复杂机械系统复习内容

哈工大 2008 年秋季学期

机械系统设计试题（B）答案

一、填空题

1. 从系统所能完成的功能来分，机械系统主要由动力系统、执行系统、传动

系统、操作和控制系统、支承系统、润滑、冷却等子系统组成。 2. 机械系统设计的四个基本原则：需求原则、信息原则、系统原则、优化、效益原则。

3. 机械系统设计的基本要求：功能要求、适应性要求、可靠性要求、生产能

力要求、使用经济性要求、成本要求。

4. 机械系统结构总体设计的三项基本原则是：明确原则、简单原则、安全可

靠原则。

5. 机械系统总体设计中，总体参数主要包括：性能参数(生产能力等)、结构

尺寸参数、运动参数、动力参数等。

6. 机械系统的传动系统通常由变速装置、起停和换向装置、制动装置以及安

全保护装置等几个基本部分组成。

7. 操纵系统主要由操纵件、变送环节和执行件三部分组成。

二、简答题

1. 简答机械系统结构总体设计的7大基本原理任意5个（5分）答：（以下7个中的任意5个）

等强度原理；自补偿原理；任务分配原理；合理力流原理；变形协调原理；力平衡原理；稳定性原理。

2. 简述利用黑箱法进行功能原理设计的特点

答：利用黑箱法进行功能原理设计是暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和

试题 B 答案

2

输出量)加以表达。这样，通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题的本质。 3. 简述执行系统的功能

答：执行系统一般大致可实现下列各种功能。 1) 实现运动形式或运动规律变换的功能 2) 实现开关、联锁和检测等的功能 3) 实现程序控制的功能 4) 实现施力功能

4. 采用摩擦片式离合器变速时，离合器位置的安排应注意的问题。答：采用摩擦片式离合器变速时离合器位置安排时应该注意

1) 减小离合器尺寸。在没有特殊要求的情况下，应尽可能将离合器安排在转速较

高的轴上，以减小传递的转矩，缩小离合器的尺寸。

2) 避免出现超速现象。超速现象是指当一条传动路线工作时，在另一条不工作的

传动路线上出现传动件高速空转的现象，这种现象在两对齿轮传动比悬殊时更为严重。

5. 简要回答选择价值分析对象的原则。

答：设计中进行价值分析和价值优化工作，一般重点选择以下几类缺点和问题较多、改进潜力较大的产品。

1) 设计年代久，多年没有重大改进的产品； 2) 结构复杂，零部件较多的产品； 3) 制造成本过高，影响市场竞争的产品；

4) 使用中功能不满足要求，性能差，可靠性差，用户不满意的产品。

6. 简述机械产品绿色设计与传统设计的区别

答：传统的机械产品设计侧重的是产品的性能、质量、成本等产品的基本技术与经济属性，对产品的考虑最多到产品使用报废为止。按传统的机械产品设计理念，在产品

试题 B 答案

3

使用报废后，就成了一堆废铁和垃圾，与制造企业也没有任何关系，

报废产品金属零件的回收利用主要采用回炉冶炼方式。所以，绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期，从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响，希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环。

三、计算题 1解：

在选定滑块高度h 时，L越大，A也越大，设计时摆角应在 60～90度之间。 2 解：

求解得：

若f =0.3 则3Af / B≈A/B

当A/B 大于等于1时就会发生自锁，因此，必须保证 A

2

2

2

2

21()

(

)2

160.34.8RAaLR

AaLAa

ahLA

h

）几何条件：

若则

22

3

FGfNf

拨动力 2 —滑移齿轮重量产生的摩擦力；—偏转力产生

的附加摩擦力—附加正压力；—滑移齿轮宽度，一般；—摩擦系数

31Gf

FA

fB

试题 B 答案

4

四、论述题

1根据支撑件的功用，讨论支撑件的基本要求。（8分）

答：根据支承件的功用可知，对支承件的基本要求是：

1) 足够的静刚度

支承件在静载荷作用下抵抗变形的能力称为支承件的静刚度。要求支承件在额定载荷作用下，变形不超过允许值。同时，支承件还应具有大的刚度——质量比，这在很大程度上反映了设计的合理性。

