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1、机械设计期末考试试题及答案中 原 工 学 院20032004学年第一学期机械制造及自动化专业 机械设计课程期末试卷（答案）一、是非题（用“J”表示正确，“X”表示错误填在题末的括号中）。（本大题共10小题，每小题1分，总计10分）1、受静载荷作用的零件只能产生静应力，受变载荷作用的零件才能产生变应力。（X）2、受交变横向载荷作用的普通螺栓联接，在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。（V）3、为了使V带的工作侧面能与V带轮轮槽的工作侧面紧紧贴合，因为V带的剖面楔角为4 0 o,因而V带轮轮槽角也相应为40。o（X）4、为了避免带打滑，可将带轮上与带接触的表面加工得粗糙些以增大摩擦。（X）5、对轮齿
2、沿齿宽作适当的修形（鼓形齿），可以大大改善载荷沿接触线分布不均匀的现象。（V）6、齿面点蚀是润滑良好的软齿面闭式齿轮传动常见的失效形式。（V）7、直齿圆锥齿轮的强度计算中，通常近似地以大端分度圆处的当量圆柱齿轮来代替圆锥齿轮进行强度计算。（X）8、与齿轮传动的变位方法相类似，不仅可以对蜗杆进行变位加工，而且也可以对蜗轮进行变位加工。（X）9、某 45钢轴的刚度不足，可以采取改用40Cr合金钢措施来提高其刚度。（X）10、滚动轴承的基本额定寿命是指一组轴承中10%的轴承发生疲劳破坏，而 90%的轴承不发生疲劳破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数。（J）二、选择题（将正确的代码A、B、C、D
3、 填入横线上方的空格处）。（本大题共15小题，每小题1.5分，总计15分）1.零件的截面形状一定，当截面尺寸增大时，其疲劳极限值将随之_ B _oA,增高 B.降低 C.不变 D.有时增高，有时降低2.对于联接用螺纹，主要要求联接可靠，自锁性能好，故常选用_ A_ OA.升角小，单线三角形螺纹B.升角大，双线三角形螺纹C.升角小，单线梯形螺纹 D.升角大，双线矩形螺纹3.设计键联接时，有以下主要内容：按使用要求选择键的类型；对键联接进行必要的强度校核计算；按轴径选择键的剖面尺寸；按轮毂宽度选择键的长度。在具体设计时，一般的顺序为C。A.一一一；B.一一一；C.一一一；D.一-一4.选取V 带型
4、号，主要取决于DoA.带的松边拉力 B.带的线速度C.带的紧边拉力 D.带传递的功率和小带轮转速5.带传动不能保证准确的传动比，其原因是BoA.带容易变形和磨损 B.带传动工作时由拉力的变化而引起的弹性滑动C.带在带轮上出现打滑 D.带的弹性变形不符合虎克定律6.轮齿弯曲强度计算中的齿形系数Fa与 C 无关。A.齿数z B.变位系数xC.模数m D.斜齿轮的螺旋角？Ym?7.按齿根弯曲疲劳强度设计公式：2KTl?YFaYSa?2?dzl?F?mm计算齿轮传动的模数时，其公式中?YFaYSa?F?应代入：B。?YFalYSal?YFalYSal?YFa2YSa2?Fl?Fl?F2?A.小齿轮的
5、B.与中的较大值?YFa2YSa2?YFalYSal?YFa2YSa2?F2?Fl?F2?C.大齿轮的；D.与中的较小值8.对闭式蜗杆传动进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高而导致 D oA.材料的力学性能下降;B.润滑油变质;C.蜗杆受热变形过大；D.润滑条件恶化。9.按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数a 是考虑C OA.材料抗弯与抗扭的性能不同；B.轴的结构设计要求;C.弯曲应力和扭转切应力的循环特性不同；D.强度理论的要求。10.下列四种轴承中，必须成对使用是 A。A.圆锥滚子轴承；B.深沟球轴承；C.推力球轴承；D.圆柱滚子轴承三、计算题（本大题共3 小题，每小题
