鍵連接的強(qiáng)度。十三、簡(jiǎn)述液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比的主要優(yōu)缺點(diǎn)。十四、設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)單的起重裝置，要求使用一卷筒和一套滑輪組。已知起重量G=50kN，卷筒直徑D=200mm，滑輪組采用起重鏈，許用拉力[σ]=80MPa。試確定滑輪組的最小直徑d以及所需起重鏈的破斷拉力Fb。（不考慮滑輪組效率）十五、某機(jī)械零件的材料為QT600-2，工作在交變應(yīng)力條件下，其疲勞極限σ-1=380MPa，平均應(yīng)力σm=100MPa。試近似估算其疲勞強(qiáng)度系數(shù)γf、疲勞強(qiáng)度指數(shù)βf和疲勞壽命系數(shù)ηf。（提示：可參考相關(guān)疲勞曲線圖或公式進(jìn)行估算）試卷答案一、機(jī)構(gòu)自由度是機(jī)構(gòu)相對(duì)于確定參考系獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。計(jì)算方法依據(jù)Grubler公式或Kutzbach公式，對(duì)于平面機(jī)構(gòu)，自由度F=3n-2pL-pH，其中n為構(gòu)件數(shù)，pL為低副數(shù)，pH為高副數(shù)。計(jì)算時(shí)注意：1)省略移動(dòng)副；2)復(fù)合鉸鏈的處理，即n個(gè)構(gòu)件組成的復(fù)合鉸鏈包含n-1個(gè)低副；3)局部自由度的處理，如滾子摩擦不計(jì)；4)局部約束的處理，如虛約束。二、螺栓連接類型主要有普通螺栓連接、鉸制孔螺栓連接、螺柱連接和緊定螺釘連接。承受靜載荷的普通螺栓連接主要失效形式為螺栓的拉伸強(qiáng)度破壞和螺母的剪切或擠壓破壞。強(qiáng)度計(jì)算主要依據(jù)拉伸強(qiáng)度條件，計(jì)算螺栓的危險(xiǎn)截面拉應(yīng)力σ=F1/Ae≤[σ]，其中F1為螺栓所受拉力，Ae為螺栓有效截面積。采用此方法是因?yàn)槠胀菟ㄟB接中，螺栓桿與孔之間有間隙，主要依靠螺栓桿受拉來(lái)承受外載荷。三、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：1)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；2)良好的耐磨性和抗疲勞性；3)軸上零件定位可靠、固定可靠；4)裝拆方便、維護(hù)容易；5)結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單輕便。確定軸的直徑通常依據(jù)強(qiáng)度條件，對(duì)于初步設(shè)計(jì)，可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算，即τ=T/Wt≤[τ]，估算直徑d；對(duì)于具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需根據(jù)軸上載荷進(jìn)行詳細(xì)的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算，確定各段軸徑。軸上零件的軸向固定方法主要有：1)軸肩和軸環(huán)；2)螺紋；3)鎖緊螺母和墊圈；4)圓螺母和止動(dòng)墊圈；5)端蓋；6)彈性擋圈。四、Q235鋼為低碳鋼，強(qiáng)度低，塑性好，焊接性好，成本低，主要用于不重要零件或受力不大、只要求較高塑性的零件。45鋼為優(yōu)質(zhì)中碳鋼，強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性均較好，可通過(guò)熱處理顯著提高性能，應(yīng)用廣泛，常用于制造一般要求的軸、銷、齒輪等零件。40Cr鋼為優(yōu)質(zhì)合金中碳鋼，淬透性較好，經(jīng)熱處理后可獲得高綜合力學(xué)性能，常用于制造重要的齒輪、軸、連桿等零件。38CrMoAl鋼為合金調(diào)質(zhì)鋼，具有高表面硬度（通過(guò)氮化處理）和高心部韌性，常用于制造要求高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度的重要零件，如齒輪、軸、主軸等。五、機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的自由度是指確定系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)。臨界轉(zhuǎn)速是指轉(zhuǎn)子在特定轉(zhuǎn)速下發(fā)生劇烈振動(dòng)（共振）的轉(zhuǎn)速。高速旋轉(zhuǎn)軸需要避免在臨界轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，因?yàn)樵诖宿D(zhuǎn)速下，軸的變形會(huì)急劇增大，可能導(dǎo)致軸及支承系統(tǒng)的破壞、劇烈噪聲和振動(dòng)，影響設(shè)備安全運(yùn)行。六、公差與配合是指零件尺寸的允許變動(dòng)范圍及其組合關(guān)系。公差等級(jí)表示尺寸精確程度的等級(jí)，等級(jí)越低，精度越低，加工越容易，成本越低?；酒钍侵冈谝粋€(gè)公差帶中，靠近基本尺寸的一側(cè)偏差，它決定了公差帶相對(duì)于基本尺寸的位置。