(2025年)機(jī)械設(shè)計類試題及答案一、選擇題（每題2分，共20分）1.某機(jī)械傳動系統(tǒng)中，軸的材料選用40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后硬度為240HBS，其主要目的是提高軸的（）。A.表面硬度B.整體綜合力學(xué)性能C.耐磨性D.耐腐蝕性2.螺紋連接中，若被連接件之一厚度較大且需要經(jīng)常拆卸，宜選用（）。A.螺栓連接B.雙頭螺柱連接C.螺釘連接D.緊定螺釘連接3.齒輪傳動中，齒面接觸疲勞強(qiáng)度主要與（）有關(guān)。A.模數(shù)B.齒數(shù)C.齒寬D.分度圓直徑4.滾動軸承的基本額定壽命是指同一批軸承中（）不發(fā)生點(diǎn)蝕破壞的壽命。A.90%B.95%C.99%D.100%5.帶傳動中，彈性滑動的主要原因是（）。A.帶的預(yù)緊力不足B.帶與帶輪間的摩擦力不夠C.帶的彈性變形和拉力差D.帶輪直徑不一致6.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(shí)現(xiàn)零件的軸向定位D.減少應(yīng)力集中7.圓柱螺旋壓縮彈簧的有效圈數(shù)n主要影響彈簧的（）。A.剛度B.強(qiáng)度C.穩(wěn)定性D.固有頻率8.對于受軸向變載荷的緊螺栓連接，提高其疲勞強(qiáng)度的有效措施是（）。A.增大螺栓直徑B.減小被連接件的剛度C.增大被連接件的剛度D.降低預(yù)緊力9.蝸桿傳動中，為了提高傳動效率，最有效的措施是（）。A.增大蝸桿頭數(shù)B.減小蝸桿直徑系數(shù)C.提高蝸桿轉(zhuǎn)速D.增加蝸輪齒數(shù)10.設(shè)計閉式軟齒面齒輪傳動時，通常首先按（）設(shè)計，再校核（）。A.接觸疲勞強(qiáng)度，彎曲疲勞強(qiáng)度B.彎曲疲勞強(qiáng)度，接觸疲勞強(qiáng)度C.磨損，膠合D.膠合，磨損二、填空題（每空1分，共15分）1.機(jī)械零件的主要失效形式包括斷裂、表面損傷、變形和（）。2.螺紋連接防松的本質(zhì)是防止螺紋副的（）。3.齒輪傳動中，齒根彎曲疲勞裂紋通常起始于（）。4.滾動軸承的基本額定動載荷C是指軸承在額定壽命L??=（）轉(zhuǎn)時所能承受的最大載荷。5.帶傳動的最大有效拉力F?與初拉力F?、摩擦系數(shù)f和包角α的關(guān)系式為（）。6.軸按受載性質(zhì)可分為心軸、轉(zhuǎn)軸和（）。7.滑動軸承的潤滑方法中，適用于高速重載場合的是（）潤滑。8.圓柱齒輪傳動的重合度εα越大，說明同時參與嚙合的齒數(shù)（）。9.螺栓連接的強(qiáng)度計算中，松螺栓連接的最大拉應(yīng)力發(fā)生在（）截面。10.蝸桿傳動的主要失效形式是膠合、磨損和（）。11.彈簧的旋繞比C=D/d（D為彈簧中徑，d為簧絲直徑），C過小時彈簧（）。12.平鍵連接的主要失效形式是（），設(shè)計時通常校核其（）強(qiáng)度。13.聯(lián)軸器與離合器的主要區(qū)別是（）。三、簡答題（每題6分，共30分）1.簡述齒輪傳動中齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的設(shè)計準(zhǔn)則，并說明軟齒面和硬齒面齒輪的設(shè)計側(cè)重點(diǎn)為何不同。2.滾動軸承的壽命計算中，基本額定壽命L??和額定動載荷C的關(guān)系是什么？當(dāng)軸承實(shí)際承受的當(dāng)量動載荷P不等于C時，如何計算其壽命？3.帶傳動中為何需要張緊裝置？常見的張緊方法有哪些？4.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足哪些基本要求？列舉至少4項(xiàng)。5.與普通V帶傳動相比，同步帶傳動的主要特點(diǎn)是什么？適用于哪些場合？四、計算題（共35分）1.（10分）某受軸向靜載荷的緊螺栓連接，螺栓材料為45鋼（σs=360MPa），安全系數(shù)S=3，螺栓小徑d?=15.294mm。被連接件接合面間的摩擦系數(shù)f=0.15，防滑系數(shù)Kf=1.2，試計算該連接能傳遞的最大軸向載荷F。2.