2023年机械设计复习要点及重点习题机械类

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做过作业题每个都必须掌握，没掌握看书，涉及到公式记住，讲过的题必须掌

握方法，

一绪论

1、机器的基本组成要素是什么？

【答】机械系统总是由一些机构组成，每个机构又是由许多零件组成。所以，机器的基本组成要素就

是机械零件。

2、什么是通用零件？什么是专用零件？试各举三个实例。

【答】在各种机器中经常能用到的零件称为通用零件。如螺钉、齿轮、弹簧、链轮等。

在特定类型的机器中才干用到的零件称为专用零件。如汽轮机的叶片、内燃机的活塞、曲轴等。

3、在机械零件设计过程中，如何把握零件与机器的关系？

【答】在互相连接方面，机器与零件有着互相制约的关系；

在相对运动方面，机器中各个零件的运动需要满足整个机器运动规律的规定；

在机器的性能方面，机器的整体性能依赖于各个零件的性能，而每个零件的设计或选择又和机器整机的性

能规定分不开。

二机械设计总论

I、机器由哪三个基本组成部分组成？传动装置的作用是什么？

【答】机器的三个基本组成部分是：原动机部分、执行部分和传动部分。

传动装置的作用：介于机器的原动机和执行部分之间，改变原动机提供的运动和动力参数，以满足执

行部分的规定。

2、什么叫机械零件的失效？机械零件的重要失效形式有哪些？

【答】机械零件由于某种因素丧失工作能力或达不到设计规定的性能称为失效。

机械零件的重要失效形式有

1）整体断裂；

2）过大的残余变形（塑性变形）；

3）零件的表面破坏，重要是腐蚀、磨损和接触疲劳；

4）破坏正常工作条件引起的失效：有些零件只有在一定的工作条件下才干正常工作，假如破坏了这

些必要的条件，则将发生不同类型的失效，如带传动的打滑，高速转子由于共振而引起断裂，滑动轴承由

于过热而引起的胶合等。

3、什么是机械零件的设计准则？机械零件的重要设计准则有哪些？

【答】机械零件的设计准则是指机械零件设计计算时应遵循的原则。

机械零件的重要设计准则有：强度准则、刚度准则、寿命准则、振动稳定性准则、可靠性准则

三机械零件的强度

1、影响机械零件疲劳强度的重要因素有哪些？在设计中可以采用哪些措施提高机械零件的疲劳强度？

【答】影响机械零件疲劳强度的重要因素有零件几何形状、尺寸大小、加工质量及强化因素。

零件设计时，可以采用如下的措施来提高机械零件的疲劳强度：

1）尽也许减少零件上应力集中的影响是提高零件疲劳强度的首要措施。应尽量减少零件结构形状和

尺寸的突变或使其变化尽也许地平滑和均匀。在不可避免地要产生较大的应力集中的结构处，可采用减荷

槽来减少应力集中的作用；

2）选用疲劳强度大的材料和规定可以提高材料疲劳强度的热解决方法及强化工艺；

3）提高零件的表面质量：

4）尽也许地减小或消除零件表面也许发生的初始裂纹的尺寸，对于延长零件的疲劳寿命有着比提高

材料性能更为显著的作用。

2、已知某材料的=180MPa,循环基数取TV。=5x106,〃-9,试求循环次数N分别为7000,25000,

620230次时的有限寿命弯曲疲劳极限。

【解】由公式(rrN=(7得

5x106

Ni=7000时=1809-——=373.6MPa

V7000

3、己知一材料的力学性能％=260MPa,o-_,=170MPa,=0.2,试按比例绘制该材料的简化极限

应力线图。

【解】由公式3-6甲。=2j-bo得

%=熟=忧=283.33MPa

简化极限应力线图上各点的坐标分别为

Af(0,170)；Dz(141.7,141.7)；C(260,0)

按比例绘制的简化极限应力线图如图所示。

略

2、机件磨损的过程大体可分为几个阶段？每个阶段的特性如何?

