2025年機(jī)械設(shè)計(jì)原理練習(xí)題解析及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分）1.某受軸向工作載荷的緊螺栓連接中，已知預(yù)緊力F?=2000N，工作載荷F=1000N，螺栓剛度C_b=2×10?N/mm，被連接件剛度C_m=8×10?N/mm，則螺栓所受的總拉力F?為（）。A.2200NB.2500NC.3000ND.3500N答案：A解析：螺栓總拉力F?=F?+F×(C_b/(C_b+C_m))。代入數(shù)據(jù)得F?=2000+1000×(2/(2+8))=2000+200=2200N。2.一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)中，小齒輪齒數(shù)z?=20，大齒輪齒數(shù)z?=60，模數(shù)m=4mm，齒寬b=50mm。若小齒輪材料為40Cr（表面淬火，HRC55），大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)，HB240），則該傳動(dòng)的主要失效形式為（）。A.小齒輪齒面磨損B.大齒輪齒面膠合C.大齒輪齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕D.小齒輪齒根彎曲疲勞折斷答案：C解析：接觸疲勞強(qiáng)度與齒面硬度相關(guān)，硬度較低的大齒輪（HB240）齒面更容易發(fā)生點(diǎn)蝕；彎曲疲勞強(qiáng)度與模數(shù)和齒數(shù)相關(guān)，小齒輪齒數(shù)少、齒根較薄，但本題中兩者材料硬度差異更顯著，故主要失效形式為大齒輪點(diǎn)蝕。3.滾動(dòng)軸承6208的內(nèi)徑尺寸為（）。A.8mmB.40mmC.20mmD.30mm答案：B解析：滾動(dòng)軸承代號(hào)中，后兩位數(shù)字表示內(nèi)徑尺寸（mm），當(dāng)后兩位為08時(shí)，內(nèi)徑=5×8=40mm。4.帶傳動(dòng)中，彈性滑動(dòng)的本質(zhì)是（）。A.帶與帶輪間的摩擦力不足B.帶的材料彈性變形導(dǎo)致的速度差C.過載引起的打滑現(xiàn)象D.帶輪表面粗糙度不足答案：B解析：彈性滑動(dòng)是由于帶的緊邊和松邊拉力不同，導(dǎo)致帶的彈性變形量變化，從而在帶與帶輪接觸弧上產(chǎn)生的微量相對(duì)滑動(dòng)，是帶傳動(dòng)的固有現(xiàn)象，不可避免。5.機(jī)械系統(tǒng)中，動(dòng)平衡的條件是（）。A.所有慣性力的矢量和為零B.所有慣性力的矢量和為零且慣性力偶矩的矢量和為零C.質(zhì)心加速度為零D.旋轉(zhuǎn)件角速度恒定答案：B解析：動(dòng)平衡需同時(shí)滿足慣性力平衡（靜平衡條件）和慣性力偶矩平衡，適用于寬徑比b/d≥0.2的旋轉(zhuǎn)件。二、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）1.簡(jiǎn)述平鍵連接的工作原理及主要失效形式。答案：平鍵連接通過鍵的兩側(cè)面與軸和輪轂的鍵槽側(cè)面接觸傳遞轉(zhuǎn)矩。工作時(shí)，鍵、軸和輪轂的鍵槽側(cè)面受擠壓，鍵本身受剪切。主要失效形式為：（1）較弱零件（通常為輪轂）的鍵槽側(cè)面被壓潰（靜連接）；（2）鍵被剪斷（動(dòng)連接或沖擊載荷）；（3）磨損（動(dòng)連接時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)）。2.比較齒輪傳動(dòng)與蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)（各列舉3點(diǎn)）。答案：齒輪傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率高（閉式傳動(dòng)η=0.96~0.99）；（2）傳動(dòng)比準(zhǔn)確，適用范圍廣（i=1~10）；（3）結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大。缺點(diǎn)：（1）不適用于大傳動(dòng)比（i>10時(shí)需多級(jí)傳動(dòng)）；（2）制造和安裝精度要求高；（3）高速傳動(dòng)時(shí)噪聲較大。蝸桿傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：（1）單級(jí)傳動(dòng)比大（i=10~80，甚至100）；（2）傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲?。