2025年機械設(shè)計考研試題及答案解析一、單項選擇題（每題3分，共30分）1.在機械設(shè)計中，通常以（）作為零件的設(shè)計準則。A.強度準則B.剛度準則C.壽命準則D.以上都是答案：D解析：在機械設(shè)計中，強度準則確保零件在載荷作用下不發(fā)生破壞；剛度準則保證零件在受力時的彈性變形在允許范圍內(nèi)；壽命準則使零件在規(guī)定時間內(nèi)正常工作。這三個準則都是常見的設(shè)計準則，所以答案選D。2.帶傳動工作時，帶中產(chǎn)生的應力不包括（）。A.拉應力B.彎曲應力C.離心應力D.扭轉(zhuǎn)應力答案：D解析：帶傳動工作時，帶在繞過帶輪時會產(chǎn)生彎曲應力，帶在緊邊和松邊存在拉應力，帶做圓周運動時會產(chǎn)生離心應力。而扭轉(zhuǎn)應力通常出現(xiàn)在受扭轉(zhuǎn)作用的軸類零件中，帶傳動中不存在扭轉(zhuǎn)應力，所以選D。3.一對標準直齒圓柱齒輪傳動，已知$z_1=20$，$z_2=40$，則它們的齒形系數(shù)$Y_{Fa1}$和$Y_{Fa2}$的關(guān)系是（）。A.$Y_{Fa1}>Y_{Fa2}$B.$Y_{Fa1}<Y_{Fa2}$C.$Y_{Fa1}=Y_{Fa2}$D.無法確定答案：A解析：齒形系數(shù)$Y_{Fa}$只與齒數(shù)有關(guān)，齒數(shù)越少，齒形系數(shù)越大。因為$z_1=20<z_2=40$，所以$Y_{Fa1}>Y_{Fa2}$，答案選A。4.滾動軸承的基本額定壽命是指（）。A.一批同型號的軸承在相同條件下運轉(zhuǎn)，其中90%的軸承發(fā)生疲勞點蝕前運轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或小時數(shù)B.一個軸承在正常工作條件下所能達到的最大壽命C.一批同型號的軸承在相同條件下運轉(zhuǎn)，平均每個軸承的壽命D.一個軸承在規(guī)定的可靠度下所能達到的壽命答案：A解析：滾動軸承的基本額定壽命的定義就是一批同型號的軸承在相同條件下運轉(zhuǎn)，其中90%的軸承發(fā)生疲勞點蝕前運轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或小時數(shù)，所以選A。5.聯(lián)軸器和離合器的主要作用是（）。A.緩沖、減振B.傳遞運動和轉(zhuǎn)矩C.防止機器發(fā)生過載D.補償兩軸的相對位移答案：B解析：聯(lián)軸器和離合器都是用于連接兩軸，使兩軸一起轉(zhuǎn)動并傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的部件。緩沖、減振一般是靠彈性聯(lián)軸器等實現(xiàn)；防止機器過載是安全聯(lián)軸器或離合器的功能；補償兩軸相對位移是一些特殊聯(lián)軸器的作用。主要作用還是傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，所以選B。6.設(shè)計鍵連接時，鍵的截面尺寸$b×h$通常是根據(jù)（）來選擇的。A.傳遞的轉(zhuǎn)矩B.軸的直徑C.輪轂的長度D.軸的轉(zhuǎn)速答案：B解析：鍵的截面尺寸$b×h$是根據(jù)軸的直徑來選擇的，可通過機械設(shè)計手冊查得相應軸徑對應的鍵的截面尺寸。傳遞的轉(zhuǎn)矩主要用于校核鍵連接的強度；輪轂長度影響鍵的長度；軸的轉(zhuǎn)速對鍵的截面尺寸選擇無直接關(guān)系。所以選B。7.對于受軸向變載荷的緊螺栓連接，在平均應力不變的情況下，減小螺栓的剛度$C_b$和增大被連接件的剛度$C_m$，可以（）。A.提高螺栓的疲勞強度B.提高連接的緊密性C.降低螺栓的靜強度D.降低連接的可靠性答案：A解析：在受軸向變載荷的緊螺栓連接中，減小螺栓的剛度$C_b$和增大被連接件的剛度$C_m$，可以減小螺栓的應力幅，從而提高螺栓的疲勞強度。對連接的緊密性、螺栓的靜強度和連接的可靠性沒有直接的降低作用，所以選A。8.下列螺紋中，自鎖性能最好的是（）。A.三角形螺紋B.梯形螺紋C.矩形螺紋D.鋸齒形螺紋答案：A解析：三角形螺紋的牙型角大，當量摩擦系數(shù)大，自鎖性能最好。梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋的自鎖性能相對較差，所以選A。9.齒輪傳動中，齒面接觸疲勞強度主要取決于（）。A.齒輪的材料B.齒輪的模數(shù)C.齒輪的齒寬D.齒輪的分度圓直徑答案：D解析：齒面接觸疲勞強度的計算公式中，主要與齒輪的分度圓直徑有關(guān)。齒輪材料影響齒面的硬度等性能，但不是決定接觸疲勞強度的主要因素；模數(shù)主要影響齒根彎曲強度；齒寬對接觸強度有一定影響，但不是主要決定因素。所以選D。10.滑動軸承的潤滑方式主要根據(jù)（）來選擇。A.軸頸的圓周速度B.軸承的載荷C.軸承的工作溫度D.潤滑油的粘度答案：A解析：滑動軸承的潤滑方式主要根據(jù)軸頸的圓周速度來選擇。不同的軸頸圓周速度對應不同的潤滑方式，如滴油潤滑、油環(huán)潤滑、壓力潤滑等。軸承的載荷、工作溫度和潤滑油的粘度會影響潤滑油的選擇等，但不是選擇潤滑方式的主要依據(jù)，所以選A。二、簡答題（每題10分，共30分）1.簡述機械零件的失效形式有哪些，并舉例說明。答：機械零件的失效形式主要有以下幾種：（1）斷裂失效：零件在載荷作用下發(fā)生斷裂，如軸在過大的扭矩或彎矩作用下發(fā)生的斷裂，汽車發(fā)動機曲軸在長期交變載荷作用下可能發(fā)生疲勞斷裂。（2）過量變形失效：零件在載荷作用下產(chǎn)生的彈性變形或塑性變形超過了允許的范圍。例如，機床的主軸在切削力作用下發(fā)生過大的彎曲變形，會影響加工精度；橋梁的鋼梁在重載下發(fā)生塑性變形，導致結(jié)構(gòu)破壞。（3）表面損傷失效：包括磨損、腐蝕、接觸疲勞等。磨損是由于兩零件表面相對運動產(chǎn)生的，如齒輪傳動中，齒面的磨損會使齒輪的傳動精度下降；腐蝕是零件與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應而損壞，如鋼鐵零件在潮濕環(huán)境中生銹；接觸疲勞是在交變接觸應力作用下，零件表面產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展，最終導致表面剝落，如滾動軸承的滾道和滾動體表面可能出現(xiàn)接觸疲勞點蝕。（4）功能失效：零件由于某些原因不能實現(xiàn)其預定的功能。例如，離合器不能正常離合，導致動力傳遞中斷；安全閥不能在規(guī)定壓力下開啟，失去安全保護作用。2.簡述帶傳動的優(yōu)缺點。答：帶傳動的優(yōu)點：（1）適用于中心距較大的傳動，兩軸中心距可以根據(jù)需要進行調(diào)整，安裝方便。（2）帶具有彈性，能緩沖、減振，傳動平穩(wěn)，噪聲小，可減少對機器的振動和沖擊，延長機器的使用壽命。（3）過載時帶會在帶輪上打滑，能防止其他零件損壞，起到安全保護作用。（4）結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝和維護方便，成本較低。帶傳動的缺點：（1）存在彈性滑動，不能保證準確的傳動比，傳動效率相對較低，一般在0.90.98之間。（2）帶的壽命較短，需要定期更換，增加了使用成本和維護工作量。（3）帶傳動的外廓尺寸較大，占用空間較多。（4）由于帶需要張緊，作用在軸上的壓軸力較大，會增加軸和軸承的負荷。3.簡述軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應滿足的基本要求。答：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應滿足以下基本要求：（1）保證軸上零件有準確的定位和可靠的固定：軸上的零件如齒輪、帶輪、軸承等需要有準確的軸向和周向定位，以保證其正常工作。軸向定位可通過軸肩、軸環(huán)、套筒等實現(xiàn)；周向定位可通過鍵、花鍵、過盈配合等方式實現(xiàn)。（2）便于軸上零件的裝拆和調(diào)整：軸的結(jié)構(gòu)應設(shè)計得便于零件的安裝和拆卸，例如采用階梯軸，軸的直徑從一端向另一端逐漸增大或減小，方便零件從軸的一端套入或取出。同時，對于需要調(diào)整的零件，應預留調(diào)整的空間和結(jié)構(gòu)。