【答】实验结果表白，机械零件的一般磨损过程大体分为三个阶段，即磨合阶段、稳定磨损阶段及剧

烈磨损阶段。

1)磨合阶段：新的摩擦副表面较粗糙，在一定载荷的作用下，摩擦表面逐渐被磨平，实际接触面

积逐渐增大，磨损速度开始不久，然后减慢；

2)稳定磨损阶段：通过磨合，摩擦表面加工硬化，微观几何形状改变，从而建立了弹性接触的条

件，磨损速度缓慢，处在稳定状态；

3)剧烈磨损阶段：通过较长时间的稳定磨损后，因零件表面遭到破化，湿摩擦条件发生加大的变

化(如温度的急剧升高，金属组织的变化等)，磨损速度急剧增长，这时机械效率下降，精度减

少，出现异常的噪声及振动，最后导致零件失效。

四螺纹连接和螺旋传动

1、简要分析普通螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹和锯齿形螺纹的特点，并说明哪些螺纹适合用于连接，哪些

4、简要说明螺纹连接的重要类型和特点。

【答】螺纹联接的重要类型有螺栓联接、螺钉联接、双头螺柱联接和紧定螺钉联接四种。重要特点是:

1）螺栓联接：有普通螺栓联接和校制孔螺栓联接两种。普通螺栓联接被联接件的通孔与螺栓杆之间

有间隙，所以孔的加工精度可以低些，不需在被联接件上切制螺纹，同时结构简朴、装拆方便，所以应用

最广。较制孔螺栓联接螺栓杆与孔之间没有间隙，能拟定被联接件的相对位置.，并能承受横向载荷。

2）螺钉联接：螺钉直接旋入被联接件的螺纹孔中。合用于被联接件之一较厚，或另一端不能装螺母

的场合。由于不用螺母，所以易于实现外观平整、结构紧凑；但要在被联接件上切制螺纹，因而其结构比

螺栓联接复杂一些。不合用于经常拆装的场合。如经常拆装，会使螺纹孔磨损，导致被联接件过早失效。

3）双头螺柱联接：使用两端均有螺纹的螺柱，一端旋入并紧定在较厚被联接件的螺纹孔中，另一端

穿过较薄被联接件的通孔，加上型片，旋上螺母并拧紧，即成为双头螺柱联接。这种联接在结构上较前两

种复杂，但兼有前两者的特点，即便于拆装，又可用于有较厚被联接件或规定结构紧凑的场合。

4）紧定螺钉联接：将紧定螺钉拧入•零件的螺纹孔中，其末端顶住另一零件的表面，或顶入相应的

凹坑中，以固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或扭矩,多用于固定轴上零件的相对位置。

5、简要说明平垫圈、斜垫圈和球面垫圈的用途？

【答】垫圈的重要作用是增长被联接件的支承面积或避免拧紧螺母时擦伤被联接件的表面。常用的是

平垫圈。当被联接件表面有斜度时，应使用斜垫圈，特殊情况下可使用球面垫圈。

6、在铸、锻件等的粗糙表面上安装螺栓时，为什么应制成凸台或沉头座？

【答】1）减少表面粗造度，俣证连接的紧密性；2）避免螺栓承受偏心载荷；3）减少加工面，减少加

工成木。

7、受轴向载荷的紧螺栓连接，被连接钢板间采用橡胶垫片。已知螺栓预紧力用=15000N,当受轴向工

作载荷/=1（）000N时，求螺栓所受的总拉力及被连接件之间的残余预紧力。

【解】

采用橡胶垫片'密封，取螺栓的相对刚度一—=0.9

G+C”

由教材公式（5-18）,螺栓总拉力

尸2=e+F=1500+0.9x10000=24000N

Cb+C,”

