机械工程原理与设计知识考点梳理

机械工程原理与设计知识考点梳理姓名_________________________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.机械原理基本概念

A.机械原理的核心是研究机械的运动规律和结构特性。

B.机械效率是指输出功与输入功的比值。

C.机械系统的自由度是指系统能独立运动的坐标数目。

D.机械设计的基本原则包括功能优化、结构合理、功能可靠等。

2.机构与机构分析

A.机构的自由度等于机构的运动副数目。

B.连杆机构的类型主要包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构和齿轮机构。

C.机构的分析主要研究机构的运动和受力特性。

D.机构的效率等于机构输出功与输入功的比值。

3.机器动力学

A.机器动力学主要研究机器的运动规律和受力情况。

B.动力学平衡方程是描述物体在受力作用下运动状态不变的方程。

C.机器动力学分析常用的方法有运动学分析、动力学分析、控制理论分析等。

D.机器的动态响应是指机器在受到外界干扰时的响应。

4.运动学基础

A.运动学是研究物体运动规律和运动状态的学科。

B.速度是位移对时间的导数，加速度是速度对时间的导数。

C.运动学方程描述了物体的运动规律。

D.运动学分析主要用于确定物体的运动轨迹和速度。

5.动力学基本方程

A.动力学基本方程是描述物体运动和受力关系的方程。

B.牛顿第二定律表述为：物体的加速度与所受外力成正比，与物体的质量成反比。

C.动量定理表明：合外力的冲量等于物体动量的变化。

D.动能定理表明：物体动能的变化等于合外力所做的功。

6.机械振动基础

A.机械振动是机械系统在受力作用下产生的周期性运动。

B.自由振动是指系统不受外力作用下的振动。

C.受迫振动是指系统在外力作用下产生的振动。

D.振动的频率是指单位时间内振动的次数。

7.摩擦学基本概念

A.摩擦力是两个接触面相对运动时产生的阻碍力。

B.摩擦系数是描述摩擦力大小的参数。

C.滑动摩擦和滚动摩擦是摩擦力的两种形式。

D.摩擦学是研究摩擦现象及其应用的科学。

8.压力容器与管道设计

A.压力容器的设计应考虑材料的强度、稳定性和安全性。

B.管道设计应保证管道系统在正常运行条件下的可靠性和安全性。

C.压力容器的设计应遵循相关的国家标准和规范。

D.管道设计应考虑管道内介质的性质和流动特性。

答案及解题思路：

1.D；机械设计的基本原则包括功能优化、结构合理、功能可靠等。

2.B；连杆机构的类型主要包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构和齿轮机构。

3.A；机器动力学主要研究机器的运动规律和受力情况。

4.B；速度是位移对时间的导数，加速度是速度对时间的导数。

5.B；牛顿第二定律表述为：物体的加速度与所受外力成正比，与物体的质量成反比。

6.B；自由振动是指系统不受外力作用下的振动。

7.A；摩擦力是两个接触面相对运动时产生的阻碍力。

8.A；压力容器的设计应考虑材料的强度、稳定性和安全性。

解题思路：选择题的答案通常可以通过对基本概念和原理的理解直接得出。例如机械原理的基本概念可以通过对机械设计原则的理解直接得出正确答案；机构的分析可以通过对连杆机构的类型的记忆直接得出正确答案。对于机械振动、摩擦学、压力容器与管道设计等部分，则需要结合具体概念和设计原则来进行分析。二、填空题1.机械系统的组成要素