（3）具有良好的制造工藝性：軸的結(jié)構(gòu)應便于加工制造，盡量減少加工面的數(shù)量和加工難度。例如，軸上的鍵槽應盡量布置在同一母線上，減少刀具的調(diào)整次數(shù)；軸的各段直徑應符合標準尺寸系列，便于選用標準刀具和量具。（4）減小應力集中：軸在截面尺寸變化處會產(chǎn)生應力集中，降低軸的疲勞強度。因此，在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應盡量避免截面尺寸的突然變化，采用圓角過渡、卸載槽等措施減小應力集中。（5）保證軸的強度和剛度：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應使軸具有足夠的強度和剛度，以保證軸在工作時不發(fā)生過大的變形和破壞。在設(shè)計時，應根據(jù)軸的受力情況合理確定軸的直徑和長度，選擇合適的材料。三、計算題（每題20分，共40分）1.有一普通V帶傳動，已知主動輪基準直徑$d_1=100mm$，從動輪基準直徑$d_2=400mm$，主動輪轉(zhuǎn)速$n_1=1460r/min$，單根V帶的基本額定功率$P_0=1.32kW$，單根V帶額定功率的增量$\DeltaP_0=0.17kW$，帶輪包角系數(shù)$K_α=0.96$，帶長系數(shù)$K_L=0.99$，試求：（1）帶傳動的傳動比$i$；（2）從動輪轉(zhuǎn)速$n_2$；（3）該V帶傳動所需的V帶根數(shù)$z$（取傳遞功率$P=5kW$）。解：（1）帶傳動的傳動比$i$：傳動比的計算公式為$i=\frac{d_2}{d_1}$，將$d_1=100mm$，$d_2=400mm$代入可得：$i=\frac{400}{100}=4$（2）從動輪轉(zhuǎn)速$n_2$：根據(jù)傳動比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系$i=\frac{n_1}{n_2}$，可得$n_2=\frac{n_1}{i}$，將$n_1=1460r/min$，$i=4$代入可得：$n_2=\frac{1460}{4}=365r/min$（3）該V帶傳動所需的V帶根數(shù)$z$：單根V帶的許用功率$[P_0]=(P_0+\DeltaP_0)K_αK_L$，將$P_0=1.32kW$，$\DeltaP_0=0.17kW$，$K_α=0.96$，$K_L=0.99$代入可得：$[P_0]=(1.32+0.17)\times0.96\times0.99=1.49\times0.96\times0.99\approx1.41kW$所需V帶根數(shù)$z=\frac{P}{[P_0]}$，將$P=5kW$，$[P_0]\approx1.41kW$代入可得：$z=\frac{5}{1.41}\approx3.55$由于V帶根數(shù)必須為整數(shù)，且應圓整為較大的整數(shù)，所以$z=4$根。2.如圖所示的螺栓組連接，已知橫向載荷$F_R=10000N$，接合面間的摩擦系數(shù)$f=0.15$，可靠性系數(shù)$K_f=1.2$，螺栓材料的許用拉應力$[\sigma]=120MPa$，試設(shè)計該螺栓組連接的螺栓直徑$d$。解：（1）計算單個螺栓所需的預緊力$F_0$：該螺栓組承受橫向載荷，靠接合面間的摩擦力來傳遞載荷。設(shè)螺栓個數(shù)為$z$，這里假設(shè)為4個（一般常見的螺栓組布置）。根據(jù)橫向載荷與預緊力的關(guān)系$K_fF_R\leqzfF_0$，可得$F_0\geq\frac{K_fF_R}{zf}$，將$F_R=10000N$，$f=0.15$，$K_f=1.2$，$z=4$代入可得：$F_0\geq\frac{1.2\times10000}{4\times0.15}=\frac{12000}{0.6}=20000N$（2）計算螺栓的小徑$d_1$：對于緊螺栓連接，受預緊力作用時，螺栓的強度條件為$\sigma=\frac{1.3F_0}{\frac{\pi}{4}d_1^2}\leq[\sigma]$，變形可得$d_1\geq\sqrt{\frac{1.3\times4F_0}{\pi[\sigma]}}$，將$F_0=