由教材公式（5.15）,残余预紧力为

G=乙一产=24000—10000=14000N

键、花键、无键连接和销连接

1、分析比较平键和楔键的工作特点和应用场合。

【答】平键连接的工作面是两侧面，上表面与轮毂槽底之间留有间隙，工作时.，靠键与诞槽的互压传

递转矩，但不能实现轴上零件的轴向定位，所以也不能承受轴向力。具有制造简朴、装拆方便、定心性较

好等优点，应用广泛。

楔键连接的工作面是上下面，其上表面和轮毂键槽底面均芍1:100的斜度，装配时需打紧，靠楔紧后

上下面产生的摩擦力传递转矩，并能实现轴上零件的轴向固定和承受单向轴向力。由于楔紧后使轴和轮毂

产生偏心，故多用于定心精度规定不高、载荷平稳和低速的场合。

2、平键连接有哪些失效形式？普通平键的截面尺寸和长度如何拟定？

【答】平键连接的重要失效形式是较弱零件（通常为轮毂）的工作面被压溃（静连接）或磨损（动连

接，特别是在载荷作用下移动时），除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。键的截面尺寸〃x/z应根据

轴径4从键的标准中选取。

键的长度L可参照轮毂氏度从标准中选取，L值应略短于轮毂长度。

3、为什么采用两个平键时，一般布置在沿周向相隔180°的位置，采用两个楔键时，则应沿周向相隔90°〜

120,，而采用两个半圆键时，却布置在轴的同一母线上？

【答】两个平键连接，一般沿周向相隔180°布置，对轴的削弱均匀，并且两键的挤压力对轴平衡，对轴不

产生附加弯矩，受力状态好。

采用两个楔键时，相隔90~120'布置。若夹角过小，则对轴的局部削弱过大。若夹角过大，则两个楔键

的总承载能力下降。当夹角为180"时，两个楔键的承载能力大体上只相称于一个楔键盘的承载能力。

采用两个半圆键时，在轴的同一母线上布置。半圆键对轴的削弱较大，两个半圆键不能放在同一横截

面上。只能放在同一母线上。

4、如图所示的凸缘半联轴器及圆柱齿轮，分别用键与减速器的低速轴相连接。试选择两处腿的类型及尺

寸，并校核其强度。已知：轴的材料为45钢，传递的转矩为7=1O(X)N.m,齿轮用锻钢制造，半联轴器

用灰铸铁制成，工作时有轻微冲击。

【解】

(1)拟定联轴器段的键

根据结构特点，选A型平键。由轴径4=70帆〃?，

查手册得键的截面尺寸为〃=20mw,h=\2mm,

取键的公称长度L=110

键的标记：键2()x110GRT1069-1979

键的工作长度为/=L一〃=110—20=9()mm,

键与轮毂键槽接触高度为女=〃/2=6”例2,根据联轴

器材料铸铁，载荷有轻微冲击，查教材表6-1,取许用挤压应力[o〃]=55MP。，则其挤压强度

2TxlO32x1000x1000

=52.9<55Mp以=]

%kid6x90x70

满足强度规定。

(注：该键也可以选择长度L=125mm。)