2) 较好的动特性

机械系统应具有抵抗振动的能力，在机床上主要包括抵抗强迫振动和自激振动的能力，而且不应产生薄壁振动。

3) 良好的热特性

机械系统工作时，电动机、液压系统、机械摩擦等的发热，以及环境温度的变化，而对于机床还有切削过程产生的热，这些都会使支承件产生不均匀的变形，以致破坏被支承零、部件的相互位置关系，降低机械系统的工作精度。

4) 小的内应力

支承件在焊接或铸造和粗加工过程中，材料内部都会形成内应力。如不消除，在使用过程中，内应力会重新分布和逐步消失，引起支承件的变形。因此，在设计时要从结构和选材上保证支承件的内应力最小，并在铸造或焊接和粗加工后进行时效处理。

5) 其他

在设计支承件时，应考虑吊运安全方便，液压、电器布置合理以及便于加工和装配等。而对于机床的支承件，还要考虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。

2 简述机械系统中那些情况下应该选用稀油润滑（5分）

①除完成润滑任务外，还需要带走摩擦面产生的热量；

②必须保证滑动面间为液体摩擦者。如液体摩擦轴承、止推滑动轴承等。③能够用简易的手段向啮合传动机构本身及其轴承同时提供一种润滑剂的情况。④除润滑外，还需要清洗摩擦面并保持清洁状态者；⑤易于对轴承进行密封并能很好防止润滑油外溢者。

试题 B 答案

5

3 机械系统中需要设置安全保护装置的子系统有哪些，并举例说明相应的保护措施。（6分）

1) 动力系统保护

机械系统的动力源一般为三相380V的交流电源。电源进入配电柜后，首先要经空气开关的保护，主回路和控制回路要有熔断器。电机要有熔断器和热继电器保护。熔断器主要用于断路保护，热继电器主要用于过载和过流保护。此外，还有欠压、过压和缺相等保护。在液压和气动回路中，要有安全阀和压力继电器。

2) 传动系统保护

传动系统主要是过载保护问题，如机械系统中采用的安全离合器、摩擦离合器。电气系统中的热继电器保护。

3) 执行系统保护

机械系统的最终目的是由执行件完成的，其安全系统主要考虑行程保护问题。 4) 控制系统保护

控制系统是安全系统的核心，负责机械系统各部分运动和动作的逻辑关系，因此，正确处理这些逻辑关系，是整个机械系统安全可靠的前提和保障。

5) 操纵系统保护

操纵系统与人直接接触，人为因素较多，为避免操作的失误，保护机械系统正常运行和人身安全，在设计操纵系统时，必须设置必要的安全保护装置。此外，操纵机构本身也必须安全可靠，方能保证操纵有效。

6) 环境保护

环境安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施，有以下一些：

①在机械系统中加装保护装置②提高操作者作业环境的舒适性③设置指示和报警装置

试题A 答案

3

4. 论述传动系统的组成，试举出变速装置的任意三种变速方式

答：传动系统统常由变速装置、起停和换向装置、制动装置以及安全保护装置等几个基本部分组成。

机械系统中有级变速常用的变速方式有交换齿轮变速、滑移齿轮变速、离合器变速、上述变速方式的组合、啮合器变速。 5. 简述提高产品价值的分析方法？

答：提高产品价值的分析方法如下：

①功能分析：从用户需要出发，保证产品的必要功能，去除多余功能，

调整过剩功能，必要时增加功能；

②性能分析：研究一定功能下提高性能的措施；

③成本分析：分析成本的构成，从各方面探求降低成本途径。 6. 简述微机电系统的基本特征。

答：微机电系统的基本特征是

①微机械中起主导作用的力是表面力。②微机械并不是传统机械的模拟缩小。

③微机械一般采用静电力供能，或者使用静电力激励供能。

试题A 答案

4

三．计算题（8分） 1解：

在选定滑块高度h 时，L越大，A也越大，设计时摆角应在 60～90度之间。 2 解：

求解得：

若f =0.3 则3Af / B≈A/B

当A/B 大于等于1时就会发生自锁，因此，必须保证 A

2

2

2

2

21()