机械系统通常由运动部件、固定部件、控制装置和动力源等组成要素构成。

2.机械设计的基本要求

机械设计的基本要求包括可靠性、经济性、安全性、易维护性和环保性等。

3.机构的自由度

机构的自由度是指机构中独立运动参数的个数，对于平面机构，其自由度通常用公式F=3n2（n为机构中的连杆数）来计算。

4.牛顿第三定律的应用

牛顿第三定律指出，对于每一个作用力，总有一个大小相等、方向相反的反作用力。在机械设计中，这可以用来分析机械系统中的力传递和反作用力的平衡。

5.旋转机械的平衡条件

旋转机械的平衡条件是指旋转部件在旋转过程中，其质心必须位于旋转轴上，即满足质心轨迹与旋转轴重合的条件。

6.机械振动的振幅、频率和相位

机械振动的振幅是指振动过程中位移的最大值，频率是指单位时间内振动的次数，相位是指振动过程中与某一参考点的相位差。

7.摩擦系数的定义

摩擦系数是描述两个接触面之间摩擦力与正压力比值的一个无量纲量，其定义为摩擦力与正压力的比值。

8.压力容器的工作原理

压力容器的工作原理是通过密封结构将气体或液体封闭在一定的空间内，通过增加或减少容器内的压力来达到工作目的。

答案及解题思路：

答案：

1.运动部件、固定部件、控制装置、动力源

2.可靠性、经济性、安全性、易维护性、环保性

3.F=3n2

4.对于每一个作用力，总有一个大小相等、方向相反的反作用力

5.质心轨迹与旋转轴重合

6.振动过程中位移的最大值、单位时间内振动的次数、振动过程中与某一参考点的相位差

7.摩擦力与正压力的比值

8.通过密封结构将气体或液体封闭在一定的空间内，通过增加或减少容器内的压力来达到工作目的

解题思路：

1.对于机械系统的组成要素，需要理解机械系统是如何通过这些要素来实现其功能的。

2.机械设计的基本要求是评价一个机械设计是否合理的重要标准，需要综合考虑。

3.机构的自由度是机构分析的基础，需要掌握自由度的计算公式。

4.牛顿第三定律在机械设计中用于分析力的相互作用，是力学的基本原理。

5.旋转机械的平衡条件是保证旋转机械稳定运行的关键，需要理解质心轨迹与旋转轴的关系。

6.机械振动的振幅、频率和相位是描述振动特性的重要参数，需要理解其物理意义。

7.摩擦系数是摩擦学的基本概念，需要掌握其定义和计算方法。

8.压力容器的工作原理涉及热力学和流体力学知识，需要理解其密封和压力控制机制。三、判断题1.机械设计过程中，运动学分析是先于动力学分析的。

答案：√

解题思路：在机械设计中，首先需要确定机构的运动特性，即其运动学分析，然后基于此进行动力学分析，以保证设计的机械能够在预期的负载和速度下正常运行。因此，运动学分析确实是先于动力学分析的。

2.机构分析中的自由度是指机构独立运动的可能性。

答案：√

解题思路：在机构学中，自由度指的是机构中能够独立完成运动的基本运动单元的数量。它反映了机构完成特定运动任务的能力。

3.牛顿第二定律可以应用于所有运动状态的物体。

答案：×

解题思路：牛顿第二定律主要适用于宏观尺度和低速运动的物体，对于高速运动（接近光速）或微观尺度（量子力学）的物体，需要采用相对论或量子力学来进行描述。

4.旋转机械的平衡是保持转速不变的前提。

答案：√

解题思路：旋转机械的平衡意味着旋转部件在旋转过程中不产生不平衡力矩，这样可以保持转速稳定，避免因不平衡引起的振动和噪声。

5.机械振动的频率与振动系统的质量成正比。

答案：×

解题思路：机械振动的频率与系统的质量和弹簧刚度有关，而不是简单地与质量成正比。其关系通常由简谐振子的运动方程确定。

6.摩擦力的大小取决于接触表面的粗糙程度。

答案：√

解题思路：摩擦力的大小确实与接触表面的粗糙程度有关。表面越粗糙，摩擦系数越大，摩擦力也越大。

7.压力容器的设计与材料的选择无关。

答案：×

解题思路：压力容器的设计必须考虑材料的选择，因为不同材料具有不同的强度、耐温性、耐压性等特性，这些特性直接影响到容器的安全性和使用寿命。四、简答题1.简述机械原理与设计的基本流程。

