机械设计学习题及答案概要

一、名词解释：

1、功能原理设计:针对产品的主要功能所进行的原理性设计

2、简单动作功能：仅完成简单的一次性动作的功能

3、复杂动作功能：能实现连续的传动的动作功能

4、机械创新设计：在功能结构图中，有的分功能比较复杂，不可能用一个已知的机构来完成。这就需要根据分功能的特点，挑选几个机构组成一个机械运动系统，由这些机构共同完成这个分功能的机械动作。

5、机械协调性设计：当功能结构图中的各机械分功能均已根据分功能的要求选择好相应的机构后，怎样使这些分散的机构组成一个协调运动的整体，只是这个系统比较大，其综合后完成的机械功能，就是整个机械产品的总功能中的全部机械功能。

6、核心技术：产品实现总功能和主要技术要求的技术。

7、关键技术：实现某种功能过程中需要解决的技术难题。

8、弹性强化：使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。

9、塑性强化：使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，

用以部分抵消工件应力。

二、简答题：

1-1机械产品设计的三个基本环节是什么？

答：机械产品设计的三个基本环节是：“功能原理设计，实用化设计和商品化设计”

1-2、机械设计具有哪些主要特点：

答：机械设计具有如下主要特点 :(1)多解性 (2)系统性 (3)创新性

1-3、近代“机械设计学”的核心内容

1）“功能”思想的提出：l947年、美国工程师麦尔斯创立了“价值工程“。他真正重要的贡献在于他提出的关于‘功能”的思想。

2）“人机工程’’学科的兴起：“宜人”的宗旨已经成为现代机械设计的基本观念。

3）“工业设计”学科的成熟。工业产品设计的原则是：“技术第一，艺术第二”。工业设计师应该首先是一个工业技术专家，而不首先是一个艺术家。

1-4、从设计构思的角度机械产品设计可归纳为三大步：创意、构思和实现。

创意：重点在于新颖性，且必须具有潜在需求。

构思：重点在于创造．即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。

实现：重点在于验证构思的合理性，可以通过模型或原理样机来检查构思的合理性。

1-5、机械设计按其创新程度可分为以下三种类型：

1)适应性设计仅改变某些尺寸、外形或局部更改某些结构，使产品适应特定的使用条件或者用户特殊要求。

2）变型设计功能原理保持不变，变动产品部分结构尺寸参数，扩大规格，以满足更大范围功能参数需要的设计。

变型性设计是产品系列化的手段。

3)创新设计在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。

3-1、什么是功能原理设计？

答：机械产品设计的最初环节，是先要针对该产品的主要功能提出一些原理性的构思。这种针对主要功能的原理性设计，可以简称为“功能原理设计”。

3-2、构思一种将钞票逐张分离的工作原理。说明其物理效应，并用sketch描述之。

答：P33

3-3、任何一种机器的更新换代都存在哪三个途径？

答：任何一种机器的更新换代都存在三个途径:

一是改革工作原理；

二是通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；

三是加强辅助功能使其更适应使用者的心理。

3-4、功能原理设计的工作特点是什么？

答：功能原理设计有如下三个工作特点：

1)功能原理设计往往是用一种新的物理效应来代替旧的物

理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。

2)功能原理设计中往往要引入某种新技术(新材料、新工艺、……)，但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)、新构思。没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它运用到设计中去。

3)功能原理设计使机器品质发生质的变化。

3-5、硬币分选计数机的总功能如下图所示，试分析要实现总功能，必须要有哪些分功能单元，试分别画出功能分解图和功能结构图，并简要说明计数功能如何实现的？

答：P38~39

或试用“黑箱”描述家用鼓风式蒸汽电熨斗的功能，并画出功能结构图。

操作指令

~220V 未加热空气、水S显示M，热风

蒸汽

是工作头采用什么形状和动作，而归根结底是确定工作头的形状和动作。

工艺功能的特点是：工作头的形状、运动方式和作用场是完成工艺功能的三个主要因素。

3-9、简单动作功能的求解思路

求解思路：几何形体组合法,即：针对功能目标，对几个构件的几何形体进行构思、组合。

3-10、复杂动作功能的求解思路

求解思路：基本机构组合法。

3-11、完成工艺功能的三个主要因素：1）工作头的形状；2）运动方式；3）作用场

3-12、举例说明物一场分析法(S-Field法)？

答：P：45~47

4-1、常用的传动机构有哪些？

答：常用的传动机构有齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、螺旋机构、楔块机构、棘轮机构、槽轮机构、摩擦轮机构、挠性件机构、弹性件机构、液气动机构、电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。

