機(jī)械設(shè)計試題和答案及解析一、選擇題（每題3分，共30分）1.普通螺栓連接中，螺栓桿與被連接件孔之間的關(guān)系是（）。A.螺栓桿與孔之間有間隙，靠摩擦力傳遞載荷B.螺栓桿與孔之間無間隙，靠剪切和擠壓傳遞載荷C.螺栓桿與孔之間過盈配合，靠過盈力傳遞載荷D.螺栓桿與孔之間過渡配合，靠摩擦力和剪切力共同傳遞載荷2.帶傳動中，若小帶輪為主動輪，則帶的最大應(yīng)力發(fā)生在（）。A.小帶輪與帶的接觸處的緊邊側(cè)B.大帶輪與帶的接觸處的緊邊側(cè)C.小帶輪與帶的接觸處的松邊側(cè)D.大帶輪與帶的接觸處的松邊側(cè)3.一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，若中心距不變，增大模數(shù)m，減小齒數(shù)z?和z?（保持z?/z?不變），則（）。A.齒面接觸疲勞強(qiáng)度降低，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度提高B.齒面接觸疲勞強(qiáng)度提高，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度降低C.齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度均提高D.齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度均降低4.滾動軸承的基本額定壽命是指（）。A.一批同型號軸承中90%的軸承發(fā)生點蝕前的總轉(zhuǎn)數(shù)B.單個軸承發(fā)生點蝕前的總轉(zhuǎn)數(shù)C.一批同型號軸承中10%的軸承發(fā)生點蝕前的總轉(zhuǎn)數(shù)D.單個軸承在額定載荷下的工作壽命5.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軸肩的主要作用是（）。A.提高軸的強(qiáng)度B.便于軸的加工C.實現(xiàn)軸上零件的軸向定位D.實現(xiàn)軸上零件的周向定位6.螺紋連接預(yù)緊的主要目的是（）。A.增加連接的剛性和緊密性B.提高螺紋的抗拉強(qiáng)度C.防止螺紋發(fā)生塑性變形D.減少螺紋的應(yīng)力集中7.蝸桿傳動中，通常將蝸桿的材料選為（）。A.45鋼（表面淬火）B.灰鑄鐵C.錫青銅D.鋁合金8.滑動軸承的寬徑比（B/d）過大時，最可能出現(xiàn)的問題是（）。A.軸承溫升過高B.油膜難以形成C.端泄量增大，承載能力下降D.軸的撓曲變形導(dǎo)致偏載9.齒輪傳動中，齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計算依據(jù)是（）。A.齒面的點蝕失效B.齒面的磨損失效C.齒根的彎曲疲勞斷裂D.齒面的膠合失效10.聯(lián)軸器與離合器的主要區(qū)別是（）。A.聯(lián)軸器可補(bǔ)償兩軸偏移，離合器不能B.聯(lián)軸器只能在停機(jī)時連接，離合器可在運轉(zhuǎn)時連接C.聯(lián)軸器傳遞扭矩更大，離合器傳遞扭矩較小D.聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，離合器結(jié)構(gòu)更簡單二、判斷題（每題2分，共20分，正確打“√”，錯誤打“×”）1.螺紋的公稱直徑是指螺紋的小徑。（）2.帶傳動的彈性滑動是不可避免的，而打滑是可以避免的。（）3.齒輪傳動中，硬齒面齒輪的設(shè)計通常先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計，再校核接觸疲勞強(qiáng)度。（）4.滾動軸承的基本額定動載荷越大，軸承的承載能力越強(qiáng)。（）5.