2025年機(jī)械工程師考試機(jī)械設(shè)計工程應(yīng)用能力專項訓(xùn)練試題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、簡述機(jī)械設(shè)計中強(qiáng)度計算與剛度計算的區(qū)別和聯(lián)系，并各舉一個在機(jī)械零件設(shè)計中需要重點考慮強(qiáng)度或剛度的典型例子。二、選擇合適的材料對于機(jī)械零件的性能和壽命至關(guān)重要。請列舉至少三種常用的機(jī)械工程材料（可涵蓋金屬、非金屬或復(fù)合材料），簡要說明它們各自的主要性能特點，并分別說明至少一種它們在機(jī)械零件設(shè)計中的典型應(yīng)用場合。三、某軸傳遞功率P=7.5kW，轉(zhuǎn)速n=150rpm，軸上有一鍵槽。若軸的材料許用彎曲應(yīng)力[σ]=60MPa，軸徑初步估算為d=40mm。請計算該軸允許承受的最大扭矩T（不考慮鍵槽對強(qiáng)度的影響），并簡要說明在精確設(shè)計時需要考慮哪些因素來修正或最終確定軸徑。四、設(shè)計一個簡單的直齒圓柱齒輪傳動。已知輸入軸轉(zhuǎn)速n1=1450rpm，輸出軸轉(zhuǎn)速n2=400rpm，傳動比要求i=3.625。請選擇合適的齒輪類型，確定齒數(shù)z1和z2，并簡述選擇齒數(shù)時需要考慮的主要因素。五、解釋什么是滾動軸承的額定動載荷C和額定壽命L10h。當(dāng)滾動軸承在非額定工況下（如實際載荷P小于額定載荷C，或轉(zhuǎn)速n低于額定轉(zhuǎn)速n0）工作時，其額定壽命L10h會如何變化？請說明原因。六、某軸系采用兩個深溝球軸承支承，分別承受徑向載荷Fr1=3000N和Fr2=5000N，軸系總軸向載荷Fa=1000N，方向如圖所示（此處無圖，假設(shè)Fa作用在Fr2所在端）。軸承的基本額定動載荷Cr=35kN，基本額定靜載荷Ca=25kN。請簡述如何確定該軸系需要選用的最小軸承型號（僅從承載能力和壽命角度考慮），并說明選擇時需要關(guān)注的主要參數(shù)。七、在設(shè)計軸肩結(jié)構(gòu)時，為什么通常需要在軸肩過渡處設(shè)置圓角？如果圓角半徑太小，可能帶來哪些不良后果？為了改善應(yīng)力集中，可以采取哪些措施？八、簡述螺旋壓縮彈簧的設(shè)計過程中，需要確定的主要參數(shù)有哪些？并說明其中兩個關(guān)鍵參數(shù)（例如，彈簧指數(shù)C和材料許用應(yīng)力[σ])選擇時需要考慮的因素。九、試述選擇潤滑劑（潤滑油或潤滑脂）時需要考慮的主要因素。一個特定的機(jī)械零件或機(jī)構(gòu)，在選擇潤滑劑時，為何可能需要考慮多種因素進(jìn)行權(quán)衡？十、對于一個需要長期、可靠運(yùn)行的機(jī)械裝置，在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計時，除了滿足強(qiáng)度、剛度等基本要求外，還應(yīng)考慮哪些與可靠性相關(guān)的因素？請至少列舉三項，并簡要說明其含義。試卷答案一、答：強(qiáng)度計算主要關(guān)注零件抵抗破壞（屈服或斷裂）的能力，通常通過計算應(yīng)力并與材料的許用應(yīng)力比較；剛度計算主要關(guān)注零件抵抗變形的能力，通常通過計算變形量（如撓度、轉(zhuǎn)角）并與允許的變形量比較。兩者聯(lián)系緊密，設(shè)計時往往需要同時滿足強(qiáng)度和剛度要求。例如：機(jī)床主軸設(shè)計既要保證足夠的強(qiáng)度以承受切削力而不失效，也要保證足夠的剛度以抵抗變形，確保加工精度。二、答：常用材料及特點與應(yīng)用舉例：1.45鋼：中碳結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性），易于進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。常用于制造齒輪、軸、銷、螺栓等承受載荷的零件。2.35CrMo：合金調(diào)質(zhì)鋼，具有高的強(qiáng)度、韌性和良好的耐磨性。常用于制造承受重載、高溫或沖擊的零件，如大型齒輪、曲軸、連桿等。3.碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）：密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞性能好。