(2)拟定齿轮段的键

根据结构特点，选A型平键。由轴径d=90mm,查手册得键的截面尺寸为〃=25mm,

〃=14mm,取键的公称长度A=80mm。

键的标记：键25x80GB/T1069-1979

键的工作长度为/==80-25=55mm,键与轮毂键槽接触高度为上=力/2=7111111,根

据齿轮材料为钢，载荷有轻微冲击，查教材表6-1,取许用挤压应力[。〃]=110MPa，则其挤压强度

。=2Txl03=2x1000x10-=$”MPa<[rr]=110MPa满足强度规定。

「kid7x55x90〃

五带传动

1、影响带传动工作能力的因素有哪些？

\-l/efa

【答】由公式（8-7）F=2F（）——^

ec1+1/e,

影响带传动工作能力的因素有：

（1）预紧力：预紧力越大，工作能力越强，但应适度，以避免过大拉应力；

（2）包角：包角越大越好，一般不小于120度；

（3）摩擦系数：摩擦系数越大越好。

2、带传动的带速为什么不宜太高也不宜太低？

【答】由公式（8-10）5.=—可知，为避免过大的离心应力，带速不宜太高；

A

1）由公式（8-3）和（8-4）可知，紧边拉力

FP

>=-+才=/+1000—

2v

因此，为避免紧边过大的拉应力③二£,带速不宜太低。

A

3、带传动中的弹性滑动和打滑是如何产生的？对带传动有何影响？

【答】带传动中的弹性滑动是由于带松边和紧边拉力不同，导致带的弹性变形并引起带与带轮之间发

生相对微小滑动产生的，是带传动固有的物理现象。

带传动中由于工作载荷超过临界值并进一步增大时，带与带轮间将产生显著的相对滑动，这种现象称

为打滑。打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧减少，甚至使传动失效，这种情况应当避免。

4、带传动的重要失效形式和设计准则是什么？

【答】带传动的重要失效形式是打滑和疲劳破坏。

带传动的设计准则是在保证带传动不打滑的条件下，具有一定的疲劳强度和寿命。

六链传动

1、与带传动相比，链传动有哪些优缺陷？

【答】与属于摩擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象，因而能保证准确的平均传动比,

传动效率较高；又因链条不需要像带那样张得很，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样的条件下，链

传动结构较为紧凑。同时链传动能在高温和低温的情况下工作C

2、何谓链传动的多边形效应？如何减轻多边形效应的影响？

【答】链传动运动中由于链条围绕在链轮上形成了正多边形，导致了运动的不均匀性，称为链传动的

多边形效应。这是链传动固有的特性。

减轻链传动多边形效应的重要措施行：

1）减小链条节距；

2）增长链轮齿数；

3）减少链速。

3、简述滚子链传动的重要失效形式和因素。

【答】滚子链传动的重要失效形式和因素如下：

1）链的疲劳破坏：链在工作时，周而复始地由松边到紧边不断运动着，因而它的各个元件都是在变

应力作用下工作，通过一定循环次数后，链板将会出现疲劳断裂，或者套筒、滚子表面将会出现疲劳点蚀

（多边形效应引起的冲击疲劳）。

2）链条锐链的磨根：链条在工作过程中，由于钱链的销轴与套筒间承受较大的压力，传动时彼此又

产生相对转动，导致较链磨损，使链条总长伸长，从而使链的松边垂度变化，增大动载荷，发生振动，引起跳齿，加

大噪声以及其它破坏，如销轴因磨损削弱而断裂等。

3）链条较链的胶合：当链轮转速高达一定数值时，链节啮入时受到的冲击能量增大，销轴和套筒间

润滑油被破坏，使两者的工作表面在很高的温度和压力下直接接触，从而导致胶合。因此，胶合在一定限

度上限制「链的传动的极限转速。

4）链条静力折断：低速（U<0.6m/s）的链条过载，并超过了链条静力播度的情况下，链条就会被

拉断。

七齿轮传动

1、齿轮传动常见的失效形式有哪些？简要说明闭式硬齿面、闭式软齿面和开式齿轮传动的设计准则。

【答】齿轮传动常见的失效形式有以下几种：（1）轮齿折断；（2）齿面点蚀；（3）齿面磨损；（4）齿

面胶合；（5）塑性变形。

闭式硬齿面的设计以保证齿根弯曲疲劳强度为主；闭式软齿面的设计通常以保证齿面接触疲劳强度为

主；开式齿轮传动的设计目前仅以保证齿根弯曲疲劳强度作为设计准则。

2、简要分析说明齿轮轮齿修缘和做成鼓形齿的口的。

【答】齿轮轮齿修缘是为了减小齿轮传动过程中由于各种因素引起的动载荷.做成鼓形是为了改善载

荷沿接触线分布不均的限度。

3、软齿面齿轮传动设计时，为什么小齿轮的齿面硬度应比大齿轮的齿面硬度大30〜50HBS?