6、各15分，共计45分）1.某零件用40Cr钢制成，材料的力学性能为：oS=800M Pa,。-l=480M Pa,2。=0.2。零件弯曲疲劳极限的综合影响系数K。=1.5。已知作用在零件上的工作应力：。性 r?常数，试求：绘制出该零件的极限应力简图；（4 分）在所绘制的零件极限应力简图中，标出零件的工作应力点M,加载应力变化线以及极限应力点M l'；（4 分）用图解法确定该零件的极限应力的平均应力。m e 和应力幅。ae以及计算安全系数Sea；4 分 用计算法确定该零件的计算安全系数Sea。（2 分）若许用安全系数为=1.3,问该零件是否满足强度要求。（1 分）max=450M Pa,
7、。min=150M Pa,应力循环特?0解：丁;在零件的极限应力简图中，各点坐标为：?2?l?0?0?2?12?480?8001?l?0.2M Pa?0?1?0A(0,K?)=A(0,320)；B(2,2K?)=(400,266.7)；C(。S,0)=(800,0)?K?s?l?l?s?1.5?800?480480?0,2?800?,?553,85,246.15?K?,K?1.5?0.2L5?0.2?=G?或 G?a(2)。m=(o max+o min)/2=(450+150)/2=300M Pa,o a=(omax-o min)/2=(450-150)/2=150M Pa m工作应力点M,加
8、载应力变化线以及极限应力点M l'如图所示(3)由图可量的极限应力点M的平均应力。me=505.26M Pa,应力幅 oae，=252.63M Pa极限应力点M的疲劳极限0 rM=。me+oae=757.89M Pa计算安全系数 Sca=o rM/o max=757.89/450=1.684Sea?(4)(5)VSca=1.6841.3,，该零件能满足强度要求。2.如下图所示为一个铸铁托架，用四个普通螺栓固定在铸钢立柱上，已知W=1000N,L=700mm,Ll=300mm,接触面间的摩擦系数f=0.2,螺栓的许用拉应力。=50M Pa,防滑系数KS=1.3。试确?1480?1.684
9、K?a?ml.5?150?0,2?300解：（1）将 W 向 W=W=1000N；T=WL=1000 X 700=7 X 105（N mm）；（2 分）（2）在 W 作用下：R1W=R2W=R3W=R4W=W/Z=1000/4=250（N）,方向如图所示；T7?105?824.96L122Z?300?4TTTT22 在 T 作用下：Rl=R2=R3=R4=（N）,方向如图所示；由受力图可知，在 W 和T 共同作用下，以螺栓2、3 联接处所受的横向载荷为最大，即为：R2?R3?R?RW22T22WT?2R2R2cosl35?2502?824.962?2?250?824.96cosl35?1017
10、.2（N）（7 分）（3）由螺栓2 或螺栓3 处联接不滑移的条件得：VQpfZm=KSR2,.*.Qp?KSR21,3?1017.2?6611,88fZm0.2?l?l（N）（3 分）?（4）由螺栓杆强度条件得：故应选择M 18的普通螺栓，dl=15.29614.795（3 分）3.一工程机械传动装置中的轴，采用一对圆锥滚子轴承支承，背靠背的反装（如题3 图所示），已知作用于轴上的径向力Fr=9000N,轴向力Fa=1200N,其方向和作用位置如图所示，运转中受轻微冲击（fP=1.2）,常温下工作（f轴承所受的径向载荷RI,R2；(2)轴承派生的内部轴向载荷S1,S 2,并在图中画出其方向；(
11、3)轴承所受的轴向载荷Al,A2；轴承所受的当量动载荷Pl，P2o解：(l)Rl=FrL2/(Ll+L2)=9000X260/(190+260)=5200N,R2=FrLl/(Ll+L2)=9000X190/(190+260)=3800N；(3 分)(2)S1=R1/(2Y)=5200/(2X1.6)=1625N,S2=R2/(2Y)=3800/(2X1.6)=1187.5N,其方向如图所示；(3分)(3)Fa+S2=1200+1187.5=2387.5S1=1625,轴有向右窜动故：轴承 1 为压紧端，Al=Fa+S2=1200+1187.5=2387.5N,轴承2 为放松端，A2=S2=1