常用于制造航空航天、汽車等領(lǐng)域的輕量化、高性能結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼、賽車車架。三、答：根據(jù)扭矩計算公式T=9550*P/n，允許最大扭矩T=9550*7.5/150=481.25N·m。精確設(shè)計時需要考慮：鍵槽對軸截面削弱的影響（需進(jìn)行應(yīng)力修正系數(shù)計算）、軸上其他載荷（如彎矩）的影響、軸的材料是否均勻、溫度影響、加工精度和表面質(zhì)量等。四、答：選擇直齒圓柱齒輪傳動。齒數(shù)z1=1450/3.625≈400，z2=400*3.625=1450。選擇齒數(shù)時主要考慮：滿足傳動比要求、避免根切（zmin≥17）、齒數(shù)盡量取整數(shù)、根據(jù)載荷和速度選擇合適的模數(shù)m、考慮制造和裝配精度、盡量使兩齒輪齒數(shù)互質(zhì)以減少輪齒磨損不均。五、答：額定動載荷C是指一批相同的滾動軸承在基本額定壽命L10h=1x10^6轉(zhuǎn)時，90%的軸承不發(fā)生疲勞破壞所能承受的載荷。額定壽命L10h與實際載荷P的關(guān)系遵循指數(shù)定律：L10h(L10h=1x10^6轉(zhuǎn))/L10h(P)=(C/P)^p，其中p為壽命指數(shù)（球軸承p≈3，滾子軸承p≈10/3）。當(dāng)實際載荷P小于額定載荷C時，額定壽命L10h會顯著增加（L10h>1x10^6轉(zhuǎn)）。六、答：首先需要根據(jù)徑向載荷Fr1和Fr2判斷哪個軸承承受的合成徑向載荷更大，通常Fa也會參與合成載荷計算。假設(shè)軸承1和軸承2分別承受合成徑向載荷Fr1'和Fr2'。然后根據(jù)Fr1'和Fr2'的大小，選擇其中一個作為計算依據(jù)（通常選擇較大的或同時考慮兩者）。比較Fr1'/Cr和Fr2'/Cr（對于球軸承，當(dāng)量動載荷P=Fr對于純徑向載荷），選擇其中值較小的軸承型號，該值應(yīng)小于1以保證基本額定壽命大于1x10^6轉(zhuǎn)。同時需校核當(dāng)量靜載荷P0≤Ca，確保軸承在靜載荷下不發(fā)生塑性變形。選擇時主要關(guān)注參數(shù)為基本額定動載荷Cr和當(dāng)量動載荷P。七、答：設(shè)置軸肩過渡圓角是為了降低軸肩根部的應(yīng)力集中。如果沒有圓角，應(yīng)力集中會顯著提高局部的應(yīng)力，可能導(dǎo)致材料疲勞裂紋的萌生，從而縮短零件壽命。圓角半徑太小會加劇應(yīng)力集中，可能引起斷裂。改善措施包括：增大圓角半徑（在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)）、采用大圓角過渡結(jié)構(gòu)（如平帶過渡）、在應(yīng)力集中處開減應(yīng)力槽或孔、選用韌性好的材料、進(jìn)行表面強(qiáng)化處理（如噴丸）。八、答：需要確定的主要參數(shù)有：材料、鋼絲直徑d、彈簧中徑D、彈簧指數(shù)C（D/C）、自由高度H0、圈數(shù)n（有效圈數(shù)n1和總?cè)?shù)n）、旋向、許用應(yīng)力[σ]等。選擇彈簧指數(shù)C時需考慮：C過小則曲率大，應(yīng)力高，易產(chǎn)生失穩(wěn)；C過大則曲率小，回彈能力差，彈簧較軟。選擇材料許用應(yīng)力[σ]時需考慮：彈簧的工作條件（載荷性質(zhì)、轉(zhuǎn)速、溫度）、材料的種類和熱處理狀態(tài)、疲勞強(qiáng)度要求、成本等因素，通常靜載荷下用許用強(qiáng)度，疲勞載荷下用許用疲勞應(yīng)力。九、答：選擇潤滑劑時需要考慮的主要因素有：工作溫度、載荷大小與性質(zhì)（轉(zhuǎn)速、接觸形式）、零件材質(zhì)、潤滑方式、精度要求、環(huán)境條件（如污染程度、防水性）、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保要求等。一個特定的機(jī)械零件或機(jī)構(gòu)可能需要考慮多種因素進(jìn)行權(quán)衡，例如，高溫環(huán)境下可能需要選用高粘度或合成潤滑油；重載低速下可能需要選用潤滑脂以提供更好的承載能力；高精度軸承可能對潤滑劑的純凈