《机械设计基础》课程问题及解答.docx

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《机械设计基础》课程问题及解答

《机械设计基础》问题及解答

1、机器与机构

（一）名词解释

1.机械：

机器、机械设备和机械工具的统称。

2.机器：

是执行机械运动，变换机械运动方式或传递能量的装置。

3.机构：

由若干零件组成，可在机械中转变并传递特定的机械运动。

4.构件：

由若干零件组成，能独立完成某种运动的单元

5.零件：

构成机械的最小单元，也是制造的最小单元。

6.标准件：

是按国家标准（或部标准等）大批量制造的常用零件。

（二）简答题：

1.机器与机构的主要区别是什么？

答：

机构不能作为传递能量的装置。

2.构件与零件的主要区别是什么？

答：

构件运动的最小单元，而零件是制造的最小单元。

3.何谓标准件？

它最重要的特点是什么？

试列举出五种标准件。

答：

是按国家标准（或部标准等）大批量制造的常用零件。

最重要的特点是：

具有通用性。

例如：

螺栓、螺母、键、销、链条等。

4.标准化的重要意义是什么？

答：

标准化的重要意义可使零件、部件的种类减少，简化生产管理过程，降低成本，保证产品的质量，缩短生产周期。

2、静力学与材料力学

（一）名词解释

1.强度极限：

材料σ-ε曲线最高点对应的应力，也是试件断裂前的最大应力。

2.弹性变形：

随着外力被撤消后而完全消失的变形。

3..塑性变形：

外力被撤消后不能消失而残留下来的变形。

4..延伸率：

δ=（l1-l）/l×100％，l为原标距长度，l1为断裂后标距长度。

5.断面收缩率：

Ψ=（Ａ－Ａ1）/Ａ×100％，Ａ为试件原面积，Ａ1为试件断口处面积。

6.工作应力：

杆件在载荷作用下的实际应力。

7.许用应力：

各种材料本身所能安全承受的最大应力。

8.安全系数：

材料的极限应力与许用应力之比。

9.正应力：

沿杆的轴线方向，即轴向应力。

10.剪应力：

剪切面上单位面积的内力，方向沿着剪切面。

11.挤压应力：

挤压力在局部接触面上引起的压应力。

12.力矩：

力与力臂的乘积称为力对点之矩，简称力矩。

13.力偶：

大小相等，方向相反，作用线互相平行的一对力，称为力偶

14.内力：

杆件受外力后，构件内部所引起的此部分与彼部分之间的相互作用力。

15.轴力：

横截面上的内力，其作用线沿杆件轴线。

16.应力：

单位面积上的内力。

17..应变：

ε=Δl/l，亦称相对变形，Δl为伸长（或缩短），l为原长。

18.合力投影定理：

合力在坐标轴上的投影，等于平面汇交力系中各力在坐标轴上投影的代数和。

19.强度：

构件抵抗破坏的能力。

20.刚度：

构件抵抗弹性变形的能力。

21.稳定性：

受压细长直杆，在载荷作用下保持其原有直线平衡状态的能力。

22.虎克定律：

在轴向拉伸（或压缩）时，当杆横截面上的应力不超过某一限度时，杆的伸长（或缩短）Δl与轴力N及杆长l成正比，与横截面积Ａ成正比。

22.拉（压）杆的强度条件：

拉（压）杆的实际工作应力必须小于或等于材料的许用应力。

23.剪切强度条件：

为了保证受剪构件在工作时不被剪断，必须使构件剪切面上的工作应力小于或等于材料的许用剪应力。

24.挤压强度条件：

为了保证构件局部受挤压处的安全，挤压应力小于或等于材料的许用挤压应力。

25.圆轴扭转强度条件：

保证危险点的应力不超过材料的许用剪应力。

26.弯曲正应力强度条件：

为了保证梁的安全，应使危险点的应力即梁内的最大应力不超过材料许用应力。

27.中性层：

在伸长和缩短之间必有一层材料既不伸长也不缩短。

这个长度不变的材料层称为中性层。

28.中性轴：

中性层与横截面的交线称为中性轴。

29.塔式起重机的稳定性：

起重机必须在各种不利的外载作用下，抵抗整机发生倾覆事故的能力，称为塔式起重机的整机稳定性。

30.自锁：

当主动力位于摩擦锥范围内，不论主动力增加多少，正压力和磨擦力的合力与主动力始终处于平衡状态，而不会产生滑动，这种现象称为自锁。

（二）简答题及答案

1.何谓“截面法”，它与静力学中的“分离体”有何区别？

答：

截面法是揭示和确定杆件内力的方法。

