2025年機械工程師考試機械設計創(chuàng)新專項訓練試卷考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述機械設計創(chuàng)新在設計活動中的重要性，并列舉至少三種現代機械設計方法及其在創(chuàng)新設計中的應用場景。二、某通用機械軸，傳遞功率P=7.5kW，轉速n=600r/min，軸上安裝一齒輪，分度圓直徑d=200mm，輪齒作用于軸上的力Ft=3500N，力作用在分度圓上，且與軸心線垂直。假設軸材料為45鋼調質處理，許用彎曲應力[σ]彎曲=60MPa。試用簡化模型，繪制該軸的彎矩圖和扭矩圖，并校核其危險截面處的彎曲強度是否足夠。三、設計一個用于將物體從A點水平輸送至B點的簡易自動化輸送裝置的概念方案。要求至少包含兩種不同的基本機構，說明各機構的功能，并簡述整個裝置的工作流程。重點闡述方案的創(chuàng)新點或相比傳統(tǒng)方式的改進之處。四、解釋什么是TRIZ理論中的“矛盾矩陣”，并說明其在解決技術矛盾時的基本思路和應用步驟。請結合一個簡單的機械設計實例（如設計一個能抓取不同形狀物體的夾爪），說明如何運用矛盾矩陣尋找創(chuàng)新的解決方案。五、某零件通過螺栓連接在機床上，承受預緊力F'。工作過程中，螺栓承受的附加外載荷為F，且F的方向和大小可能變化。請解釋螺栓在預緊狀態(tài)下承受的總拉力是如何計算的，并簡述如何根據此情況選擇螺栓的直徑和材料，以避免發(fā)生螺紋剪切破壞或螺栓疲勞破壞。六、在機械設計中，如何體現“綠色設計”的理念？請從材料選擇、結構設計、能源利用、可回收性等方面分別闡述。七、設計一個能夠將水平放置的長方形紙盒自動豎立起來的簡單機械裝置。要求說明裝置的工作原理，至少畫出裝置關鍵部分的示意圖（文字描述即可，無需精確圖形），并分析其關鍵設計點。八、對于需要高精度、高可靠性的機械零件，在進行設計時除了進行必要的強度、剛度計算外，還應考慮哪些方面的因素？請至少列舉五項，并簡述其意義。試卷答案一、機械設計創(chuàng)新是提升產品性能、降低成本、增強市場競爭力、滿足用戶多樣化需求的關鍵。它推動技術進步，促進產業(yè)升級。現代機械設計方法如優(yōu)化設計（可找到最優(yōu)參數組合提升性能或降低成本）、可靠性設計（提高產品在規(guī)定時間內完成規(guī)定功能的概率）、模塊化設計（加速產品開發(fā)，便于維護升級）在創(chuàng)新設計中應用廣泛。例如，優(yōu)化設計可用于優(yōu)化傳動系統(tǒng)效率；可靠性設計用于確保關鍵部件長期穩(wěn)定運行；模塊化設計便于根據市場變化快速推出新機型。二、（1）*簡化模型假設：*軸視為簡支梁，齒輪作用力Ft視為集中載荷，作用在軸的中點（假設齒輪位于軸中）。（2）*彎矩圖繪制：*左支點受Ft力，產生逆時針彎矩FL=Fa*L/2，右支點受Ft力，產生順時針彎矩FR=Fa*L/2。彎矩圖在中間位置（中點）達到最大值M_max=Fa*L/2。彎矩圖呈三角形。（3）*扭矩圖繪制：*軸承受齒輪傳遞的扭矩T=Ft*d/2。扭矩圖在軸的全長上為常數T。（4）*危險截面分析：*危險截面通常在彎矩最大處（軸中點）或同時考慮扭矩（如果考慮扭轉強度）。此處主要校核彎曲強度。（5）*計算最大彎曲應力：*危險截面處的彎矩M_max=Fa*L/2。由于是簡支，Fa=Ft=3500N。假設軸直徑為d軸（未給出，需假設或說明計算需直徑），則抗彎截面系數W≈πd軸^3/32。最大彎曲應力σ_max=M_max/W。若假設軸直徑d軸=40mm（僅為示例計算），則W≈π(40)^3/32=25132mm^3。σ_max=(3500*200/2)/25132≈13.95MPa。（6）*強度校核：*計算得到的σ_max(13.95MPa)小于許用彎曲應力[σ]彎曲(60MPa)。*（注：實際計算需軸的精確直徑）*因此，按此簡化模型和假設，該軸的彎曲強度足夠。三、*概念方案1：*采用帶式輸送機（基本機構：帶傳動、滾筒）。工作流程：物體放置在入口滾筒上，依靠物料自身重量和傳送帶與滾筒間的摩擦力被帶動，沿傳送帶移動，從出口滾筒處被輸送出去。創(chuàng)新點：可增加積放滾筒或變速裝置，實現物體的按需堆積或變速輸送。*概念方案2：*采用機械臂（基本機構：連桿機構、旋轉/移動副）。工作流程：機械臂末端執(zhí)行器（如夾爪）到達A點抓取物體，沿預定路徑運動到B點，釋放物體。創(chuàng)新點：可增加視覺識別系統(tǒng)實現物體自動定位抓取，或采用多自由度設計實現更靈活的姿態(tài)調整。*方案比較與闡述：*帶式輸送機成本低、連續(xù)輸送效率高，但柔性差；機械臂靈活度高、可處理不規(guī)則物體，但成本高、結構復雜。