（12分）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=15kW，齒輪材料均為40Cr（調(diào)質(zhì)），小齒輪硬度260HBS，大齒輪硬度220HBS。試校核小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度（已知接觸疲勞許用應(yīng)力[σH1]=600MPa，彈性系數(shù)ZE=189.8MPa^0.5，節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH=2.5，接觸疲勞強(qiáng)度公式：σH=ZEZH√(2KT?(u+1)/(bd?2u))，其中K=1.2，u=z?/z?，d?=mz?，T?=9550×103P/n?）。3.（13分）某轉(zhuǎn)軸的危險截面處，彎矩M=1200N·m，扭矩T=800N·m，軸的直徑d=60mm，材料為40Cr（σb=750MPa，σ-1=350MPa，τ-1=200MPa），應(yīng)力集中系數(shù)Kσ=1.5，Kτ=1.3，尺寸系數(shù)εσ=0.85，ετ=0.80，表面質(zhì)量系數(shù)βσ=βτ=0.9，許用安全系數(shù)[S]=1.8。試按第三強(qiáng)度理論校核該截面的安全系數(shù)是否滿足要求（注：第三強(qiáng)度理論當(dāng)量應(yīng)力σeq3=√(σ2+4τ2)，安全系數(shù)S=σ-1/(Kσσa/εσβσ+ψσσm)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力安全系數(shù)Sτ=τ-1/(Kττa/ετβτ+ψττm)，對于碳鋼，ψσ≈0.1~0.2，ψτ≈0.05~0.1，取ψσ=0.15，ψτ=0.08；假設(shè)為對稱循環(huán)變應(yīng)力，σm=τm=0）。五、綜合分析題（共20分）設(shè)計一臺帶式輸送機(jī)的傳動系統(tǒng)，已知：輸送帶工作拉力F=5kN，輸送帶速度v=1.2m/s，滾筒直徑D=400mm，工作環(huán)境為常溫、有粉塵，載荷平穩(wěn)，單向運(yùn)轉(zhuǎn)，要求使用壽命8年（每年工作300天，每天8小時）。試完成以下任務(wù)：（1）確定傳動方案（需畫出傳動系統(tǒng)簡圖，標(biāo)注主要部件）；（2）選擇電動機(jī)的類型和額定功率（計算滾筒所需功率P滾筒=Fv/1000，傳動系統(tǒng)總效率η=η1×η2×η3，其中η1為聯(lián)軸器效率0.99，η2為齒輪減速器效率0.96，η3為滾筒軸承效率0.98，取η=0.99×0.96×0.98≈0.93）；（3）說明齒輪減速器中高速級和低速級齒輪的材料、熱處理方式及硬度選擇原則（軟齒面或硬齒面）；（4）簡述滾筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)（包括軸向定位、周向定位、加工工藝性等）。參考答案一、選擇題1.B2.B3.D4.A5.C6.C7.A8.C9.A10.A二、填空題1.功能失效2.相對轉(zhuǎn)動3.齒根受拉一側(cè)4.10?5.F?=2F?(fα)/(e^(fα)-1)6.傳動軸7.壓力8.越多9.螺紋10.點(diǎn)蝕11.剛度大、易脆斷12.工作面壓潰，擠壓13.聯(lián)軸器需停機(jī)才能分離，離合器可在運(yùn)轉(zhuǎn)中分離三、簡答題1.接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則：σH≤[σH]，防止齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕；彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則：σF≤[σF]，防止齒根斷裂。軟齒面（≤350HBS）齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度較低，通常先按接觸強(qiáng)度設(shè)計模數(shù)，再校核彎曲強(qiáng)度；硬齒面（>350HBS）齒輪的彎曲強(qiáng)度較低，需先按彎曲強(qiáng)度設(shè)計模數(shù)，再校核接觸強(qiáng)度。