《机械设计基础》课程问题及解答

《机械设计基础》问题及解答

一、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。

二、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=M max/W Z。

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。

三、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0θ≠时，则1K >，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。

四、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：

[]max αα≤

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r 。若出现[]αα>，则需增大基圆半径r ，再重新进行设计。

五、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

0F 。 当传动带传动时，带两边的拉力不再相等。紧边拉力为

1F ，松边拉力为2F 。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()01212F F F =+

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

1α的公式？ 答：1α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

2α大于小带轮的包角1α，打滑首先发在小带轮，因此，只要考虑小带轮的包角1α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1δ、松边上为2δ、1δ> 2δ。（2）由离心力产生和离心拉应力c δ，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b δ，发生在带上包角所对的圆孤部分，12b b δδ>。

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12αα<，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5m /s 25m /s v ≤≤和包角120α≥？ 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

1α是影响带传动工作能力的重要参数之一，因此，一般应使1120α≥。

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)p a0max=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11cos

v rωβ

=,其速度随β

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(0.6m s)v >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(0.6m s)v ≤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117z >，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：119z =、3i =、40a p =、单排链、载荷平稳、采

用推荐的润滑方式 ，寿命为15 000h 、两轮端面共面。在实际使用中要对

1z 、i 、a 、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45；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。