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鍵槽應(yīng)盡量布置在同一母線上，以方便加工。（）6.蝸桿傳動的效率主要取決于蝸桿的頭數(shù)，頭數(shù)越多，效率越低。（）7.滑動軸承的潤滑油粘度越高，承載能力越強(qiáng)，但溫升也越高。（）8.螺紋連接防松的根本原因是螺紋副之間的摩擦力不足以抵抗外載荷引起的相對轉(zhuǎn)動。（）9.圓錐滾子軸承只能承受徑向載荷，不能承受軸向載荷。（）10.平鍵連接的主要失效形式是鍵的剪切和擠壓破壞，因此校核時需計算剪切強(qiáng)度和擠壓強(qiáng)度。（）三、計算題（每題15分，共30分）1.某受軸向工作載荷的普通螺栓連接，已知螺栓數(shù)量z=4，螺栓材料的許用拉應(yīng)力[σ]=120MPa，螺栓小徑d?=13.835mm。連接承受的最大軸向工作載荷FΣ=8000N，殘余預(yù)緊力F'=1.5F（F為單個螺栓的工作載荷）。試校核該螺栓的強(qiáng)度是否滿足要求。2.一對標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動，小齒輪齒數(shù)z?=20，大齒輪齒數(shù)z?=60，模數(shù)m=4mm，齒寬b=80mm，小齒輪轉(zhuǎn)速n?=1450r/min，傳遞功率P=10kW，齒輪材料為40Cr（表面淬火），小齒輪硬度50HRC，大齒輪硬度45HRC。試計算齒面接觸疲勞強(qiáng)度的安全系數(shù)（已知接觸疲勞極限σHlim1=1200MPa，σHlim2=1100MPa，壽命系數(shù)Z_N1=0.95，Z_N2=0.98，接觸強(qiáng)度計算的綜合系數(shù)Z_E=189.8MPa^0.5，節(jié)點區(qū)域系數(shù)Z_H=2.5，載荷系數(shù)K=1.3）。四、分析題（20分）下圖為某減速器輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（示意圖），指出圖中存在的至少8處結(jié)構(gòu)設(shè)計錯誤，并說明正確的改進(jìn)方法（注：圖中未標(biāo)注尺寸的部分默認(rèn)符合工藝要求）。機(jī)械設(shè)計試題答案及解析一、選擇題答案及解析1.答案：A解析：普通螺栓連接中，螺栓桿與被連接件孔之間存在間隙，靠預(yù)緊后被連接件接合面間的摩擦力傳遞橫向載荷；鉸制孔螺栓連接（B選項）無間隙，靠剪切和擠壓傳遞載荷。2.答案：A解析：帶的應(yīng)力由緊邊拉應(yīng)力、松邊拉應(yīng)力和離心拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力組成。小帶輪直徑小，彎曲應(yīng)力大，且緊邊拉應(yīng)力大于松邊，因此最大應(yīng)力發(fā)生在小帶輪與帶接觸處的緊邊側(cè)。3.答案：C解析：中心距a=m(z?+z?)/2不變時，增大模數(shù)m會減小齒數(shù)和（z?+z?），但模數(shù)增大使齒厚增加，齒根彎曲疲勞強(qiáng)度提高；同時，接觸疲勞強(qiáng)度與中心距的平方根成正比（σH=ZEZH√(2KT?(u+1)/(bd?2u))），中心距不變時，若齒數(shù)減少，d?=mz?減小，會導(dǎo)致接觸應(yīng)力增大？需重新分析：實際接觸疲勞強(qiáng)度公式中，d?=mz?，當(dāng)m增大、z?減小時，d?可能不變（若mz?不變）。但題目中“保持z?/z?不變”，即傳動比u=z?/z?不變，中心距a=m(z?+z?)/2=mz?(1+u)/2，若a不變，m增大則z?減小，d?=mz?=2a/(1+u)不變。此時，齒寬b不變，接觸應(yīng)力σH與√(KT?)成正比（因d?、u、b不變），而彎曲應(yīng)力σF=2KT?YFaYSa/(bm2z?)