【答】金属制的软齿面齿轮配对的两轮齿中，小齿轮齿根强度较弱，且小齿轮的应力循环次数较多，

当大小齿轮有较大硬度差时，较硬的小齿轮会对较软的大齿轮齿面产生冷作硬化的作用，可提高大齿轮的

接触疲劳强度。所以规定小齿轮齿面硬度比大齿轮大30〜50HBS。

八蜗杆传动

1、简述蜗杆传动的特点和应用场合？

【答】蜗杆传动的重要特点有：（1）传动比大，零件数目少，结构紧凑；（2）冲击载荷小、传动平稳,

噪声低；（3）当蜗杆的螺旋升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有白领性；（4）摩擦损失较大，

效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0。4左右；（5）由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造

蜗轮（或轮圈），以便与钢制蜗杆配对组成减摩性良好的滑动摩擦副。

蜗杆传动通常用于空间两轴线交错，规定结构紧凑，传动比大的减速装置，也有少数机器用作增速装

置。

2、蜗杆直径系数的含义是什么？为什么要引入蜗杆直径系数？

【答】蜗杆直径系数是蜗杆分度圆直径和模数的比值。

4

q=­

m

引入蜗杆直径系数是为了限制蜗轮滚刀的数目及便于滚刀的标准化。

3、为什么蜗轮的端面模数是标准值？蜗杆传动的对的啮合条件是什么？

【答】1）在中间平面上，普通圆柱蜗杆传动就相称于齿条与齿轮的啮合传动。所以在设计蜗杆传动时,

均取中间平面上的参数（如模数、压力角等）和尺寸（如齿顶圆、分度圆等）为基准，并沿用齿轮传动的

计算关系。对于蜗轮来说，端面模数等于中间平面上的模数。

2）蜗杆传动的对的啮合条件是：蜗杆的轴向模数等于蜗轮的端面模数，蜗杆的轴向压力角等于蜗轮

的端面压力角，蜗杆中圆柱上螺旋线的导程角等于蜗轮分度圆上的螺旋角，且螺旋线方向相同。即

ma\=叫2=加；aa\=%2；丫=P

4、蜗杆传动的重要失效形式是什么？相应的设计准则是什么？

【答】蜗杆传动的失效形式重要有齿面点蚀、齿根折断、黄面胶合及过度磨损等。

在开式传动中多发生齿面磨损和轮齿折断，因此应以保证齿根弯曲疲劳强度作为开式传动的重要设计

准则。

在闭式传动中，蜗杆副多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而

按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

对于闭式传动，由于散热较为困难，还应作热平衡核算。

九滑动轴承

1、滑动轴承的失效形式有哪些？

【答】滑动轴承的失效形式有：磨粒磨损、刮伤、咬合（胶合）、疲劳剥落和腐蚀，还也许出现气蚀、

流体侵蚀、电侵蚀和微动磨损等损伤。

2、滑动轴承材料应具有哪些性能？是否存在着能同时满足这些性能的材料？

【答】滑动轴承材料性能应具有以卜性能：（1）良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性。（2）良好的摩擦