12、187.5N (3分)(4)计算轴承1、2 的当量动载荷：轴承1：Al/R1=2387.5/5200=0,4590.37=e,故：Xl=0.4、Yl=1.6；Pl=fp(XlRl+YlAl)=1.2X(0.4X5200+1.6X2387.5)=7080 N轴承2:A2/R2=1187.5/3800=0.31250.37=e,故：X2=l、Y2=0；P2=fp(X2R2+Y2A2)=1.2义(1X3800+0X1187.5)=4560 N(6分)dl?5.2Qp?5.2?6611.88?14.7953.14?50(mm)SI四.传动零件受力分析题（本 题15分）下图为一直齿圆锥齿轮一一斜齿圆柱齿
13、轮一一蜗杆蜗轮三级传动。已知圆锥齿轮1为主动件，转向如图所示。试在下图中标出：各轮的转向；欲使轴n、轴m上轴承所受的轴向力为最小时，斜齿圆柱齿轮和蜗杆蜗轮 的 旋 向（要求画出并用文字标出他们的旋向）；各轮在啮合点处的诸分 力（Ft、Fr、Fa）的方向。五.轴系零件结构改错（本 题15分）下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误，指出十处或八处以上错误者满分）。例如：精加工面过长且装拆轴承不便。解：1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩；2.键槽过长安装上的键与轴承端盖干涉（相碰）；3.轴承端盖的加工面与非加工面没有区分开；4.在轴与轴承端盖
14、孔之间缺少密封圈；5.在轴与轴承端盖孔之间应留有间隙；6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片；7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接；8.套筒顶不住齿轮（过定位）9.套筒过高，轴承无法拆卸；10.轴承安装反了；11.轴过长且与轴承端盖相碰。中 原 工 学 院20042005学年第一学期机械制造及自动化专业 机械设计课程期末试卷（答案）一、是非题（用“J”表示正确，“X”表示错误，填在题末的括号中）。（本大题共10小题，每小题1分，总计10分）1、断裂和塑性变形、过大的弹性变形、工作表面的过度磨损或损伤、发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等都是零件的失效形式。（V）2、用于紧固联接的
15、螺纹不仅自锁性要好，而且传动的效率也要高。（X）3、受交变横向载荷作用的普通螺栓组联接，在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。（V）4、对于受转矩作用的普通螺栓组联接，各螺栓杆将受到不等的剪力作用，且其剪力的大小与螺栓杆轴线到螺栓组联接的转动中心之距离成正比。（X）5、带传动的弹性滑动将引起在主动带轮上带的速度要逐渐迟后于主动带轮轮缘的速度，在从动带轮上带的速度要逐渐超前于从动带轮轮缘的速度。（V）6、为了避免带的弯曲应力过大，在设计带传动时需要限制小带轮的基准直径。（V）7、带传动和渐开线齿轮传动都能实现定角速比传动。（X）8、在闭式齿轮传动中，齿面磨损是其齿轮的主要失效形式。(X)9、直齿圆
16、锥齿轮的强度计算中，通常近似地以大端分度圆处的当量圆柱齿轮来代替圆锥齿轮进行强度计算。（X）10、为了保证圆柱蜗杆传动良好的磨合（跑合）和耐磨性，通常采用钢制蜗杆与铜合金蜗轮。（V）二、选择题（将正确的代码A、B、C、D 填入横线上方的空格处）。（本大题共10小题，每小题1 分，总计10分）1、下列四种叙述中，D _ 是正确的A.变应力只能由变载荷产生 B.静载荷不能产生变应力C.变应力是由静载荷产生 D.变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生2、右图为某齿轮传动装置，轮 1 为主动轮且转向不变，则轮2 的齿根弯曲应力按 A 变化。A.对称循环 B.脉动循环C.应力比r=-0.5 的循环D.应
17、力比r=+l的循环3、螺纹联接是一种A.可拆联接；B.不可拆联接；C.动联接；D.过盈联联接4、某一轴、毂采用普通圆头平键联接，已知轴的直径d=60mm,键的尺寸为bXhX 1=18X11X80（单位mm），轴的许用挤压应力为：o p=100M pa,毂的许用挤压应力为：op=70M pa,则该轴、毂联接所能传递的最大转矩T 为：A oA.Tmax=716,1N m；B.Tmax=924N m；C.Tmax=1432.2N m；D.Tmax=1618.1N m5、V 带型号的选择是根据A.小带轮上的功率P l和转速n l；B.大带轮上的功率P2和转速n2；C.小带轮上的转矩T1和转速n l；D
