机械设计基础试题附答案

机械设计基础试题附答案
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r T
相等时：ρ=r T
，
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, P L
=10, P H
=0
F=3n-2P L
-P H
=3×7-2×10-0=1
（2）局部⾃由度：1
n=8, P L
=11, P H
=1
F=3n-2P L
-P H
=3×8-2×11-1×1=1
16. 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°、=5/9，试求两轮的齿数、分度圆直径、齿顶圆直径、中⼼距a=350 mm、传动⽐i 12
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=1.5，滑块的冲=50 mm，导路的偏距e=20 mm，求曲柄长度a和连杆长度b。

程l
C1C2
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。