(

)2

160.34.8RAaLR

AaLAa

ahLA

h

）几何条件：

若则

22

3

FGfNf

拨动力 2 —滑移齿轮重量产生的摩擦力；—偏转力产生

的附加摩擦力—附加正压力；—滑移齿轮宽度，一般；—摩擦系数31Gf

FA

fB

试题A 答案

5

四论述题（33分）

1. 简述操纵系统的组成及对操纵系统的基本要求

答：操纵系统主要由操纵件、变送环节和执行件三部分组成。操纵系统应当满足：

1) 灵活省力

尽量减少操纵力，以减轻操作者的劳动强度，有益于提高劳动生产率和安全性，对提高操纵系统的灵敏度也有好处。操纵力的大小应符合人机工程学的有关规定。

2) 方便和舒适

操纵行程应在人体能达到的舒适操纵范围之内。此外，操纵件的形状、尺寸、布置位置、运动方向和各操纵件的标记、操作顺序等都要符合人体状况和动作习惯。

3) 安全可靠的要求。

操纵件应有可靠的定位，相互关联的操纵应互锁，以保证操纵有效，防止错误操纵。为防止因意外事故而对人身造成伤害，除应采取必要的安全保护措施外，还应有应急措施。

2. 简述机械系统中那些情况下应该选用干油润滑？

①粘性很好，并能附着在摩擦表面上，不易流失与飞溅。多用于往复

式转动及短期工作的重载荷低转速的滑动轴承上；②密封性好，给油方便；

③很适用于低速的滚动轴承润滑，可长时间不用加油，维护方便；④防护性能较好，能保护裸露的摩擦表面免受机械杂质及水等的污损。

试题A 答案

6

3. 机械系统中需要设置安全保护装置的子系统有哪些，并举例说明相应的

保护措施。

1) 动力系统保护

机械系统的动力源一般为三相380V的交流电源。电源进入配电柜后，首先要经空气开关的保护，主回路和控制回路要有熔断器。电机要有熔断器和热继电器保护。熔断器主要用于断路保护，热继电器主要用于过载和过流保护。此外，还有欠压、过压和缺相等保护。在液压和气动回路中，要有安全阀和压力继电器。

2) 传动系统保护

传动系统主要是过载保护问题，如机械系统中采用的安全离合器、摩擦离合器。电气系统中的热继电器保护。

3) 执行系统保护

机械系统的最终目的是由执行件完成的，其安全系统主要考虑行程保护问题。

4) 控制系统保护

控制系统是安全系统的核心，负责机械系统各部分运动和动作的逻辑关系，因此，正确处理这些逻辑关系，是整个机械系统安全可靠的前提和保障。

5) 操纵系统保护

操纵系统与人直接接触，人为因素较多，为避免操作的失误，保护机械系统正常运行和人身安全，在设计操纵系统时，必须设置必要的安全保护装置。此外，操纵机构本身也必须安全可靠，方能保证操纵有效。

6) 环境保护

环境安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施，有以下一些：

(1) 在机械系统中加装保护装置 (2) 提高操作者作业环境的舒适性 (3)

设置指示和报警装置

试题A 答案

7

4. 什么是“黑箱法”? 试说明黑箱法的解题过程，并举例说明使用黑箱法

建立功能结构的过程

答：利用黑箱法进行功能原理设计是暂时摒弃那些附加功能和非必要功能，突出必要功能和基本功能，并将这些功能用较为抽象的形式(如输入量和输出量)加以表达。这样，通过抽象化可清晰地掌握所设计系统(产品)的基本功能和主要约束条件，从而突出设计中的主要矛盾，抓住问题本质。

如果把具体设计对象抽象化，统称为待设计系统，则有下图形式

5. 什么是ABC分析法？ABC法是如何对零件进行分类的？

答：ABC分析法也称成本比重分析法。它是一种优先选择占成本比重大的零件、工序、或其它要素作为价值分析对象的方法。

A类零件：数量占产品零件总数10~20%左右，成本占产品总成本的60~70%； C类零件：数量占产品零件总数60~70%，成本占产品总成本10~20%；

B类零件：其余部分的零件称为B类，它们的零件数与占产品成本的比例相适应。

试题：学号：姓名：

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1

哈工大 2007 年秋季学期

机械系统设计试题A

题号一二三四五六七八九十总分分数

一填空（10分）（每空0.5分）

1. 机械工程科学是研究机械产品的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学，分

为机械学和机械制造两大分学科。

2. 所谓系统是指具有特定功能的、相互间具有一定联系要素构成的一个整体，即由

两个或两个以上要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。系统的三个特性是：目的性、相关性和整体性、环境适应性。