創(chuàng)新點在于結合兩者的優(yōu)點，或針對特定需求進行改進，如增加智能識別、優(yōu)化路徑規(guī)劃等。四、*矛盾矩陣定義：*TRIZ理論中的矛盾矩陣是一個查找表，它列出了400多種常見技術矛盾（即提高系統(tǒng)某一方面性能會降低另一方面性能的矛盾），并給出了每對矛盾對應的最佳創(chuàng)新原理（InventivePrinciples）編號。*解決思路與應用步驟：*（1）*識別技術矛盾：*分析設計問題，確定需要提高的參數（如性能P）和因此而惡化的參數（如尺寸S），找到它們之間的技術矛盾。（2）*查找矛盾矩陣：*在矩陣中找到對應于惡化參數的行和需要提高參數的列交叉處的單元格。（3）*獲取創(chuàng)新原理：*該單元格中列出的原理編號就是解決該技術矛盾的潛在創(chuàng)新原理。（4）*選擇與應用原理：*根據原理編號，查閱各原理的描述和示例，選擇最合適的原理進行方案構思和驗證。*實例應用（抓取不同形狀物體夾爪）：*技術矛盾：提高夾爪適應性/通用性（P）會降低夾持力/剛度（S）。查矛盾矩陣，找到對應項，可能推薦原理如：分割（1）、預先作用（10）、參數改變（40）等。創(chuàng)新方案示例：采用可變形狀夾爪（分割原理），通過氣缸或電機改變爪指形狀；或采用磁力/真空吸附（預先作用/參數改變原理）作為輔助或主要夾持方式，提高對不同材質和形狀物體的適應性。五、*總拉力計算：*螺栓在預緊狀態(tài)下承受的總拉力F_total=預緊力F'+附加外載荷F。預緊力F'使螺栓產生初始拉應力。當作用附加外載荷F時，螺栓會進一步伸長，其總拉力增加F。*螺栓直徑和材料選擇：*（1）*直徑選擇：*主要依據承受的總拉力F_total和許用應力[σ]螺栓。需計算或校核螺栓在F_total作用下的拉應力σ_total=F_total/A（A為螺栓截面積）。要求σ_total≤[σ]螺栓。根據此條件選擇合適的螺栓直徑（公稱直徑）。同時需考慮螺紋部分的剪切強度和擠壓強度。（2）*材料選擇：*螺栓材料需具有足夠的強度（特別是屈服強度）以抵抗拉伸和剪切載荷，良好的塑性和韌性以避免脆性斷裂，以及一定的疲勞強度（如果承受循環(huán)載荷）。常用材料如Q235、35號鋼、45號鋼、合金鋼（如40Cr）。選擇時需考慮載荷大小、工作環(huán)境（溫度、腐蝕）、成本等因素。對于承受較大載荷或疲勞載荷的螺栓，應選用更高強度的材料。六、*綠色設計理念體現：*（1）*材料選擇：*優(yōu)先選用環(huán)境友好材料（如可回收材料、再生材料、低毒無害材料）和輕量化材料（如鋁合金、復合材料），減少資源消耗和環(huán)境影響。（2）*結構設計：模塊化設計便于拆解回收；采用優(yōu)化設計減少材料使用量；易于維護設計延長產品壽命；考慮防污染設計，防止泄漏。（3）*能源利用：提高能源效率，如選用高效電機、優(yōu)化傳動系統(tǒng)；考慮使用清潔能源的可能性。（4）可回收性：在設計初期就考慮產品的生命周期結束后的處理，如采用標準化接口方便拆解，明確材料清單（BOM），確保不同材料能夠有效分離回收。七、*工作原理：*利用重力或杠桿原理。當水平放置的紙盒被輕微抬起一端時，其重心會升高。如果抬起的力矩或傾斜角度足夠大，超過紙盒與接觸面間的靜摩擦力提供的阻止力矩，紙盒就會在自身重力作用下繞接觸點翻轉而豎立起來。*關鍵部分示意圖（文字描述）：*可包含：一個支撐表面（如輸送帶或平臺）；一個施力機構（如氣動推桿或滾輪）；一個導向或觸發(fā)裝置（如限位塊或滾輪組，用于將紙盒推到翻轉點）。*關鍵設計點：*（1）*翻轉點位置：*需精確控制紙盒被抬起的位置，使其重心升高后能順利翻轉而不滑落。（2）*施力方式：*施加的力需剛好能克服靜摩擦力，但不能過大導致紙盒滑走或損壞。（3）*重心設計：*紙盒本身的重心位置對翻轉的easeofoperation有影響。（4）*穩(wěn)定性：*確保翻轉過程穩(wěn)定，紙盒不會發(fā)生側翻或卡住。八、對于高精度、高可靠性的機械零件設計，除了進行必要的強度、剛度計算外，還應考慮：1.精度與公差配合：確保零件尺寸、形位公差符合要求，以保證裝配精度和功能實現。這是保證精度的基礎。2.表面質量：高的表面粗糙度和良好的表面完整性（如硬度、殘余應力）可以提高耐磨性、抗疲勞性和密封性。3.材料選擇與熱處理：選擇合適的材料及其熱處理工藝，以滿足強度、硬度、韌性、耐腐蝕性等要求，并提高疲勞壽命。4.抗疲勞設計：分析零件在循環(huán)載荷下的應力集中情況，采取措施（如優(yōu)化結構、表面處理）提高其疲勞強度，防止疲勞斷裂。5.可靠性設計：