分离体是取消约束后的实物，用以画出所受全部主动力和约束反力的受力图。

2.杆件有哪些基本变形？

答：

杆件有四种基本变形：

拉伸和压缩、剪切、扭转、弯曲。

3.杆件在怎样的受力情况下才会发生拉伸（压缩）变形？

答：

杆件在轴向拉（压）力作用下才会发生拉伸（压缩）变形。

4.根据构件的强度条件，可以解决工程实际中的哪三方面的问题？

答：

①校核强度、②确定截面尺寸、③确定载荷。

5.圆轴扭转时，横截面上产生什么应力？

怎样分布？

怎样计算？

答：

扭转剪应力。

剪应力沿半径分布，与到圆心的距离成正比，圆心处剪应力为零，最大应力发生在周边，剪应力方向与半径垂直。

6.何谓中性层、中性轴？

答：

中性层：

在伸长和缩短之间必有一层材料既不伸长也不缩短。

这个长度不变的材料层称为中性层。

中性轴：

中性层与横截面的交线称为中性轴。

7.直梁弯曲时，横截面上产生什么应力？

怎样分布？

怎样计算？

答：

直梁弯曲时，横截面上由弯矩产生弯曲正应力。

中性轴把截面分成两部分，梁弯曲的外凸部分受拉应力，内凹部分受压应力。

计算公式为：

σmax=Mmax/WZ。

8.受弯矩的杆件，弯矩最大处是否一定是危险截面？

为什么？

答：

不一定，由公式可知σmax不仅取决于Mmax，还与W（或直径d）有关，比值最大处才是危险截面。

9.何为材料的强度极限？

答：

材料的强度极限代表材料抵抗疲劳破坏的能力。

10.为什么空心圆截面比实心圆截面的抗扭性能好？

答：

由于横截面上的扭矩主要由靠近圆轴表面的那部分材料承受，靠近中心部分的材料几乎没有发挥承载作用。

若把中心部分的材料移到边缘，使其成为空心轴，不仅应力提高而且半径增加，能提供更大的扭矩，就能有效提高轴的承载能力。

11.何谓脆性材料及塑性材料？

如何衡量材料的塑性？

比较脆性材料及塑性材料的力学性质。

答：

塑性材料是延伸率和断面收缩率很大的材料，延伸率δ≥5的材料。

脆性材料是延伸率δ＜5的材料。

其力学性质用延伸率、断面收缩率和冲击韧性来衡量。

12.根据工作机所需的功率选择电机应注意什么原则？

答：

根据工作机负载特点选择电机，一般分为三类：

①连续工作：

要求电机的额定功率应接近或稍超过输入功率；②断续工作：

一般电机的额定功率低于负载所需功率；③短时工作：

电机的额定功率可比负载所需功率低很多，即允许电机短时超负荷工作，不会引起绕组温升过高。

13.剪切的受力特点是什么？

变形特点是什么？

答：

受力特点：

构件受剪切时，其两侧受一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的外力作用。

变形特点：

介于作用力中间部分的截面将沿力作用的方向发生相对错动。

14.什么叫二力杆？

答：

一个杆件所受二力大小相等、方向相反、作用在两铰中心连线上。

3、平面机构

（一）名词解释

1.机构具有确定运动的条件：

当机构给定主动件运动规律的数目等于自由度数时，即机构具有确定运动。

2.死点位置：

当曲柄摇杆机构的连杆和从动件共线时，即为死点位置。

3.急回性质：

平面连杆机构中的摇杆往复摆动时所需时间一般并不相同，要求返回空行程明显快于工作行程。

（二）简答题及答案

1.铰链四杆机构的基本形式有哪几种？

各有何特点？

答：

基本形式有三种：

曲柄摇杆机构、双摇杆机构、双曲柄机构。

曲柄摇杆机构：

一般曲柄为原动件，作等速转动，连杆和摇杆为从动件分别作平面运动和往复摆动。

双摇杆机构：

两连架杆均为摇杆的四杆机构。

双曲柄机构：

两连架杆均为曲柄的四杆机构。

2.什么是机架、连架杆、连杆？

最短的连架杆是否一定是曲柄？

答：

机架：

固定不动的杆；连架杆：

与机架相连的杆；连杆：

不与机架相连的杆。

只有当曲柄与最长杆之和小于戊等于其他两杆长度之和时，最短的连架杆才是曲柄。

3.连杆机构的压力角是确定值还是变化值？

它对机构的传力性能有何影响？

答：

连杆机构的压力角是变化值。

压力角小使传动运转轻便，机械效率高。

4.如何判断四杆机构是否有急回性质？

极位夹角θ与急回性质有何关系？

答：

判断四杆机构是否有极位夹角θ；如θ越大，行程速比系数Ｋ越大，急回特性越好。

5.机构具有确定运动的条件是什么?