，m增大使分母增大，σF減小，故彎曲強(qiáng)度提高；接觸強(qiáng)度因d?不變，若T?不變則接觸應(yīng)力不變，但題目未說明載荷變化，可能假設(shè)T?不變，因此接觸強(qiáng)度不變？原題可能存在表述問題，正確結(jié)論應(yīng)為：增大模數(shù)m會增加齒厚，提高彎曲強(qiáng)度；接觸強(qiáng)度主要與d?（或中心距）有關(guān)，若中心距不變，接觸強(qiáng)度基本不變。但原題選項中無此選項，可能題目意圖為“增大模數(shù)m，減小齒數(shù)z?”時，d?=mz?可能增大（若m增大倍數(shù)大于z?減小倍數(shù)），此時接觸強(qiáng)度提高（因d?增大，接觸應(yīng)力減小），彎曲強(qiáng)度也提高（因m增大）。因此正確選項為C。4.答案：A解析：滾動軸承的基本額定壽命是指一批同型號軸承中90%的軸承不發(fā)生點蝕破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)（或工作小時數(shù)）。5.答案：C解析：軸肩通過軸的臺階面與被安裝零件（如軸承、齒輪）的端面接觸，實現(xiàn)軸向定位；周向定位通常通過鍵、銷等實現(xiàn)。6.答案：A解析：預(yù)緊可使被連接件接合面產(chǎn)生壓力，增加連接的剛性、緊密性（如密封）和防松能力；螺紋的抗拉強(qiáng)度由材料和尺寸決定，預(yù)緊不改變其強(qiáng)度。7.答案：A解析：蝸桿通常需較高的硬度和耐磨性，常用45鋼（表面淬火）或20Cr（滲碳淬火）；蝸輪常用錫青銅（減摩性好）。8.答案：D解析：寬徑比B/d過大時，軸的撓曲變形會導(dǎo)致軸承沿寬度方向載荷分布不均（偏載），加劇局部磨損；B/d過小時，端泄量大，承載能力下降。9.答案：A解析：齒面接觸疲勞強(qiáng)度的計算依據(jù)是防止齒面發(fā)生點蝕失效；齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的計算依據(jù)是防止齒根斷裂。10.答案：B解析：聯(lián)軸器需在停機(jī)時連接或分離，離合器可在運轉(zhuǎn)時接合或分離；兩者均可補(bǔ)償偏移（如彈性聯(lián)軸器），傳遞扭矩大小與結(jié)構(gòu)有關(guān)。二、判斷題答案及解析1.答案：×解析：螺紋的公稱直徑是指螺紋的大徑（外螺紋的牙頂直徑）。2.答案：√解析：彈性滑動是由于帶的彈性變形和拉力差引起的，是不可避免的；打滑是由于過載導(dǎo)致的全面滑動，可通過限制載荷避免。3.答案：×解析：硬齒面齒輪（硬度＞350HBS）的設(shè)計通常先按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計模數(shù)，再校核接觸疲勞強(qiáng)度；軟齒面齒輪先按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計中心距，再校核彎曲強(qiáng)度。4.答案：√解析：基本額定動載荷C是軸承在額定壽命（10^6轉(zhuǎn)）下能承受的最大載荷，C越大，承載能力越強(qiáng)。5.答案：√解析：鍵槽布置在同一母線上，可減少刀具調(diào)整次數(shù)，提高加工效率。6.答案：×解析：蝸桿頭數(shù)越多，導(dǎo)程角越大，效率越高（η≈tanγ/tan(γ+ρv)），但頭數(shù)過多會導(dǎo)致制造困難。7.答案：√解析：潤滑油粘度越高，油膜承載能力越強(qiáng)，但內(nèi)摩擦增大，溫升提高。8.答案：√解析：螺紋副在沖擊、振動或變載荷下，摩擦力可能減小或消失，導(dǎo)致連接松動，需防松。9.答案：×解析：圓錐滾子軸承可同時承受徑向載荷和單向軸向載荷。10.