選擇基準(zhǔn)制原則：1)優(yōu)先采用基孔制，因?yàn)榭妆容S難加工，采用基孔制可減少刀具、量具的品種和數(shù)量，降低成本；2)只有在需要采用不同公差帶的軸與孔配合時(shí)，或?yàn)榱双@得更好的配合性質(zhì)時(shí)，才考慮基軸制；3)同一尺寸組內(nèi)，盡可能選用同一基準(zhǔn)制。七、滑動(dòng)軸承與滾動(dòng)軸承的主要區(qū)別：1)工作原理：滑動(dòng)軸承利用軸與軸承之間的潤(rùn)滑劑形成油膜進(jìn)行摩擦；滾動(dòng)軸承利用滾動(dòng)體（球或滾子）將載荷傳遞。2)承載能力：滾動(dòng)軸承承載能力相對(duì)較低，但極限轉(zhuǎn)速高。3)結(jié)構(gòu)：滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)內(nèi)部游隙，可自行補(bǔ)償磨損。4)噪音：滾動(dòng)軸承噪音相對(duì)較大。5)成本：滾動(dòng)軸承成本較高。選擇時(shí)應(yīng)考慮：1)載荷大小和方向；2)轉(zhuǎn)速高低；3)工作條件（溫度、環(huán)境）；4)安裝維護(hù)要求；5)成本限制。一般高速、輕載、要求噪音低、安裝方便可選滾動(dòng)軸承；重載、低速、有沖擊、要求自潤(rùn)滑、成本低可選滑動(dòng)軸承。八、帶傳動(dòng)的主要失效形式：1)打滑：主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速因摩擦力不足而無(wú)法帶動(dòng)從動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)；2)疲勞破壞：帶長(zhǎng)期受交變應(yīng)力作用，產(chǎn)生裂紋并最終斷裂，或帶與帶輪接觸面磨損。提高承載能力的主要途徑：1)增大初拉力；2)增大帶輪直徑；3)選用較高強(qiáng)度等級(jí)的帶；4)適當(dāng)增大帶速（有一定限度）；5)采用多根帶傳動(dòng)；6)改善帶與帶輪的摩擦條件（如增大包角、表面處理）。九、齒輪接觸強(qiáng)度計(jì)算基于赫茲接觸應(yīng)力理論，計(jì)算齒面接觸應(yīng)力，校核其是否低于材料的許用接觸應(yīng)力，主要考慮齒面接觸斑點(diǎn)的形成和尺寸。彎曲強(qiáng)度計(jì)算基于彎曲正應(yīng)力公式，計(jì)算齒根處的彎曲應(yīng)力，校核其是否低于材料的許用彎曲應(yīng)力。影響齒輪接觸強(qiáng)度的主要因素：1)齒輪材料及其硬度；2)齒輪尺寸（模數(shù)、齒數(shù)、齒寬）；3)齒輪幾何形狀（齒廓曲線）；4)齒輪精度（影響接觸斑點(diǎn)大?。?；5)載荷大小和性質(zhì)；6)潤(rùn)滑條件。十、計(jì)算斜齒輪參數(shù)：分度圓直徑de=m*z=3*24=72mm。圓周力Ft=T*2*de/=4444.4N。徑向力Fr=Ft*tanβ=4444.4*tan15°=1178.1N。軸向力Fa=Ft*tanα'tanβ=4444.4*tan20°*tan15°=1487.6N。（注：此處α'tanα'為當(dāng)量齒形角與螺旋角的關(guān)系，題目未給α'，通常取標(biāo)準(zhǔn)值α'=20°，若題目有具體值需代入）十一、彈簧功用：1)力的儲(chǔ)存與釋放；2)緩沖吸振；3)控制運(yùn)動(dòng)；4)保持零件位置或夾緊。按受力形式可分為：1)拉伸彈簧；2)壓縮彈簧；3)扭轉(zhuǎn)彈簧；4)彎曲彈簧。十二、校核鍵連接強(qiáng)度：首先校核剪切強(qiáng)度，τ=Ft/A≈4*Ft/=28.6N。顯然此力遠(yuǎn)小于許用值，故連接強(qiáng)度足夠。（注：此處計(jì)算基于簡(jiǎn)化模型，實(shí)際強(qiáng)度取決于鍵的具體位置和受力分配）十三、液壓傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：1)動(dòng)力傳遞平穩(wěn)，無(wú)沖擊；2)易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；3)可實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑；4)便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、過(guò)載保護(hù)；5)結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作響應(yīng)快。缺點(diǎn)：1)效率相對(duì)較低（有泄漏和能量損失）；2)對(duì)油溫變化敏感（需冷卻或加熱）；3)不宜在惡劣環(huán)境下工作（油液易污染）；4)成本較高；5)安全性要求高（需防爆）。與機(jī)械傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)靈活方便，但精度和維護(hù)要求高。與電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)功率密度大，力/力矩傳遞直接，但響應(yīng)速度和精度可能稍遜。十四、確定滑輪組最小直徑d：通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或標(biāo)準(zhǔn)，或根據(jù)鋼絲繩直徑選擇。一般d≥*6=24~36mm。取d=30mm。確定起重鏈破斷拉力Fb：Fb≥K*Q，其中Q為起重量，K為安全系數(shù)。假設(shè)選用中等級(jí)安全系數(shù)K=5，則Fb≥5*50=250kN。（注