机械设计原理与结构练习题

机械设计原理与结构练习题姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.机械设计的基本原理包括：

a)力学原理

b)热力学原理

c)电学原理

d)所有以上选项

2.机械传动比是指：

a)输入轴转速与输出轴转速之比

b)输入轴转矩与输出轴转矩之比

c)输入轴半径与输出轴半径之比

d)输入轴长度与输出轴长度之比

3.螺旋传动的主要优点是：

a)传动平稳，噪声小

b)结构紧凑，体积小

c)额定载荷大，效率高

d)所有以上选项

4.滚动轴承与滑动轴承相比，其主要优点是：

a)轴承寿命长

b)摩擦系数小，效率高

c)极限转速高

d)所有以上选项

5.下列哪个不属于机械设计中常见的材料？

a)钢铁

b)铝合金

c)玻璃

d)塑料

答案及解题思路：

1.答案：d

解题思路：机械设计的基本原理涵盖了力学、热力学和电学等多个领域。力学原理涉及物体的运动和受力情况；热力学原理处理能量转换；电学原理则关注电机和电器的运作。因此，所有选项都属于机械设计的基本原理。

2.答案：a

解题思路：机械传动比定义为输入轴转速与输出轴转速之比，这个比值是描述传动系统功能的重要参数。

3.答案：d

解题思路：螺旋传动结合了齿轮传动的平稳性和链条传动的紧凑性，因此在传动平稳、结构紧凑、承载能力大和效率高等方面均有优点。

4.答案：d

解题思路：滚动轴承因其滚动摩擦系数小、磨损小、极限转速高等特点，在寿命、效率、速度和负载能力上相比滑动轴承都有明显优势。

5.答案：c

解题思路：在机械设计中，钢铁、铝合金和塑料是常见的材料，它们各自有不同的机械功能和应用。玻璃虽然在某些特定领域有应用，但不是机械设计中的主流材料。二、填空题1.机械设计的基本原则包括______、______、______、______。

解答：可靠性与安全性、经济性、适应性、人机工程学。

2.机械零件的失效形式主要有______、______、______、______。

解答：疲劳破坏、断裂、塑性变形、磨损。

3.机械设计中常用的连接方式有______、______、______、______。

解答：焊接、螺纹连接、铆接、粘接。

4.机械设计中的传动系统包括______、______、______、______。

解答：带传动、链传动、齿轮传动、液压传动。

5.机械设计中的润滑系统主要包括______、______、______、______。

解答：润滑剂的选用、润滑装置的设计、润滑方式的选择、润滑效果的评估。

答案及解题思路：

1.机械设计的基本原则

答案：可靠性与安全性、经济性、适应性、人机工程学。

解题思路：这些原则是机械设计中的基本指导思想，旨在保证机械产品在满足使用功能的同时具备良好的经济性、可靠性、安全性和符合人机工程学的需求。

2.机械零件的失效形式

答案：疲劳破坏、断裂、塑性变形、磨损。

解题思路：这些失效形式是机械零件在实际工作过程中可能出现的，了解它们有助于设计师在设计和选材时采取相应的预防措施。

3.机械设计中常用的连接方式

答案：焊接、螺纹连接、铆接、粘接。

解题思路：这些连接方式各有特点，适用于不同的场合和材料，设计师需根据实际需求选择合适的连接方式。

4.机械设计中的传动系统

答案：带传动、链传动、齿轮传动、液压传动。

解题思路：传动系统是机械设计中的关键部分，选择合适的传动方式可以有效地传递动力和运动，提高机械效率。

5.机械设计中的润滑系统

答案：润滑剂的选用、润滑装置的设计、润滑方式的选择、润滑效果的评估。

解题思路：润滑系统对于保证机械部件的正常工作，合理选择润滑剂、设计润滑装置、选择润滑方式和评估润滑效果都是设计过程中需要考虑的因素。三、判断题1.机械设计只考虑结构设计，不考虑功能设计。（×）

解题思路：机械设计是一个综合性的过程，既要考虑结构设计，也要考虑功能设计。结构设计是指设计出满足强度、刚度和稳定性的机械结构，而功能设计是指设计出能够完成预定任务的机械。两者缺一不可。

2.机械设计中，提高零件的刚度可以提高零件的强度。（×）

解题思路：刚度与强度是两个不同的概念。刚度是指材料或结构抵抗变形的能力，而强度是指材料或结构在受力后抵抗破坏的能力。提高刚度并不直接提高强度，但是可以提高结构的整体抗破坏能力。

3.机械设计中的可靠性设计是指设计出的机械在规定条件下能可靠地完成预定功能。（√）

解题思路：可靠性设计是机械设计中非常重要的一个方面。它保证设计出的机械在预期的使用条件下能够持续、稳定地完成预定功能。

4.机械设计中，提高零件的耐磨性可以延长零件的使用寿命。（√）

解题思路：耐磨性是指材料抵抗磨损的能力。提高零件的耐磨性可以减少由于磨损造成的损坏，从而延长零件的使用寿命。

5.机械设计中的节能设计是指在设计过程中尽量减少能源消耗。（√）

解题思路：节能设计是现代机械设计中的一个重要目标。它强调在满足功能要求的同时尽量减少能源消耗，提高能源利用效率。这不仅有助于降低成本，也有利于环境保护。四、简答题1.简述机械设计的基本原则。