解题思路：首先概述机械原理与设计的基本步骤，包括需求分析、设计方案制定、结构设计、运动学分析、动力学分析、试验验证等。

答案：

机械原理与设计的基本流程包括以下步骤：

（1）需求分析：明确机械的设计目的、功能要求和功能指标。

（2）设计方案制定：根据需求分析确定设计方案，包括机构类型、工作原理等。

（3）结构设计：根据设计方案进行机械结构设计，包括零件的尺寸、形状、材料等。

（4）运动学分析：研究机械的运动特性，包括速度、加速度、位移等。

（5）动力学分析：分析机械在工作过程中的受力情况，包括重力、摩擦力、惯性力等。

（6）试验验证：对设计好的机械进行试验，验证其功能是否符合要求。

2.举例说明机构的自由度在机械设计中的作用。

解题思路：首先说明机构的自由度的概念，然后通过具体案例说明其在机械设计中的作用。

答案：

机构的自由度是指在机构运动过程中，各个构件之间相对运动的独立坐标数目。在机械设计中，机构的自由度具有以下作用：

（1）确定机构的运动类型：根据自由度的大小，可以判断机构是连杆机构、凸轮机构、齿轮机构等。

（2）优化机构设计：通过调整自由度，可以改变机构的运动特性，提高机械的效率。

（3）简化设计过程：降低机构的自由度，可以简化结构设计，降低制造成本。

3.简要分析机械动力学在机械设计中的应用。

解题思路：首先概述机械动力学的概念，然后结合具体案例说明其在机械设计中的应用。

答案：

机械动力学是研究机械系统在运动过程中的动力学行为的一门学科。在机械设计中的应用主要包括：

（1）确定机构的运动规律：利用机械动力学原理，可以计算机构在运动过程中的速度、加速度、位移等参数。

（2）分析机械的稳定性：通过动力学分析，可以判断机械在运动过程中的稳定性，避免发生破坏。

（3）优化设计参数：根据动力学分析结果，可以调整机械设计参数，提高机械的效率。

4.简述机械振动对机械系统的影响。

解题思路：首先说明机械振动的概念，然后列举机械振动对机械系统的影响。

答案：

机械振动是指机械系统在运动过程中产生的周期性或非周期性振动。对机械系统的影响包括：

（1）降低机械功能：振动可能导致机械零部件的磨损、变形、疲劳破坏等。

（2）增加能耗：振动会导致机械零件间的摩擦增大，从而增加能耗。

（3）影响精度：振动可能导致机械系统的精度下降，影响生产效率。

5.比较滑动摩擦和滚动摩擦的特点。

解题思路：首先介绍滑动摩擦和滚动摩擦的定义，然后比较它们的特点。

答案：

滑动摩擦和滚动摩擦是两种常见的摩擦类型，其特点

（1）滑动摩擦：摩擦系数较大，摩擦力大，能量损失较大；摩擦面磨损严重。

（2）滚动摩擦：摩擦系数较小，摩擦力小，能量损失较小；摩擦面磨损较轻。

6.简要介绍压力容器的安全阀作用。

解题思路：首先说明压力容器的基本原理，然后介绍安全阀的作用。

答案：

压力容器是一种承受内部压力的封闭容器。安全阀是压力容器的一种安全装置，其作用

（1）保护容器：当容器内部压力超过设定值时，安全阀自动开启，释放压力，防止容器爆炸。

（2）保证生产安全：安全阀的开启可以降低容器内的压力，保证生产过程中的安全。

7.阐述机械设计中的可靠性原则。

解题思路：首先介绍可靠性原则的概念，然后阐述其在机械设计中的具体应用。

答案：

可靠性原则是指在机械设计中，保证产品在规定条件下能够实现预定功能的能力。在机械设计中的可靠性原则包括：

（1）冗余设计：在关键部件上设置备份，提高系统的可靠性。

（2）简化设计：尽量简化结构，降低故障发生的可能性。

（3）材料选择：选择合适的材料，提高零部件的耐用性。

（4）环境适应性：使产品适应各种环境条件，提高可靠性。五、计算题1.已知某平面四杆机构，AB=40mm，BC=60mm，CD=80mm，DA=100mm，求该机构的自由度。