答：

机构的主动件数等于自由度数时,机构就具有确定的相对运动。

6.在计算机构的自由度时，要注意哪些事项？

答：

应注意机构中是否包含着复合铰链、局部自由度、虚约束。

7.机构运动简图有什么作用？

如何绘制机构运动简图？

答：

（1）能抛开机构的具体结构和构件的真实外形，简明地表达机构的传动原理，并能对机构进行方案讨论和运动、受力分析。

（2）绘制机构运动简图的步骤如下所述：

①认真研究机构的结构及其动作原理，分清机架，确定主动件。

②循着运动传递的路线，搞清各构件间相对运动的性质，确定运动副的种类。

③测量出运动副间的相对位置。

④选择视图平面和比例尺，用规定的线条和符号表示其构件和运动副，绘制成机构运动简图。

连杆机构中的急回特性是什么含义？

什么条件下机构才具有急回特性？

答：

（1）当曲柄等速转动时，摇杆来回摇动的速度不同，返回时速度较大。

机构的这种性质，称为机构的急回特性。

通常用行程速度变化系数K来表示这种特性。

（2）当

时，则

，机构具有急回特性。

8.铰链四杆机构中曲柄存在的条件是什么？

曲柄是否一定是最短杆？

答：

（1）最长杆与最短杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和；最短杆或相邻杆应为机架。

（2）曲柄不一定为最短杆，如双曲柄机构中，机架为最短杆。

9.何谓连杆机构的死点？

举出避免死点和利用死点的例子。

答：

（1）主动件通过连杆作用于从动件上的力恰好通过其回转中心时的位置，称为连杆机构的死点位置。

（2）机车车轮在工作中应设法避免死点位置。

如采用机车车轮联动机构，当一个机构处于死点位置时，可借助另一个机构来越过死点；飞机起落架是利用死点工作的，当起落架放下时，机构处于死点位置，使降落可靠。

4、凸轮机构

（一）名词解释

1.凸轮基圆：

凸轮轮廓曲线的最小半径所作的圆。

2.从动件的位移曲线：

从动件一个工作循环的位移时间曲线。

3.间歇运动机构：

指专用于产生从动件间歇运动的机构。

4.刚性冲击：

加速度无穷大突变而引起惯性力无穷大的冲击现象。

发生在等速运动规律的始末两处。

5.柔性冲击：

加速度为有限值突变而引起的惯性冲击现象。

发生在等加等减运动规律的始、中、末三处和余弦运动规律的始末两处。

（二）简答题及答案

1.滚子从动件盘形凸轮的基圆半径如何度量？

答：

是在理论轮廓上度量的。

2.平底垂直于导路的直动从动件盘形凸轮机构的压力角等于多大？

设计凸轮机构时，对压力角有什么要求？

答：

（1）等于零。

（2）从传力合理，提高传动效率来看，压力角越小越好。

设计时规定：

3.凸轮机构常用的从动件运动规律中，哪种运动规律有刚性冲击？

哪些运动规律有柔性冲击？

哪种运动规律没有冲击？

如何来选择从动件的运动规律？

答：

匀速运动规律有刚性冲击；等加速-等减速和余弦加速度运动规律有柔性冲击；正弦加速度运动规律没有冲击。

在选择从动件的运动规律时，应根据机器工作时的运动要求来确定。

4.工程上设计凸轮机构时，其基圆半径一般如何选取？

答：

先根据结构条件初定基圆半径

。

若出现

，则需增大基圆半径

，再重新进行设计。

5、带传动与链传动

简答题及答案

（一）带传动

1.为了避免带的打滑，将带轮上与带接触的表面加工的粗糙些以增大摩擦力，这样处理是否正确，为什么？

答：

不可以。

由于带传动工作时存在弹性滑动，粗糙表面将加速带的疲劳破坏。

2.何谓带传动的弹性滑动和打滑？

能否避免？

答：

弹性滑动：

带具有弹性，紧边拉力大，应变大，松为拉力小，应变小。

当带由紧边侧进入主动轮到从松边侧离开主动轮有个收缩过程，而带由进入从动轮到离开从动轮有个伸长过程。

这两个过程使带在带轮上产生弹性滑动。

弹性滑动不能避免。

打滑：

由于张紧不足，摩擦面有润滑油，过载而松弛等原因，使带在带轮上打滑而不能传递动力。

打滑能避免。

3.在设计带传动时为什么要限制带速v、小带轮直径d1和带轮包角α？

答：

带速大则离心拉应力大，所以限制v＜30m/s；小带轮直径d1小则弯曲拉应力大，造成工作应力过大在交变应力作用下，带将产生疲劳破坏；一般要求带轮包角α≥120°，以防带与带轮接触弧长不足，带在轮上打滑。

4.带传动的主要类型有哪些？

各有何特点？

试分析摩擦带传动的工作原理。

答：

按传动原理的不同，带传动可分为摩擦型带传动和啮型带传动。

前者是依靠传动带与带轮间的摩擦力实现传动；后者是依靠带内侧凸点与带轮外像上的齿槽相啮合实现传功。

摩擦带传动是由主动轮、从动轮、紧套在两轮上的传功带及机架组成的，当原动机驱动主功轮转动时，由于带与带轮间摩擦力的作用，使从动轮一起转动，从而实现运动和动力的传递。

