机械设计基础试题及答案解析

A卷一、简答与名词解释(每题5分，共70分)1. 简述机构与机器的异同及其相互关系答. 共同点：①人为的实物组合体；②各组成部分之间具有确定的相对运动；不同点：机器的主要功能是做有用功、变换能量或传递能量、物料、信息等；机构的主要功能是传递运动和力、或变换运动形式。

相互关系：机器一般由一个或若干个机构组合而成。

2. 简述“机械运动”的基本含义答. 所谓“机械运动”是指宏观的、有确定规律的刚体运动。

3. 机构中的运动副具有哪些必要条件？答. 三个条件：①两个构件；②直接接触；③相对运动。

4. 机构自由度的定义是什么？一个平面自由构件的自由度为多少？答. 使机构具有确定运动所需输入的独立运动参数的数目称机构自由度。

平面自由构件的自由度为3。

5. 机构具有确定运动的条件是什么？当机构的原动件数少于或多于机构的自由度时，机构的运动将发生什么情况？答. 机构具有确定运动条件：自由度＝原动件数目。

原动件数目<自由度，构件运动不确定；原动件数目>自由度，机构无法运动甚至构件破坏。

6. 铰链四杆机构有哪几种基本型式？答. 三种基本型式：曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

7. 何谓连杆机构的压力角、传动角？它们的大小对连杆机构的工作有何影响？以曲柄为原动件的偏置曲柄滑块机构的最小传动角minγ发生在什么位置？答. 压力角α：机构输出构件（从动件）上作用力方向与力作用点速度方向所夹之锐角；传动角γ：压力角的余角。

α＋γ≡900。

压力角（传动角）越小（越大），机构传力性能越好。

偏置曲柄滑块机构的最小传动角γmin发生在曲柄与滑块移动导路垂直的位置8. 什么是凸轮实际轮廓的变尖现象和从动件（推杆）运动的失真现象？它对凸轮机构的工作有何影响？如何加以避免？答. 对于盘形凸轮，当外凸部分的理论轮廓曲率半径ρ与滚子半径rT 相等时：ρ=rT，凸轮实际轮廓变尖（实际轮廓曲率半径ρ’=0）。

在机构运动过程中，该处轮廓易磨损变形，导致从动件运动规律失真。

增大凸轮轮廓半径或限制滚子半径均有利于避免实际轮廓变尖现象的发生。

9. 渐开线齿廓啮合有哪些主要特点？答. ①传动比恒定；②实际中心距略有改变时，传动比仍保持不变（中心距可分性）；③啮合过程中，相啮合齿廓间正压力方向始终不变（有利于传动平稳性）。

10. 试说明齿轮的分度圆与节圆、压力角与啮合角之间的区别，什么情况下会相等（重合）？答. 分度圆：模数和压力角均取标准值得圆定义为齿轮分度圆；每个齿轮均有一个分度圆；节圆：一对齿轮啮合时、两个相切并相对作纯滚动的圆定义为节圆。

只有当一对齿轮啮合时节圆才存在。

压力角：指分度圆上的标准压力角（常取200）；啮合角：一对齿轮啮合时，节圆上的压力角为啮合角。

标准齿轮、标准安装（无侧隙）时，分度圆与节圆重合；压力角与啮合角相等。

11. 常用螺纹按牙型分为那几种？主要用途怎样？答. 常用螺纹有三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。

其中三角形螺纹自锁性好，适用于联接；其余适用于传动。

12. 开式齿轮传动强度计算的准则是什么？答. 开式齿轮强度由于磨损严重、一般不会发生点蚀。

故通常按齿根弯曲疲劳强度设计，并将模数增大10～30％，以弥补磨损的影响。

13. 简述带传动中紧边拉力、松边拉力和有效拉力、张紧力之间的关系。

答：14. 简述典型的滚动轴承由那些基本元件组成，其中必不可少的元件是什么？答. 滚动轴承一般由滚动体、内圈、外圈和保持架组成，其中滚动体必不可少。

二、计算与作图（每题6分，共30分）15. 计算下列机构的自由度，若有虚约束、复合铰链和局部自由度，需指出。

（1）（2）（1）无复合铰链、局部自由度和虚约束n=7, PL =10, PH=0F=3n-2PL -PH=3×7-2×10-0=1（2）局部自由度：1n=8, PL =11, PH=1F=3n-2PL -PH=3×8-2×11-1×1=116. 如图所示一偏置曲柄滑块机构，曲柄AB为原动件，长度为l AB=25 mm，偏距e=10 mm，已知最大压力角αmax=30°，试求：解：曲柄与滑块道路垂直时压力角达到最大。

根据已知条件先求出连杆长度l BC，则问题易解。

17. 补全图中不完整的从动件位移、速度和加速度线图，并判断哪些位置有刚性冲击，哪些位置有柔性冲击。

解：18. 已知一对渐开线标准外啮合直齿圆柱齿轮传动的模数m=5 mm、压力角α=20°、中心距a=350 mm、传动比i12 =5/9，试求两轮的齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、基圆直径以及分度圆上的齿厚和齿槽宽。