3. 产品设计过程的三个阶段：功能原理方案设计阶段、结构总体设计阶段和技术设

计阶段。

4. 机械系统结构总体设计的三项基本原则是：明确原则、简单原则、安全可靠原则。

5. 机械系统设计类型分为：完全创新设计、适应性设计、变异性设计三类机械系统常

用的安全保护装置有销钉安全联轴器、钢珠安全离合器、摩擦安全离合器。

6. 提高支承系统热特性的措施包括：散热和隔热、均热、使热变形对工作质量的影响

较小。

班号姓名学号

试题：学号：姓名：

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2

二简答题（27分）

1. 简述功能的大致分类及在设计中如何对待各种功能（4分）

答案要点：

功能分为必要功能（包括基本功能和附加功能）和非必要功能。（1分）在设计中对系统各种功能的对待与处理方法： 1）基本功能必须保证，且在设计中不能改变；（1分）

2）附加功能可随技术条件或结构方式的改变而取舍或改变；（1分） 3）非必要功能可能是设计者主观加上去的，因此可有可无。（1分）

2 机械系统中需要设置安全保护装置的子系统有哪些，并举例说明相应的保护措施。（6分）答案要点：

机械系统中需要设置安全保护装置的子系统有 1) 动力系统保护（0.5分） 2) 传动系统保护（0.5分） 3) 执行系统保护（0.5分） 4) 控制系统保护（0.5分） 5) 操纵系统保护（0.5分） 6) 环境保护（0.5分）相应的保护措施如下： 1) 动力系统保护

机械系统的动力源一般为三相380V的交流电源。电源进入配电柜后，首先要经空气开关的保护，主回路和控制回路要有熔断器。电机要有熔断器和热继电器保护。熔断器

试题：学号：姓名：

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3

主要用于断路保护，热继电器主要用于过载和过流保护。此外，还有欠压、过压和缺相等保护。在液压和气动回路中，要有安全阀和压力继电器。 2) 传动系统保护

传动系统主要是过载保护问题，如机械系统中采用的安全离合器、摩

擦离合器。电气系统中的热继电器保护。 3) 执行系统保护

机械系统的最终目的是由执行件完成的，其安全系统主要考虑行程保护问题。在执行件行程的极限处应有行程开关、限位开关或死挡铁。数控系统中，指令系统有软限位指令或更高级的通道保护指令。为防止位置环发生故障而产生“飞车”现象，伺服系统位置控制器要有超差保护。 4) 控制系统保护

控制系统是安全系统的核心，负责机械系统各部分运动和动作的逻辑关系，因此，正确处理这些逻辑关系，是整个机械系统安全可靠的前提和保障。 5) 操纵系统保护

操纵系统与人直接接触，人为因素较多，为避免操作的失误，保护机械系统正常运行和人身安全，在设计操纵系统时，必须设置必要的安全保护装置。此外，操纵机构本身也必须安全可靠，方能保证操纵有效。

操纵系统安全保护装置常用的有定位、自锁机构和互锁机构. 6) 环境保护

环境安全保护主要是指对操纵环境的不安全因素采取必要的安全防护措施，有以下一些：

①在机械系统中加装保护装置

②提高操作者作业环境的舒适性③设置指示和报警装置

试题：学号：姓名：

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4

3．简述执行系统的组成及各部分的功能（4分）

答案要点：

执行系统都是由执行末端件和与之相连的执行机构组成。（1分）

执行末端件是直接与工作对象接触并完成一定工作(夹持、移动、转动等)或在工作对象上完成一定动作(切削、锻压、清洗等)的零部件。（1.5分）

执行机构的主要作用是给执行末端件提供力和带动它实现运动，即把传动系统传递过来的运动和动力进行必要的交换，以满足执行末端件的要求。（1.5分）

4. 简述起停和换向装置的作用及对起停和换向装置的基本要求。（3分）

答案要点：

起停和换向装置的作用是用来控制执行件的起动、停止以及改变运动方向。（1分）对起停和换向装置的基本要求是：（答对任意两点即可）起停和换向方便省力（1分）操作安全可靠（1分）

结构简单，并能传递足够的动力。（1分）

5. 试论述绿色设计与传统设计的区别。（5分）

答案要点：

绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要考虑产品的整个生命周期（1分），从产品的构思开始，在产品的结构设计、零部件的选材、制造、使用、报废和回收利用过程中对环境、资源的影响（2分），希望以最小的代价实现产品“从摇篮到再现”的循环（2分）。

试题：学号：姓名：

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5

6.