5.什么是有效拉力？

什么是初拉力？

它们之间有何关系？

答：

当传动带静止时，带两边承受相等的拉力，此力称为初拉力

。

当传动带传动时，带两边的拉力不再相等。

紧边拉力为

，松边拉力为

。

带两边的拉力之差称为带传动的有效拉力F。

设环形带的总长度不变，可推出

6.小带轮包角对带传动有何影响？

为什么只给出小带轮包角

的公式？

答：

角增大说明了整个接触弧上的摩擦力的总和增加，从而提高传动能力。

由于大带轮的包角

大于小带轮的包角

，打滑首先发在小带轮，因此，只要考虑小带轮的包角

值。

7.带传动工作时，带截面上产生哪些应力？

应力沿带全长是如何分布的？

最大应力在何处？

答：

带传动时，带中的应力有三个：

（1）由拉力产生的拉应力，带全长上分布的，紧边上为

、松边上为

、

>

。

（2）由离心力产生和离心拉应力

，作用于带的全长的。

（3）带绕过带轮时发生弯曲，产生的弯曲后应力

，发生在带上包角所对的圆孤部分，

。

最大应力发生在带左紧边进入小带轮处。

8.带传动的弹性滑动和打滑是怎样产生的？

它们对传动有何影响？

是否可以避免？

答：

弹性滑动和打滑是两个截然不同的概念。

打滑是指过载引起的全面滑动，是可以避免的。

而弹性滑动是由拉力差引起的，只要传递圆周力，就必然会发生弹性滑动，是一种不可避免的物理现象。

9一般来说，带传动的打滑多发生在大带轮上还是小带轮上，为什么？

答：

因为

，故打滑总是先发生在小轮上。

因为小带轮的接触弧上产生的摩擦力小于大带轮。

10.带传动的设计准则是什么？

答：

在传递规定功率时不打滑，同时具有足够的疲劳强度和一定的使且寿命。

11.在V带动设计过程中，为什么要校验带速

和包角

？

答：

带速太高会使离心力增大，使带与带轮间的摩擦力减小，传动容易打滑。

另外单位时间内带绕过带轮的次数也增加，降低传动带的工作寿命。

若带速太低，则当传递功率一定时，使传递的圆周力增大，带的根数增多。

因此设计时，一定要校验带速5m/s

是影响带传动工作能力的重要参数之一，因此，一般应使

。

12.带传动张紧的目的是什么？

张紧轮应安放在松边还是紧边上？

内张紧轮应靠近大带轮还是小带轮？

外张紧轮又该怎样？

并分析说明两种张紧方式的利弊。

答：

带传动工作一段时间后就会由于传动带的塑性变形而使带松驰，带内的初拉力减小，传动能力下降，这时必须要重新使带张紧。

张紧轮一般设置在松边的内侧且靠近大带轮处。

若设置在外侧时，则后使其靠近小带轮，选择可以增加小带轮的包角，提高带的疲劳强度。

13.窄V带强度比普通V带高，这是为什么？

窄V带与普通V带高度相同时，哪种传动能力大，为什么？

答：

窄V带的截面高度与其节宽之比为0.9。

且其顶宽约为同高度普通V带的3/4；顶面呈拱形，受载后抗拉层仍处于同一平面内，受力均匀；两侧面略呈内凹，使其在带轮上弯曲变形时能与槽很好地贴合，增大摩擦力，从而提高承载能力。