解：19. 试分析图（a），（b），（c），（d）中的结构错误，分别说明理由并画出正确的结构图。

B卷1. 简述构件和零件的区别与联系。

答. 构件是机械中的运动单元，零件是机械中的制造单元；构件是由一个或若干个零件刚性组合而成。

2. 简述“机械设计基础”课程的主要研究对象和内容。

答. 研究对象：常用机构（平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等）和通用零（部）件（螺栓、键、齿轮、带、链、轴、轴承、联轴器、离合器等）。

研究内容：机构的组成及其工作原理、结构分析、运动分析等；零（部）件结构、设计计算、类型选择、使用维护等。

3.什么是机构中的原动件、从动件、输出构件和机架？答. 原动件：运动参数由外界输入的活动构件；从动件：除原动件外的其余活动构件；输出构件：输出预期运动的从动件；机架：机构运动的参考物，视作相对固定的构件。

4. 运动副是如何进行分类的？答. ①按两构件运动平面的相互关系分：平面运动副、空间运动副；②按两构件接触方式分：低副（面接触）、高副（点、线接触）。

5. 简述机构运动简图的主要作用，它能表示出原机构哪些方面的特征？答. 机构运动简图主要用于进行机构的结构分析和运动分析。

机构运动简图反映了原机构中的构件类型和数目、运动副类型、数目及其相互位置关系等特征。

6. 从运动副类型的角度看，什么是连杆机构？机构中的连杆一般做什么运动？答. 所有运动副均为低副的机构称连杆机构。

机构中的连杆一般做平面复杂运动。

7. 何谓偏心轮机构？它主要用于什么场合？答. 偏心轮是由曲柄通过扩大转动副半径方式演化得到，曲柄长度即为偏心距。

偏心轮的强度和刚度都比曲柄好，因此适用于转速不高而载荷较大场合。

8. 什么是凸轮机构传动中的刚性冲击和柔性冲击？答. 在机构运动的某些位置，从动件加速度发生突变。

当突变值为无穷大时，将引起刚性冲击；当突变值有限时，则引起柔性冲击。

9. 何谓根切？有何危害？如何避免根切？答. 采用范成法加工齿轮时，刀具齿顶线（圆）超过被加工齿轮的啮合极限点时，齿根渐开线齿廓被切去一部分，该现象称为根切。

根切使重合度下降、齿根强度减弱。

通过使刀具远离轮坯中心或增加被加工齿轮的齿数可避免根切。

10. 平行轴斜齿轮机构的啮合特点是什么？其正确啮合条件及连续传动条件与直齿轮有何异同？答. 斜齿轮传动主要特点：齿廓接触线变化短→长→短、重合度大、不发生根切的最少齿数小，使其传动平稳性好、承载能力大、结构紧凑。

正确啮合条件：除两轮模数、压力角相等外，两轮螺旋角大小相等、旋向相反（外啮合）或相同（内啮合）。

连续传动条件与直齿轮相同。

11. 常用联接螺纹是左旋还是右旋？是单头还是多头？为什么？答. 常用联接螺纹为右旋、单头。

右旋螺纹符合多数人的右手习惯；单头螺纹的自锁性最好。

12. 一对圆柱齿轮传动，大、小齿轮齿面接触应力是否相等？大、小齿轮的接触强度是否相等？答. 由赫兹应力计算公式知，大、小齿轮齿面接触应力和相等。

但大、小齿轮的接触强度不一定相等，只有当大、小齿轮材料、热处理均相同时（许用应力相等），强度相等。

13. 试说明带传动的弹性滑动是如何产生的？为什么这种滑动是不可避免的？答. 由于紧边与松边拉力不等，且带为弹性体，当带绕过主动轮时，由于拉力减小，使带的弹性变形量减小，导致带的运动滞后于主动轮；在从动轮处，带的则超前于带轮；因此产生带的弹性滑动。

由于带传动必须要求带的紧边与松边保持一定的拉力差，因此弹性滑动不可避免。

弹性滑动主要引起传动比不固定，并增加带的磨损。

14. 滚动轴承的固定常用的有哪两种形式？分别适用于什么场合？答. ①两端固定，适用于轴较短、工作中温度变化不大的场合；②一端固定、一端游动，适用于轴较长、工作中温度变化较大的场合。

二、计算与作图（每题6分，共30分）15. 计算下列机构的自由度，若有虚约束、复合铰链和局部自由度，需指出。

(1) （2）（1）（2）16. 设计一偏置曲柄滑块机构，已知滑块的行程速度变化系数K=，滑块的冲程l C1C2=50 mm，导路的偏距e=20 mm，求曲柄长度a和连杆长度b。

解：17. 试标出在图示位置时凸轮机构的压力角；凸轮从图示位置转过90°后从动件的位移和凸轮机构的压力角。

解：18. 如图所示为一装配用电动螺丝刀的传动简图。

已知各轮齿数为z 1 = z4 =7，z 3 = z6 =39。

若n1=3600 r/min，试求螺丝刀的转速。

解：19. 试分析图（a），（b），（c），（d）中的结构错误，分别说明理由并画出正确的结构图。

图示卷扬机由电动机驱动，传动系统由万向联轴器及定轴轮系组成，卷筒与齿轮采用螺栓联接。

试分析轴Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各属于什么类型的轴（各轴自重不计）。

轴Ⅰ只受转矩，属于传动轴。

轴Ⅱ既受弯矩，又受转矩，属于转轴。

轴Ⅲ、Ⅳ只受弯矩，均为心轴。