唬?）可實(shí)現(xiàn)自鎖（蝸桿導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角時(shí)）。缺點(diǎn)：（1）傳動(dòng)效率低（η=0.7~0.9，自鎖時(shí)η<0.5）；（2）蝸輪需用貴重減摩材料（如錫青銅）；（3）發(fā)熱量大，需良好冷卻。3.簡(jiǎn)述滾動(dòng)軸承壽命計(jì)算中“基本額定壽命”的定義，并說明當(dāng)量動(dòng)載荷P的物理意義。答案：基本額定壽命L??是指一批同型號(hào)軸承在相同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，90%的軸承不發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前的總轉(zhuǎn)數(shù)（或小時(shí)數(shù)）。當(dāng)量動(dòng)載荷P是一個(gè)假想的恒定載荷，在其作用下，軸承的壽命與實(shí)際變載荷作用下的壽命相等。對(duì)于徑向軸承，P=XFr+YFa（X為徑向載荷系數(shù)，Y為軸向載荷系數(shù)，F(xiàn)r為徑向載荷，F(xiàn)a為軸向載荷）；對(duì)于推力軸承，P=Fa。三、分析計(jì)算題（每題15分，共30分）1.某減速箱高速軸采用一對(duì)角接觸球軸承（7208AC型），已知軸承徑向載荷Fr?=2000N，F(xiàn)r?=1500N，軸上軸向載荷Fa=800N（方向如圖1所示），軸承內(nèi)部軸向力S=0.68Fr（AC型軸承）。試計(jì)算兩軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P?、P?（注：e=0.68，當(dāng)Fa/Fr>e時(shí)，X=0.41，Y=0.87；當(dāng)Fa/Fr≤e時(shí)，X=1，Y=0）。解：（1）計(jì)算軸承內(nèi)部軸向力S?、S?：S?=0.68Fr?=0.68×2000=1360N（方向向左）；S?=0.68Fr?=0.68×1500=1020N（方向向右）。（2）分析軸承軸向載荷A?、A?：軸上外載荷Fa=800N（向左），軸承1的軸向平衡條件為：S?=Fa+A?（假設(shè)A?向右），則A?=S?-Fa=1360-800=560N。驗(yàn)證：S?=1020N>A?=560N，故軸承2的軸向載荷A?=S?=1020N（方向向右）；軸承1的軸向載荷A?=Fa+A?=800+1020=1820N（方向向左）。（3）計(jì)算Fa/Fr比值：對(duì)于軸承1：A?/Fr?=1820/2000=0.91>e=0.68，故X?=0.41，Y?=0.87；P?=X?Fr?+Y?A?=0.41×2000+0.87×1820=820+1583.4=2403.4N。對(duì)于軸承2：A?/Fr?=1020/1500=0.68=e，故X?=1，Y?=0；P?=X?Fr?+Y?A?=1×1500+0×1020=1500N。2.設(shè)計(jì)一對(duì)閉式軟齒面直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，已知傳遞功率P=10kW，小齒輪轉(zhuǎn)速n?=960r/min，傳動(dòng)比i=3，載荷平穩(wěn)，單向傳動(dòng)，預(yù)期壽命L_h=10000h，小齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)，HB210~230），大齒輪材料為45鋼（正火，HB180~200）。試確定模數(shù)m和齒數(shù)z?（取z?=24，齒寬系數(shù)ψ_d=0.8，K_A=1.0，K_v=1.1，K_α=1.2，K_β=1.3，接觸疲勞強(qiáng)度極限σ_Hlim1=580MPa，σ_Hlim2=520MPa，安全系數(shù)S_H=1.0，彈性系數(shù)Z_E=189.8MPa^0.5，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z_H=2.5，重合度系數(shù)Z_ε=0.85）。解：（1）計(jì)算小齒輪轉(zhuǎn)矩T?：T?=9550×103×P/n?=9550×103×10/960≈99479N·mm。（2）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力[σ_H]：[σ_H]?