当窄V带与普通V带高度相同时，窄V带的承载能力可提高1.5～2.5倍。

14.试分析同步带传动的工作原理。

答；工作时，带内环表面上的凸齿与带轮外缘上的齿槽相啮合而进行传动。

由于带与带轮间没有相对滑动，保证了同步传动。

15.为什么计算同步带传动的几何尺寸时可就用普通V带的计算公式？

答：

同步带传动可视为同步齿形带节线与带轮的节圆相切的开口传动，其传动几何尺寸的计算方法应与普通V带传动相同。

（二）链传动

1、链传动组成、特点和应用

组成：

链传动机构由链条和主、从动链轮所组成。

特点：

与带传动相比，链传动能没有滑动能保持准确的平均传动比；张紧力小，故对轴的压力小；效率比带传动高；对工做条件要求低可在高温、油污、潮湿等恶劣环境下工作。

但其瞬时传动比变化造成从动轮瞬时转速不均匀，高速传动平稳性差，工作时有噪声，

应用：

一般多用于要求平均传动比准确，中心距较大的两平行轴间，工作条件恶劣不宜用带传动和齿轮传动地低速场合。

2、链传动的主要失效形式

1.链板的疲劳破坏（松紧边拉力不同）

2.多次冲击破断（啮合冲击，冲击载荷）

3.链条铰链的磨损（开式传动，结果：

节距增大易脱链）

4.销轴与套筒的胶合（高速润滑不良）

5.静强度拉断（低速重载或严重过载）

3、链传动主要参数的选择

1.链节距p

链节距P越大，承载能力越大，但引起的冲击，振动和噪音也越大。

为使传动平稳和结构紧凑，应尽量选用节距较小的单排链，高速重载时，可选用小节距的多排链。

2．链轮齿数

选择小链轮齿数Z1─→计算大链轮齿数Z2=iZ1。

小链轮齿数Z1过少─→运动不平稳严重。

小链轮齿数Z1过大─→增大了传动的尺寸和质量。

另为使磨损均匀，链轮齿数宜取奇数。

3.中心距和链节数

中心距a过小——链条绕转次数增多，加剧磨损和疲劳；

——链条在小轮上的包角变小，易跳齿和脱链；

中心距a过大——从动边垂度过大，造成松边颤动。

一般初选中心距a0=（30-50）pa0max=80p

4、简答题及答案

1.链传动和带传动相比有哪些优缺点？

答：

链传动与带传动相比的优点是链传动能保证定传动比传动，张紧力小，对轴的压力小，可在高温、油污、潮湿等恶劣环境下工作。

　其缺点是工作平稳性差，工作时有噪声。

2.影响链传动速度不均匀性的主要参数是什么？

为什么？

答：

影响链传动速度不均匀性的主要参数是链轮齿数z1和链节距p。

因为链传动的运动情况和绕在多边形轮子上的带传动很相似，边长相当于链节距p，边数相当于链轮齿数z，由于链速（即链销轴圆周速度的水平分速度

其速度随