顺应性、嵌入性和磨合性。（3）足够的强度和抗腐蚀能力。（4〕良好的导热性、工艺性、经济性等。不存

在一种轴承材料可以同时满足以上这些性能。

3、非液体润滑轴承的设计依据是什么？限制〃和〃。的目的是什么？

【答】非液体润滑轴承常以维持边界油膜不遭破坏作为设计的最低规定。

限制〃的目的是保证润滑油不被过大的压力挤出，间接保证轴瓦不致过度磨损。

轴承的发热量与其单位面积上的摩擦功耗力w成正比，限制网＞的目的就是限制轴承的温升，防止吸

附在金属表面的油膜发生破裂。

4、液体动压润滑的必要条件是什么？简述向心滑动轴承形成动压油膜的过程？

【答】形成流体动力润滑（即形成动压油膜）的必要条件是：

I）相对滑动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙；

2）被油膜分开的两表面必须有足够的相对滑动速度（亦即滑动表面带油时要有足够的油层最大速度）,

其运动方向必须使润滑油由大口流进，从小口流出；

3）润滑油必须有一定的粘度，供油要充足。

1.今有一离心泵的径向滑动轴承。已知：轴颈直径c/=60mm,轴的转速n=l500r/min,轴承

径向载荷F=2600N,轴承材料为ZCuSn5Pb5Zn5。试根据不完全液体润滑轴承计算方法校核该轴

承是否可用？（按轴的强度计算，轴颈直径不得小于48mm）。

解题要点：

⑴根据给定的材料为ZCuSn5Pb5Zn5,可查得：[p]=8MPa,b]=3m/s,[Pu]=12MPa•m/so

（2）按已知数据，选定宽径比B/d=l,得

一上」=3/4X60XI500=4,%

60x100060x1000

〃=—==0.722MPa

dB60x60

^=0.722x4.71=3.40MPamis

可见U不满足规定,而"、均满足。不可用

I滚动轴承

1、滚动轴承的重要失效形式是什么？

【答】滚动轴承的正常失效形式是滚动体或内外圈滚道上的点蚀破坏。

对于慢慢摆动及转速极低的轴承，重要失效形式是滚动轴承接触面上由于接触应力过大而产生的永久

性过大的凹坑。

除点蚀和永久性变形外，还也许发生其它多种形式的失效，如：润滑油局限性使轴承烧伤，润滑油不

清洁使轴承接触部位磨损，装配不妥使轴承卡死、内圈涨破、挤碎内外圈和保持架等。这些失效形式都是

可以避免的。

2、什么是滚动轴承的基本额定寿命？什么是滚动轴承的基本额定动载荷？

【答】一组轴承中，10%的轴承发生点蚀破坏，90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）

或工作小时数称为滚动轴承的基本额定寿命，以Lo表达。

滚动轴承的基本额定动载荷就是使轴承的基本额定寿命恰好为ICT转时，轴承所能承受的载荷值，用

字母C表达。

3、何时需要进行滚动轴承的静教荷计算？

【答】对于在工作载荷下基本上不旋转的轴承（例如起重机吊钩上用的推力轴承），或者慢慢地摆动以

及转速极低的轴承，需要进行滚动轴承的静载荷计算。

4、试说明下面各轴承的类型和内径，并说明哪个轴承的公差等级最高？哪个允许的极限转速最高？哪个

承受径向载荷的能力最大？哪个不能承受径向载荷？

N307/P46207/P23020751307/P6

【答】各轴承的内径均为35mm；

6207/P2为深沟球轴承，公差等级最高；允许的极限转速最高；

N307/P4为圆柱滚子轴承，承受径向载荷能力最高；

30207为圆锥滚子轴承；

51307/P6为双列推力球轴承，不能承受径向载荷。

7、如图所示，根据工作条件，决定在轴的两端选用两个70000AC角接触球轴承。工作中有中档冲击，转

速〃=1800r/min,轴颈d=35mm已知两轴承的径向载荷分别为工1=339（）N,工2=104。N,外加

轴向载荷为月至二870N,作用方向指向轴承1,试拟定其工作寿命。

【解】1）拟定轴承型号

根据题目规定，可以选用的轴承型号为7xxO7AC,在此

选用7207AC轴承，其基本参数为：

基本额定动载荷Cr=29.0kN

基本额定静载荷=19.2kN

题7图

Fa/Fr>e派生轴向力Fa判断系数e

XYXY

0.68工0.68

100.410.87

2）计算派生轴向力

F(n=0.68&=0.68x3390=2305.2N；Fd2=0.68%=0.68x1040=707.2N

3)计算两个轴承的轴向力

如图，由于丹2+4。=707.2+870=1577.2N<%=2305.2N

故轴承1被放松，轴承2被压紧，所受轴向力分别为

%=%=2305.2N；Fa2=Fdl-Fae=2305.2-870=1435.2N

4)计算两个轴承的当量动载荷

由题意，在表13-6中取载荷系数力，=1.5,对于轴承I,由于，4=2；需=o.68=e

故轴承1的X=l,Y=0,其当昼动载荷为P}=/z,(XFrI+YFa])=fpFrX=1.5x3390=5085N

对于轴承2,由于1435.2=i38>e,故轴承2的X=0.41,Y=0.87

Fr2