18、.大带轮上的转矩T2和转速n26、带传动在工作时，假定小带轮为主动轮，则带内应力的最大值发生在带。A.进入大带轮处 B.进入小带轮处C.离开大带轮处 D.离开小带轮处A.2 组；B.3 组；C.4 组；D.5 组8、一对软齿面闭式齿轮传动，若要提高其接触强度，可采取A.在中心距a 和齿数比u 不变的条件下增大齿数z l；B.在中心距a 和齿数比u 不变的条件下增大模数m；C.在齿数比u不变的条件下增大中心距a；D.在齿数比u 不变的条件下减小中心距a9、按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数a 是考虑。A.材料抗弯与抗扭的性能不同；B.强度理论的要求;C.轴的结构设计要求；D.弯曲应
19、力和扭转切应力的循环特性不同10、在下列轴承中，只能承受径向载荷的轴承是A.深沟球轴承 B.调心球轴承 C.调心滚子轴承 D.圆柱滚子轴承三、填空题（本大题共5 小题，每小题2 分，总计10分）1、普通螺纹因牙形角大而，故常用于联接；而梯形螺纹效率高，故常用于。2、设计键联接时，先根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件选择键的类型；再按径选择键的截面尺寸（bXh）,由轮毂宽度和工作条件选择键的长度；最后对键联接进行必要的强度校核计算。3、带传动的失效形式有：和。4、在轮齿弯曲强度计算中，齿形系数YFa的大小与齿数z、变位系数X、斜齿轮的螺旋角B 和分度圆上压力角a 有关，而与模数 m 无关。
20、5、右图所示为一卷扬机传动系统。根据轴的分类，其中轴II为 转 轴，轴IV为 芯 轴。四、计算题（本大题共3 小题，第 1 小题15分、第 2 小题10分，第3 小题20分，共计45分）1.某零件用40Cr钢制成，材料的力学性能为：o-l=480M Pa,。S=800M Pa,3。=0.2。零件弯曲疲劳极限的综合影响系数K。=1.5。已知作用在零件上的工作应力：。max=450M Pa,o min=150M Pa,应力比 r?常数；试求：绘制出该零件的极限应力简图；且标出零件的工作应力点M,加载应力变化线以及极限应力点M l'；(9 分)用图解法确定该零件的极限应力的平均应力。me、应
21、力幅o ae和极限应力点M的疲劳极限。rM并用其结果计算该零件的计算安全系数 Sea；(4 分)用计算法确定该零件的计算安全系数Sea。(2 分)解：(1)V?2?l?0?0；.，.?0?2?12?480?8001?l?0.2M Pa(2 分)在零件的极限应力简图中，各点坐标为：?0?1?0A(0,K?)=A(0,320)；B(2,2K?)=(400,266.7)；C(。S,0)=(800,0)?K?s?l?l?s?K?,K?或G?1.5?800?480480?0,2?800?,?553.85,246.15?1.5?0.2?=G?1,5?0.2(3分)(作图2 分)a m=(o max+o m
22、in)/2=(450+150)/2=300M Pa,o a=(o max-omin)/2=(450-150)/2=150M Pa(1 分)工作应力点M,加载应力变化线以及极限应力点M l'如图所示(1 分)(2)由图可量的极限应力点M的平均应力。me=505.26M Pa,应力幅 O ae=252.63M Pa极限应力点M 的疲劳极限。rM=ome+o ae=757.89M Pa计算安全系数 Sca=。rM /。max=757.89/450=1,684（4 分）（3）Sca?1480?1.684K?a?ml.5?150?0.2?300（2 分）om2.一方形盖板用4 个螺栓与箱体联接，
23、盖板中心O 点的吊环受拉力FS=10kN o现要求：（1）设工作载荷有变化，取残余预紧力F1为工作拉力F的0.6倍，试计算每个螺栓的总拉力F2；（2）如因制造误差，吊环由。点移至点O（见下图）,。0'?,试计算受力最大的螺栓的总拉力F2max。（满分10分）解：（1）F?F?10?2.5Z4（kN）（2 分）F2=F1+F=1.6F=1.6X2.5=4（kN）（2 分）将F Z 向。点平移，得：轴向外载荷F2 =FS=10 kN倾覆力矩M=F?00'=10?kN （2 分）轴向工作拉力：F?'10F?F?F?F?Z?4?2.5 由 FZ 引起的轴向工作拉力：（kN）（1