角而变化）由小变大，又由大变小，而且每转过一链节要重复上述的变化一次，故链速作周期性的变化，而使链传动带来了速度的不均匀性，链节距愈大和链轮齿数愈少，链速不均匀性也愈增加，使链节作忽上忽下、忽快忽慢的变化，故使其瞬时传动比发生变化。

3.链节距p的大小对链传动的动载荷有何影响？

答：

链节距越大，链条各零件的尺寸越大，由于链传动中链速有变化，若链节距越大，产生的动载荷也越大。

4.链传动的主要失效形式有哪几种？

答：

链传动的主要失效形式有：

（1）链板疲劳破坏；

（2）滚子和套筒的冲击疲劳破坏；（3）铰条铰链磨损；（4）链条铰链的胶合；（5）链条静力拉断。

5.链传动的设计准则是什么？

答：

链传动传动的设计准则：

对于中高速

链传动主要失效形式为疲劳破坏，设计计算时以功率曲线为依据，应使计算功率小于额定功率值；对于低速

链传动，其主要失效形式为静力拉断，应进行静强度计算，校核静强度安全系数S。

6.设计链传动时，为减少速度不均匀性应从哪几方面考虑？

如何合理选择参数？

答：

设计链传动时，为减少速度不均匀性应合理选择参数：

小链轮齿数不宜过少，一般

，以减小速度波动的幅度。

另外，链节距尽量选小，以减小链轮的直径，减少链接。

7.链传动的功率曲线是在什么条件下得到的？

在实际使用中要进行哪些项目的修正？

答：

链传动的功率曲线的试验条件是：

、

、

、单排链、载荷平稳、采用推荐的润滑方式，寿命为15000h、两轮端面共面。

在实际使用中要对

、

、

、排数进行修正。

8.链传动的合理布置有哪些要求？

答：

链传动的布置应注意使两轴线应平行布置，两链轮的回转平面应在同一平面内。

应使主动边在上，从动边在下，即紧边在上，松边在下。

若松边在上会使链与轮齿相干涉。

两轮中心的连线尽量在同一水平面上。

如倾斜布置，其与水平面的夹角应小于

；若垂直布置时，需加张紧轮，以免下链轮啮合不良。

9.链传动为何在适当张紧？

常用的张紧方法有哪些？

答：

链传动需要适当的张紧，因为链传动链条的重量比较大，由于自重会产生下垂，若垂度过大会引起啮合不良。

常用的张紧方法有调整中心距，或采用张紧轮的方法。

张紧轮应设在松边。

10.如何确定链传动的润滑方式？

常用的润滑装置和润滑油有哪些？

答：

链传动的润滑方法有4种，应根据链速和链节距的大小据讲义图6-19选择。

具体的润滑装置如图图6-20所示，润滑油应加于松边。

常用的润滑装置有油杯，油池用于浸油润滑；用甩油轮使油飞溅起来润滑；用油泵、油管、油嘴进行喷油润滑。

常用的润滑油有L-AN32、L-AN46、L-AN68。