2.基本額定壽命L??=(C/P)^ε×10?轉(zhuǎn)（球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3）。當(dāng)實(shí)際載荷P≠C時，壽命L=(C/P)^ε×10?轉(zhuǎn)，即壽命與(C/P)^ε成正比。3.帶傳動工作一段時間后會因塑性變形松弛，導(dǎo)致摩擦力不足，需張緊裝置保持初拉力。常見方法：調(diào)整中心距（定期張緊、自動張緊）、使用張緊輪（置于松邊內(nèi)側(cè)靠近大帶輪處）。4.基本要求：①零件軸向、周向定位可靠；②減少應(yīng)力集中；③便于加工和裝配；④軸上零件便于拆卸；⑤滿足強(qiáng)度、剛度要求。5.同步帶傳動特點(diǎn)：無滑動、傳動比準(zhǔn)確；初拉力小、軸承受力??；可高速傳動；耐油、耐高溫。適用于要求傳動比精確、高速、多粉塵的場合（如數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械）。四、計算題1.螺栓許用拉應(yīng)力[σ]=σs/S=360/3=120MPa。螺栓危險截面面積A=πd?2/4=π×15.2942/4≈183.8mm2。螺栓預(yù)緊力F?≥KfF/(f×z)（z=1），即F≤F?f/Kf。螺栓拉應(yīng)力σ=1.3F?/A≤[σ]（1.3為考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的系數(shù)），故F?≤[σ]A/1.3=120×183.8/1.3≈16994N。最大軸向載荷F≤F?f/Kf=16994×0.15/1.2≈2124N。2.小齒輪轉(zhuǎn)矩T?=9550×103×15/1450≈98620N·mm。d?=mz?=4×20=80mm，u=z?/z?=3。接觸應(yīng)力σH=189.8×2.5×√(2×1.2×98620×(3+1)/(80×802×3))≈189.8×2.5×√(946752/(80×6400×3))≈189.8×2.5×√(946752/1536000)≈189.8×2.5×0.78≈372MPa≤[σH1]=600MPa，安全。3.彎曲應(yīng)力σ=32M/(πd3)=32×1200×103/(π×603)≈32×1200000/(π×216000)≈56.6MPa。扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ=16T/(πd3)=16×800×103/(π×603)≈16×800000/(π×216000)≈18.9MPa。當(dāng)量應(yīng)力σeq3=√(56.62+4×18.92)=√(3204+1426)=√4630≈68.0MPa。對稱循環(huán)下σa=σ=56.6MPa，τa=τ=18.9MPa。彎曲安全系數(shù)Sσ=σ-1/(Kσσa/(εσβσ))=350/(1.5×56.6/(0.85×0.9))=350/(1.5×56.6/0.765)=350/(110.9)≈3.16。扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)Sτ=τ-1/(Kττa/(ετβτ))=200/(1.3×18.9/(0.8×0.9))=200/(1.3×18.9/0.72)=200/(34.1)≈5.86。綜合安全系數(shù)S=SσSτ/√(Sσ2+Sτ2)=3.16×5.86/√(9.99+34.3)=18.5/6.66≈2.78>[S]=1.8，安全。五、綜合分析題（1）傳動方案：電動機(jī)→彈性聯(lián)軸器→齒輪減速器→剛性聯(lián)軸器→滾筒。簡圖：電動機(jī)輸出軸通過彈性聯(lián)軸器連接減速器高速軸，減速器低速軸通過剛性聯(lián)軸器連接滾筒軸。（2）滾筒轉(zhuǎn)速n=60×1000v/(πD)=60×1000×1.2/(π×400)≈57.3r/min。滾筒功率P滾筒=Fv/1000=5×1.2=6kW。電動機(jī)功率P電=P滾筒/η=6/0.93≈6.45kW，選Y132S-4型電動機(jī)（額定功率5.5kW偏小，可選Y132M-4，7.5kW）