机械设计的基本原则包括：

保证机械系统的可靠性和安全性；

优化设计，提高机械效率；

保证机械产品的经济性和合理性；

易于制造、装配和维修；

考虑机械的环保功能。

2.简述机械零件的失效形式。

机械零件的失效形式主要包括：

断裂：包括疲劳断裂、脆性断裂、过载断裂等；

腐蚀：包括氧化腐蚀、电化学腐蚀等；

磨损：包括磨损、冲蚀、疲劳磨损等；

轴承失效：包括点蚀、剥落、磨损等；

轴承座失效：包括疲劳、磨损、腐蚀等。

3.简述机械设计中常用的连接方式。

机械设计中常用的连接方式有：

螺纹连接：包括普通螺纹、细牙螺纹等；

销连接：包括圆销、方销等；

过盈连接：包括过盈配合、压入配合等；

键连接：包括平键、斜键、导向键等；

螺钉连接：包括自攻螺钉、沉头螺钉等。

4.简述机械设计中的传动系统。

机械设计中的传动系统主要包括：

齿轮传动：包括直齿轮、斜齿轮、人字齿轮等；

轮带传动：包括V带、B带、同步带等；

联轴器：包括弹性联轴器、刚性联轴器等；

液力偶联器：包括导向式、导向式液力偶联器等；

皮带传动：包括V带、B带、同步带等。

5.简述机械设计中的润滑系统。

机械设计中的润滑系统主要包括：

润滑剂：包括矿物油、合成油、固体润滑剂等；

润滑方式：包括循环润滑、滴油润滑、油浴润滑等；

润滑系统：包括油泵、油箱、过滤器、冷却器等。

答案及解题思路：

1.答案：机械设计的基本原则包括可靠性、优化设计、经济性、易于制造、装配和维修以及环保功能。

解题思路：根据题目要求，列举出机械设计的基本原则，并解释每个原则的意义。

2.答案：机械零件的失效形式包括断裂、腐蚀、磨损、轴承失效和轴承座失效。

解题思路：根据题目要求，列举出机械零件的失效形式，并简要说明每种失效形式的特点。

3.答案：机械设计中常用的连接方式包括螺纹连接、销连接、过盈连接、键连接和螺钉连接。

解题思路：根据题目要求，列举出机械设计中常用的连接方式，并简要说明每种连接方式的特点。

4.答案：机械设计中的传动系统包括齿轮传动、轮带传动、联轴器、液力偶联器和皮带传动。

解题思路：根据题目要求，列举出机械设计中的传动系统，并简要说明每种传动系统的特点。

5.答案：机械设计中的润滑系统包括润滑剂、润滑方式和润滑系统。

解题思路：根据题目要求，列举出机械设计中的润滑系统，并简要说明每个组成部分的作用。五、计算题1.已知齿轮的模数为2mm，齿数为40，求齿轮的齿顶圆直径。

解答：

齿轮的齿顶圆直径\(D_a\)可以通过以下公式计算：

\[D_a=m\timesz2\timesa\]

其中，\(m\)是模数，\(z\)是齿数，\(a\)是齿顶高系数，对于标准齿轮，\(a=m\)。

所以，

\[D_a=2\times402\times2=804=84\text{mm}\]

2.已知螺旋传动的螺旋升角为30°，螺旋导程为20mm，求螺旋传动的线速度。

解答：

螺旋传动的线速度\(v\)可以通过以下公式计算：

\[v=\frac{d}{\sin\alpha}\]

其中，\(d\)是螺旋直径，\(\alpha\)是螺旋升角。

螺旋直径\(d\)可以通过螺旋导程\(s\)和螺旋升角\(\alpha\)的关系计算：

\[d=s\times\sin\alpha\]

所以，

\[v=\frac{20\times\sin30°}{\sin30°}=20\text{mm/s}\]

3.已知轴承的额定载荷为30000N，求轴承的额定动载荷。

解答：

轴承的额定动载荷\(C\)通常由制造商提供，如果没有具体数值，可以根据额定静载荷\(C_s\)和载荷系数\(f\)计算：

\[C=C_s\timesf\]

其中，载荷系数\(f\)是根据轴承类型和工作条件确定的，这里假设\(f=1.1\)。

所以，

\[C=30000\times1.1=33000\text{N}\]

4.已知齿轮的齿数分别为20和40，模数为2mm，求齿轮的传动比。

解答：

齿轮的传动比\(i\)可以通过以下公式计算：

\[i=\frac{z_2}{z_1}\]

其中，\(z_1\)是主动齿轮的齿数，\(z_2\)是从动齿轮的齿数。

所以，

\[i=\frac{40}{20}=2\]

5.已知齿轮的齿数分别为30和50，模数为2mm，求齿轮的齿顶圆直径。

解答：

齿轮的齿顶圆直径\(D_a\)仍然使用之前的公式计算：

\[D_a=m\timesz2\timesa\]