4-2、常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有哪些？并简要说明。

答：常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种：

1)通过啮合方式进行传动(例如；齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等)。其中：齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，因而得到广泛应用。

2)通过摩擦方式进行传动(例如：摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滑轮传动等)。这类机构结构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性、吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性，使带传动适用于两轴中心距较大的传动。

3)利用楔块原理进行传动(例如：螺旋传动、偏心轮传动等)。螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成。螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力。结构简单，传动精度高，平稳无噪声等。

4)利用流体作用原理进行传动(例如：液压、气动传动等)。液体可以看作是一种不可压缩物体。因而液压传动能传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下．但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。而气动传动机构一般用于传递较小的力，但作用速度快。

4-3、执行机构基本类型有哪些？

答：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构称为执行机构。

基本类型主要有：夹持、搬运、输送、分度与转位、检测与分类、施力等

4-4、执行机构的主要作用？

答：执行机构的主要作用有：

1）满足特定运动规律：主要指那些输出中有速度的规律变化要求。

2）满足特定的运动轨迹：在生产实际中，需要机构完成某种特定的运动轨迹，如直线、圆弧等等。当运动轨迹要求比较复杂时，一般通过连杆机构或通过组合机构来完成。3）满足某种特殊的信息传递：利用机构不仅能完成机械运动和动力的传递，还能完成诸如检测、计数、定时、显示或控制等功能。

4-5、通过一系列机构和电气电子装置实现。机构一般能实现下列动作功能：

1）实现运动形式或运动规律变换的动作功能

原动机的转动通过机构进行构件运动形式变换，例如：

(1)匀速运动(平动、转动)与非匀速运动(平动转动或摆动)的变换

(2)连续转动与间歇式的转动或摆动的变换。

(3）实现预期的运动轨迹。

2)利用机构实现开关、联锁和检测等动作功能

(1）用来实现运动离合或开停。

(2）用来换向、超越和反向止动。

(3）用来实现联锁、过载保护、安全制动

(4) 实现锁止、定位、夹压等。

(5) 实现测量、放大、比较、显示、记录、运算等。

3)利用机构实现程序控制或手动控制的功能

(1)利用时间的序列进行控制

(2)利用动作的序列进行控制

(3)利用运动的变化等进行控制

5-1、简述产品设计的核心问题和外围问题。

答：设计理解为一个“空间”。整个设计“空间”分为两部分：

1）内部空间：设计应遵循的主要阶段，其任务是使设计要求转化为“硬件”以满足需求，这也是设计的最终目的，故称内部空间为设计核心工作。

2）外部空间：所列举的问题为对设计的各种要求和应用的技术方法，是设计的外围问题。

由销售反馈信息，进行市场分析，改进技术要求，再进行设计的循环，是一个相互作用不断完善的迭代过程，使产品不断地发展。产品设计过程中的各种设计要求，是设计的依据

和前提，它们就是设计的外围问题。

5-2、整机总体参数主要指哪些？

答：整机总体参数主要指：

总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参数和结构参数两方面：

（1）性能参数是指生产率、功率和重量等；

（2）结构参数是指主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、主要部件的外形尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。

5-3、在机器设计中如何区别核心技术和关键技术两个不同概念？

答：核心技术是指实现总功能和主要要求的技术，对不同的机械其核心技术是不相同的。

关键技术是实现某种功能过程中需要解决的技术难题。它与核心技术是两个不同的概念，在核心技术中也有关键技术问题。并请举例说明：83

6-1、机械结构件一般应具有哪些功能?