答案：√解析：平鍵連接中，鍵的剪切和擠壓是主要失效形式（靜連接），動連接可能出現(xiàn)磨損，因此需校核剪切強(qiáng)度（τ=2T/(dbl)≤[τ]）和擠壓強(qiáng)度（σp=4T/(dbl)≤[σp]）。三、計算題答案及解析1.解：（1）單個螺栓的工作載荷F=FΣ/z=8000/4=2000N（2）預(yù)緊力F0=F'+F=1.5F+F=2.5F=2.5×2000=5000N（3）螺栓所受的總拉力F2=F0+F=5000+2000=7000N（注：實際應(yīng)為F2=F0+KcF，Kc為相對剛度系數(shù)，通常受軸向載荷的普通螺栓連接中，Kc≈0.2~0.3，此時F2≈F0+(1-Kc)F，但題目未給出Kc，默認(rèn)簡化為F2=F0+F）（4）螺栓的拉應(yīng)力σ=4F2/(πd?2)=4×7000/(π×13.8352)≈4×7000/(3.14×191.4)≈28000/601≈46.6MPa（5）許用拉應(yīng)力[σ]=120MPa，σ=46.6MPa＜[σ]，強(qiáng)度滿足要求。2.解：（1）計算小齒輪傳遞的扭矩T?=9550×103×P/n?=9550×103×10/1450≈65862N·mm（2）齒寬b=80mm，小齒輪分度圓直徑d?=mz?=4×20=80mm（3）接觸應(yīng)力σH=ZEZH√(2KT?(u+1)/(bd?2u))，其中u=z?/z?=60/20=3代入數(shù)據(jù)：σH=189.8×2.5×√(2×1.3×65862×(3+1)/(80×802×3))計算根號內(nèi)部分：2×1.3×65862×4/(80×6400×3)=(684964.8)/(1536000)≈0.445√0.445≈0.667σH=189.8×2.5×0.667≈189.8×1.667≈316.3MPa（4）接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]=min(σHlim1×Z_N1/SHmin,σHlim2×Z_N2/SHmin)，通常SHmin=1（安全系數(shù)）[σH1]=1200×0.95/1=1140MPa，[σH2]=1100×0.98/1=1078MPa，取[σH]=1078MPa（5）安全系數(shù)S=[σH]/σH=1078/316.3≈3.41四、分析題答案及解析（注：假設(shè)示意圖中存在以下典型錯誤，實際需結(jié)合圖示，但此處列舉常見問題）1.軸承安裝方向錯誤：圓錐滾子軸承的外圈窄邊應(yīng)朝向軸肩，否則無法正確承受軸向載荷。2.軸肩過高：軸承內(nèi)圈定位軸肩的高度超過了軸承內(nèi)圈的厚度，導(dǎo)致拆卸軸承時無法通過壓力機(jī)將內(nèi)圈從軸上頂出。3.鍵槽未貫通：齒輪輪轂上的鍵槽未與軸上的鍵槽對齊，或鍵槽長度不足，導(dǎo)致鍵無法完全裝入。4.無退刀槽：軸上螺紋段與光軸段過渡處未設(shè)計退刀槽，車削螺紋時無法加工到完整的螺紋長度。5.圓角半徑過大：軸承內(nèi)圈與軸肩過渡處的圓角半徑大于軸承內(nèi)圈的倒角，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈無法緊貼軸肩，軸向定位不可靠。6.未設(shè)置密封結(jié)構(gòu)：軸承端蓋與軸之間無密封裝置（如毛氈圈或密封圈），潤滑油易泄漏，灰塵易進(jìn)入軸承。7.齒輪軸向未定位：齒輪輪轂左側(cè)無軸肩或套筒定位，僅靠鍵連接無法保證軸向固定，工作時可能軸向竄動。8.帶輪與軸配合段無軸向定位：帶輪右側(cè)未設(shè)置軸肩或擋圈，僅靠左側(cè)的套筒定位，若套筒松動，帶輪會軸向移動。9.軸徑突變處無過渡圓角：軸上相鄰軸段直徑變化處未設(shè)計圓角，導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低軸的疲勞強(qiáng)度。10