简述操纵系统的组成及对操纵系统的基本要求（5分）

答案要点：

操纵系统主要由操纵件、变送环节和执行件三部分组成。（2分）操纵系统应当满足：灵活省力（1分）；方便和舒适（1分）；安全可靠的要求。（1分）

三．计算题（8分）

1. 试推导摆动式操纵机构的几何条件？（4分）

a

A

L

a α

R=A+a

摆杆轴的布置

2 试推导单边拨动时滑移齿轮的不自锁条件？（4分）

h

LAhaaL

ALaARaAR8.43.0162)()()1(2

2

2

2

当线间距离摆杆轴线与滑移齿轮轴几何条件

试题：学号：姓名：

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7

答案要点：

受力情况分析及假设：齿轮受力包括：拨动力F

滑移齿轮重量产生的摩擦力Gf

偏转力所产生的附加摩擦力2Nf 。

假设滑移齿轮重量对轴的正压力是沿接触全长上均匀分布，附加正压力N 是在接触长度一半上按三角形分布，不考虑其他阻力有：

拨动力不自锁条件

F=G·f+2N · f

F—拨动力；

Gf—滑移齿轮重量产生的摩擦力

2Nf—偏转力所产生的附加摩擦力

NBBBNAF3

2

求解得：

f

B

Af

若f =0.3 则3Af / B≈A/B

当A/B 大于等于1时就会发生自锁，因此，必须保证 A

试题：学号：姓名：

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8

1-脚踏板 2-滑块 3-连杆 4-曲柄

5-制动器 6-离合器 7,8-齿轮副9-电机 10-床身

曲柄压力机传动系统图

四．论述题（35分）

1. 机械系统由哪些子系统组成（6分）。结合曲柄压力机传动系统图指出各

部件对应子系统（3分），并说明该系统的工作过程（6分）。

答案要点：

机械系统主要由动力系统、执行系统、传动系统、操作和控制系统、支承系统、润滑、冷却等子系统组成。（每空1分）

曲柄压力机各部件对应的子系统：滑块——执行系统（0.5分）

试题：学号：姓名：

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9

电机——动力系统（0.5分）床身——支承系统（0.5分）脚踏板——操纵控制系统（0.5分）

离合器、齿轮副、曲柄、连杆、制动器——传动系统（1分）工作过程：

踩下脚踏板1，离合器6接通，制动器5打开，电机动力通过齿轮副7、8将动力传递给曲柄4，曲柄4通过连杆3带动滑块2上下运动。（3分）

松开脚踏板1，离合器6断开，制动器5制动，滑块2停止。（3分）2. 什么是“黑箱法”? 试说明黑箱法的解题过程，并举例说明使用黑箱法

建立功能结构的过程。（10分）

答案要点：如果把具体设计对象抽象化，统称为待设计系统，则有下图形式——黑箱法

黑箱法设计特点：（3分）

1) “黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法； 2) 摆脱了具体设计对象，而按系统(产品)的功能和对三大流进行定性描述来进行思

考，使问题简化，以利于启发设计人员构思出更新、更好的功能原理方案来。 3) 通过“黑箱”与输入、输出量及周围环境的信息联系，了解系统(产品)的功能、

特性，进一步探索出系统的机理和结构，逐步使“黑箱”——“灰箱”——“白箱”，直至方案拟定。

试题：学号：姓名：

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10

建立自行车功能结构图（可以使任意系统）（7分）

自行车功能结构图

3. 试述在机械系统中一般在那些清理况下选用干油润滑。（4分）

答案要点：

1) 粘性很好，并能附着在摩擦表面上，不易流失与飞溅。多用于做往复式转动及短期工作的重载荷低转速的滑动轴承上；（1分） 2) 密封性好，并给油方便；（1分）

3) 很适用于低速的滚动轴承润滑，可长时间不用加油，维护方便；（1分） 4) 防护性能较好，能保护裸露的摩擦表面免受机械杂质及水等的污损。（1分）

4.

论述传动系统的组成，试举出变速装置的任意三种变速方式。（6分）答案要点：

1）交换齿轮变速（1分） 2）滑移齿轮变速（1分） 3）离合器变速（1分） 4）啮合器变速（1分）