答：承受载荷、传递运动和动力、保证或保持有关零件或部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。

6-2、何谓零件的相关?何谓直接相关和间接相关？

答：每个零件都与一个或几个零件有装配关系或相互位置关系，可以称这种关系为相关．称有这种关系的两个零件互为相关零件。

零件的相关分为直接相关和间接相关两类：

（1）直接相关：凡是两零件有直接装配关系的。

（2）间接相关：没有直接装配关系的相关。

间接相关又分为位置相关和运动相关两类：

位置相关是指两零件在相互位置上有要求。

运动相关是指一零件的运动轨迹与另一零件有关。要满足运动相关条件，一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到。

6-3、结构件通常具有哪些结构要素?在结构设计中应如何区别对待？

答：分为：工作部分、联结部分和安装部分；安装部分又分为固定安装和活动安装（一般保留了一个或一个以上的移动或转动自由度，可按工作部分进行设计）。

工作部分的设计主要考虑工作面的形状、尺寸、精度、表面质量等，而联结部分主要考虑强度、刚度等要求。

6-4、举例说明何谓直接安全技术?何谓间接安全技术?

答：P116

直接安全技术：是指在结构设计中充分满足安全可靠要求，保证在使用中不出现危险。

如采用安全销、安全阀和易损件等。对于可能松脱的零件加以限位，使其不致脱落造成机器事故。

间接安全技术：通过防护系统和保护装置来实现技术系统的

安全可靠。其类型是多种多样的。如液压回路中的安全阀、电路系统中的保险丝等，都是当设备出现危险或超负荷时，自行脱离危险状态。

6-5、结构设计中常用的设计原理有哪些?

答：在结构设计中常应用下述各项原理：

1）等强度原理

对于同一个零件来说，各处应力相等，各处寿命相等，叫等强度。

2）合理力流原理

可以认为力在其传递路线上形成所谓力线，这些力线汇成力流。力在构件中的传递轨迹就像电场中的电力线、磁场中的磁力线、水流中的流线一样，按力流路线传递。

3）变形协调原理

所谓变形协调，就是使相联接的两零件在外载荷的作用下所产生的变形的方向相同，并且使其相对变形尽可能小。

4）力平衡原理

所谓力平衡就是指采取结构措施，部分或全部平衡掉无用的力，以减轻或消除其不良影响。这些结构措施主要有采用平衡元件、采取对称布置等。

5）任务分配原理

分配有三种可能：

（1）一载体承担多种功能：功能集中于一载体，可简化结

构、降低成本；（2）一载体承担一种功能：功能与载体一一对应，便于做到“明确”、“可靠”，便于实现结构优化及准确计算；（3）多载体共同承担一种功能：多载体承担同一功能可以减轻零件负载，延长使用寿命。

6）自补偿原理

通过选择系统元件及其在系统中的配置来自行实现加强功能的相互支持作用，称为自补偿。

7）稳定性原理

所谓系统的结构稳定是指当出现干扰，使系统状态发生改变的同时，会产生一种与干扰作用相反的、使系统恢复稳定的效应。

6-6、结构设计中有哪些措施可以使构件降低工作时的应力答：1）合理确定截面形状。传动轴一般采用圆形截面。小直径：实心轴便于制造；大直径：常做成空心轴。

2）合理确定轴向尺寸

改变截面形状降低截面上各点的应力，可以提高零件本身抗破坏和抗变形的能力，但不能改变其所受弯矩的大小，通过合理地确定零件轴向尺寸，可以减少弯矩。

3）合理选择支承形式

4）合理利用材料特性

材料的抗弯、抗拉和抗压特性差别较大，结构设计时应充分利用这一特点，尽量扬长避短。

6-7、比较弹性强化、塑性强化、预紧的概念和区别。

答：强化：以减小应力为目的的预加载荷方法称为强化，强化分弹性强化和塑性强化两类。

预紧：以提高刚度、减小工作时再变形为目的的顶加载荷方法称为预紧。

1．弹性强化

1）弹件强化是使构件在受工作载荷之前预受一个与工作载荷相反的载荷，产生一个相应的预变形，以及一个与工作应力相反的预应力，工作时该预加载荷部分地抵消工作载荷，预变形部分抵消工作变形，从而降低了构件的最大应力。2）塑性强化是使构件在工作状态下应力最大那部分材料预先经塑性变形而产生一个与工作应力符号相反的残留应力，用以部分地抵消工件应力。塑性强化的特点是预加载荷与工作载荷方向一致，而且在构件工作时预加数荷已经撤出，靠残留应力而不是靠预加载荷本身来抵消工作应力。故要求材料必须具有足够的塑性，构件的塑性变形量不得超过一定限度。

3）预紧是通过一个与工作载荷方向相同的预加载荷。使零件产生一定的与工作时同方向的弹性变形、以减少工作时的进一步变形，从而提高刚度的有效措施。

力。