24、分）F?'F?'F?'F?'？FM?FM?由M引起的轴向工作拉力：最大工作拉力：M?0.252（kN）（1 分）（kN）（1 分）Fmax?FF?FM?2.5?0.25?2.75?'F?F?F?1.6F?1.6?2.75?4.4（kN）（1 分）2maxlmaxmax 最大的螺栓的总拉力：3.一工程机械传动装置中的锥齿轮轴，采用一对30207圆锥滚子轴承（基本额定动载荷Cr=54.2kN,基本额静动载荷CrO=63.5kN）支承，背靠背的反装（如图所示）。已知作用于锥齿轮上的径向力Fre=5000N,轴向力 Fae=1000N,其方向和作用位置如图所示。
25、轴的转速nl=1450r/min,运转中受轻微冲击（fP=1.2）,常 温 下 工 作 试 求：（满分20分）（1）轴承所受的径向载荷Frl,Fr2；（2）轴承1、2 派生轴向力Fdl,Fd 2,并在图中画出其方向；（3）轴承所受的轴向载荷Fai,Fa2；（4）轴承所受的当量动载荷Pl,P2o（5）轴承的额定寿命Lhl,Lh2解：(1)由轴的静力平衡条件得:Frl=Fre(L1+L2)0.5dmFae/L2=5000X(100+400)-0.5 X 200X 1000/400=6000(N)F r2=一FreLl+0,5dmFae/L 2=5000X100+0.5X200X 1000/400=
26、-1000(N)(4 分)(2)Fdl=Frl/(2Y)=6000/(2X1.6)=1875N,aeFd2=Fr2/(2Y)=1000/(2X1.6)=312.5N,其方向如图所示;(4 分)(3)Fae+Fd2=1000+312.5=1312,5 Fd 1=1875,轴有向左窜动趋势，故：轴承1 为放松端，Fai题 2.图=Fdl=1875N,轴承2 为压紧端，Fa2=Fd 1-Fae=1875-1000=875N (4 分)(4)计算轴承1、2 的当量动载荷：轴承1：Fai/Frl=1875/6000=0.31250.37=e,故：X2=0.4、Y2=1.6；P2=fp(X2Fr2+Y2F
27、a2)=1.2X(0.4X1000+1.6X875)=2160N(4 分)(5)轴承的寿命Lhl,Lh2：10?ftC?106?l?54200?Lhl?60n?P60?1450?7200?l?10?ftC?106?l?54200?Lh2?60n?P2?60?1450?2160?66?10/3?9609.56?h?10/3?531658.22?h?（4 分）五.传动零件受力分析题（本 题10分）下图为一直齿圆锥齿轮一一斜齿圆柱齿轮一一蜗杆蜗轮三级传动。已知圆锥齿轮1为主动件，转向如图所示。试在下图中标出：各轮的转向；（2分）欲使轴n、轴ni上轴承所受的轴向力为最小时，斜齿圆柱齿轮和蜗杆蜗轮的旋向
28、（要求画出并用文字标出他们的旋向）；（4分）各轮在啮合点处的诸分力（Ft、Fr、Fa）的方向。（4分）六.轴系零件结构改错（本 题15分）下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误，指出十处错误者满分，每指出一处 得1.5分）。例如：精加工面过长且装拆轴承不便。按上述范例在图中标出结构不合理及错误所在，并用文字说明原因（如果不说明原因不给分）。解：（每指出一处得1.5分）1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩；2.键槽过长安装上的键与轴承端盖干涉（相碰）；3.轴承端盖的加工面与非加工面没有区分开；4.在轴与轴承端盖孔之间缺少密封圈；5.在轴与轴承端盖孔之间应留有间隙;6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片；7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接；8.套筒顶不住齿轮（过定位）9.套筒过高，轴承无法拆卸；10.轴承安装反了；11.轴过长且与轴承端盖相碰。