对于齿轮，\(a=m\)。

所以，

\[D_a=2\times302\times2=604=64\text{mm}\]

答案及解题思路：

1.答案：84mm

解题思路：使用齿轮齿顶圆直径计算公式，代入已知模数和齿数计算得出。

2.答案：20mm/s

解题思路：使用螺旋传动的线速度计算公式，代入螺旋导程和螺旋升角计算得出。

3.答案：33000N

解题思路：使用轴承额定动载荷计算公式，代入额定载荷和载荷系数计算得出。

4.答案：2

解题思路：使用齿轮传动比计算公式，代入主动齿轮和从动齿轮的齿数计算得出。

5.答案：64mm

解题思路：使用齿轮齿顶圆直径计算公式，代入已知模数和齿数计算得出。六、论述题1.论述机械设计中提高零件寿命的方法。

解答：

优化设计：通过合理的设计，如减小应力集中、优化截面形状等，减少零件的磨损和疲劳。

选材合理：根据零件的工作条件和环境，选择合适的材料，提高材料的耐磨性、耐腐蚀性等。

热处理：通过热处理改善材料的功能，如提高硬度、韧性和耐磨性。

润滑：选用合适的润滑剂，减少零件间的摩擦和磨损。

减振：采取措施降低机械振动，避免零件因振动而损伤。

2.论述机械设计中提高机械可靠性的方法。

解答：

冗余设计：设计中引入冗余部件，以保证在某个部件失效时，系统仍能正常工作。

故障诊断：设计故障诊断系统，及时发觉并排除故障。

环境适应性：设计时要考虑机械在不同环境条件下的可靠性，如高温、低温、腐蚀等。

可靠性分析：通过可靠性分析，预测和评估机械的可靠性，并进行相应的改进。

标准规范：遵守相关的标准和规范，保证设计质量。

3.论述机械设计中提高机械效率的方法。

解答：

优化传动系统：采用高效的传动系统，如齿轮、链传动等，减少能量损失。

减小摩擦：通过润滑、表面处理等方法，减小零件间的摩擦，提高效率。

减少能量损失：减少如热量、声能等形式的能量损失。

优化结构设计：通过优化结构设计，减少重量，提高机械效率。

使用高效电机：选择合适的电机，提高电机的效率。

4.论述机械设计中提高机械安全性、舒适性的方法。

解答：

安全防护装置：设计安全防护装置，如防护罩、安全开关等，防止人员伤害。

人机工程学：考虑操作者的舒适度和便捷性，如座椅、操作面板等。

振动和噪声控制：通过减振、隔音等措施，降低机械的振动和噪声。

紧急停止装置：设计紧急停止装置，保证在紧急情况下能迅速停止机械。

安全培训：对操作者进行安全培训，提高安全意识。

5.论述机械设计中采用新材料、新工艺的意义。

解答：

提高功能：新材料和新技术可以提高机械的功能，如耐磨性、耐腐蚀性、强度等。

降低成本：通过采用新材料和新技术，可以降低制造成本。

缩短设计周期：新材料和新技术可以提高设计效率，缩短设计周期。

提升竞争力：采用新材料和新技术可以提升产品的竞争力，满足市场需求。

可持续发展：新材料和新技术有助于实现可持续发展，减少资源消耗和环境污染。

答案及解题思路：

答案：参照上述解答内容。

解题思路：

1.审题：仔细阅读题目，明确题目要求。

2.梳理知识点：根据题目要求，梳理相关知识点。

3.组织语言：按照逻辑顺序，用简洁明了的语言表达解题思路。

4.注意格式：保持卷面整洁，格式规范。七、综合应用题1.根据给定的工作条件和要求，设计一个简单的机械传动系统。

题目描述：

设计一个机械传动系统，用于将一台电机的旋转运动传递到另一台机械装置上。电机额定功率为5kW，转速为1500rpm，输出轴要求转速为300rpm，功率输出不变。要求传动系统紧凑、可靠，并保证传动效率不低于90%。

解题思路：

分析电机和输出轴的转速比，确定使用的传动类型（如齿轮、皮带、链条等）。

选择合适的传动比，以满足转速要求。

根据功率和效率要求，选择合适的材料。

计算传动系统的尺寸和承载能力。

设计传动系统的装配图和零件图。

答案：

选择齿轮传动，传动比为1:2。

使用标准模数和齿数，保证效率。

材料选择45号钢。

详细尺寸和承载能力计算结果。

装配图和零件图。

2.根据给定的工作条件和要求，设计一个简单的机械结构。

题目描述：

设计一个用于搬运重物的机械结构，重物重量为500kg，搬运高度为2m，要求结构稳定，操作简便，自重不超过50kg。

解题思路：

确定结构类型，如机械臂、起重机等。

进行静态和动态分析，保证结构强度和稳定性。

设计传动机构和控制系统。

优化结构设计，减轻自重。

绘制结构图和部件图。

答案：

选择机械臂结构。

结构强度和稳定性分析。

传动机构和控制系统设计。

结构优化和减轻自重的措施。