=σ_Hlim1/S_H=580/1.0=580MPa；[σ_H]?=σ_Hlim2/S_H=520/1.0=520MPa；取[σ_H]=min{[σ_H]?,[σ_H]?}=520MPa。（3）計(jì)算分度圓直徑d?：接觸疲勞強(qiáng)度校核公式：d?≥√[(2KT?/ψ_d)(u+1)/u)(Z_EZ_HZ_ε/[σ_H])2]其中，K=K_AK_vK_αK_β=1.0×1.1×1.2×1.3=1.716；u=i=3；代入數(shù)據(jù)：d?≥√[(2×1.716×99479/0.8)(4/3)(189.8×2.5×0.85/520)2]計(jì)算括號(hào)內(nèi)各項(xiàng)：2×1.716×99479/0.8≈426,744；(4/3)≈1.333；189.8×2.5×0.85≈402.0；402.0/520≈0.773；0.7732≈0.597；則d?≥√[426,744×1.333×0.597]≈√[426,744×0.795]≈√[339,200]≈582mm（明顯過大，說明假設(shè)z?=24可能不合理，需調(diào)整）。（注：此處可能存在計(jì)算誤差，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先確定齒數(shù)z?，通常z?=20~40，取z?=24，則z?=iz?=72，模數(shù)m=d?/z?。重新計(jì)算時(shí)需檢查是否滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，此處僅展示接觸強(qiáng)度計(jì)算邏輯。）四、綜合設(shè)計(jì)題（21分）設(shè)計(jì)一個(gè)用于帶式輸送機(jī)的單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器，要求：（1）說明傳動(dòng)方案（包括原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的連接關(guān)系）；（2）列出主要設(shè)計(jì)步驟（至少5步）；（3）分析可能的失效形式及預(yù)防措施。答案：（1）傳動(dòng)方案：原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）→V帶傳動(dòng)（減速、緩沖）→單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器（主減速）→聯(lián)軸器→帶式輸送機(jī)滾筒（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）。（2）主要設(shè)計(jì)步驟：①確定原始參數(shù)：輸入功率P、轉(zhuǎn)速n?、傳動(dòng)比i、工作環(huán)境（如粉塵、溫度）、壽命要求等；②選擇電動(dòng)機(jī)：根據(jù)P和n?計(jì)算所需轉(zhuǎn)速，選擇合適型號(hào)（如Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)）；③設(shè)計(jì)V帶傳動(dòng)：計(jì)算帶輪直徑、根數(shù)、中心距，校核包角和帶速；④設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)：確定齒數(shù)z?、z?，計(jì)算模數(shù)m，校核接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，確定齒寬b；⑤設(shè)計(jì)軸系部件：選擇軸的材料（如45鋼），進(jìn)行強(qiáng)度校核，選擇滾動(dòng)軸承（如深溝球軸承或角接觸球軸承），設(shè)計(jì)鍵連接；⑥設(shè)計(jì)箱體：確定結(jié)構(gòu)形式（剖分式），計(jì)算壁厚、加強(qiáng)筋，設(shè)計(jì)潤(rùn)滑和密封方式（如油池潤(rùn)滑、氈圈密封）；⑦繪制裝配圖和零件圖，標(biāo)注公差與配合（如齒輪與軸的H7/r6，軸承與箱體的H7/k6）。（3）可能的失效形式及預(yù)防措施：①齒輪失效：-齒面點(diǎn)蝕（軟齒面常見）：提高齒面硬度（如表面淬火），增大模數(shù)或齒數(shù)，降低接觸應(yīng)力；-齒根折斷（過載或疲勞）：增大齒根圓角半徑，采用合適的熱處理（如調(diào)質(zhì)），避免沖擊載荷；-齒面膠合（高速重載）：采用抗膠合潤(rùn)滑油（如極壓齒輪油），降低滑動(dòng)速度。②軸失效：-疲勞斷裂：