解答：

根据平面四杆机构的自由度公式：F=3(n1)，其中n为杆件数。

由于该机构有4个杆件，所以n=4。

代入公式得：F=3(41)=9。

因此，该机构的自由度为9。

2.设一旋转机械的转速为6000r/min，角速度为πrad/s，求该机械的角加速度。

解答：

角加速度的计算公式为：α=(ω2ω1)/t，其中ω为角速度，t为时间。

由于转速n=6000r/min，所以角速度ω1=2πn/60=2π6000/60=200πrad/s。

已知角速度ω2=πrad/s。

代入公式得：α=(π200π)/t。

由于题目未给出时间t，无法计算角加速度。

3.某振动系统的质量为10kg，弹簧刚度为500N/m，求系统的固有频率。

解答：

固有频率的计算公式为：f=1/(2π)√(k/m)，其中f为固有频率，k为弹簧刚度，m为质量。

代入公式得：f=1/(2π)√(500/10)=1/(2π)√50≈1.97Hz。

4.某压力容器内径为1000mm，壁厚为10mm，求容器内径向应力。

解答：

内径向应力的计算公式为：σ=PD/(4t)，其中σ为内径向应力，P为工作压力，D为内径，t为壁厚。

代入公式得：σ=210^61000/(410)=510^5Pa。

5.一对滑动摩擦副，其接触面积A=0.05m²，摩擦系数μ=0.2，求摩擦力。

解答：

摩擦力的计算公式为：F=μA，其中F为摩擦力，μ为摩擦系数，A为接触面积。

代入公式得：F=0.20.05=0.01N。

6.设一滚动摩擦副，半径为R=50mm，求滚动摩擦系数。

解答：

滚动摩擦系数的计算公式为：f=kR，其中f为滚动摩擦系数，k为比例系数，R为半径。

由于题目未给出比例系数k，无法计算滚动摩擦系数。

7.某压力容器的工作压力为2MPa，容积为2m³，求容器壁厚。

解答：

容器壁厚的计算公式为：t=PV/(πD^2)，其中t为壁厚，P为工作压力，V为容积，D为内径。

代入公式得：t=210^62/(π(1000/2)^2)≈1.27mm。

答案及解题思路：

1.自由度为9，解题思路：根据平面四杆机构的自由度公式进行计算。

2.无法计算角加速度，解题思路：根据角加速度的计算公式，由于时间t未知，无法计算。

3.固有频率为1.97Hz，解题思路：根据固有频率的计算公式进行计算。

4.内径向应力为510^5Pa，解题思路：根据内径向应力的计算公式进行计算。

5.摩擦力为0.01N，解题思路：根据摩擦力的计算公式进行计算。

6.无法计算滚动摩擦系数，解题思路：根据滚动摩擦系数的计算公式，由于比例系数k未知，无法计算。

7.容器壁厚为1.27mm，解题思路：根据容器壁厚的计算公式进行计算。六、论述题1.结合实例，分析机械原理与设计在工程实践中的应用。

实例分析：以汽车发动机为例，分析机械原理与设计在工程实践中的应用。

解题思路：首先描述汽车发动机的基本结构和工作原理，然后分析发动机设计中应用的机械原理，如往复运动、旋转运动、齿轮传动等，最后讨论这些原理如何提高发动机的功能和效率。

2.论述机械设计中动力学分析的重要性。

论述要点：

动力学分析在预测机械系统动态行为中的作用。

动力学分析在提高机械系统功能和可靠性的重要性。

动力学分析在降低设计成本和缩短开发周期中的作用。

解题思路：从理论层面阐述动力学分析的基本概念和重要性，结合实际案例说明动力学分析如何帮助设计者优化机械系统。

3.阐述机械振动对机械系统的影响及其对策。

影响分析：

振动对机械精度和寿命的影响。

振动对操作安全和舒适性的影响。

对策讨论：

使用阻尼材料减少振动。

采用减振器或隔振装置。

优化机械结构设计。

解题思路：首先描述机械振动可能带来的负面影响，然后提出相应的对策，并结合具体案例说明这些对策的实际应用。

4.探讨摩擦学在机械设计中的作用。

作用分析：

摩擦学在提高机械效率中的作用。

摩擦学在减少磨损和延长机械寿命中的作用。

摩擦学在提高机械安全性和可靠性的作用。

解题思路：介绍摩擦学的基本概念，分析其在机械设计中的应用，并通过实际案例说明摩擦学对机械功能的影响。

5.分析压力容器设计中的关键问题。

关键问题分析：

材料选择和强度计算。

焊接工艺和质量控制。

安全阀的设计和校验。

解题思路：讨论压力容器设计中的主要问题，分析每个问题的解决方法，并结合实际案例说明如何保证压力容器的安全运行。

答案及解题思路：

1.答案：以汽车发动机为例，机械原理与设计在工程实践中的应用体现在发动机的往复运动转化为旋转运动，通过齿轮传动实现动力输出。设计时考虑了动力学平衡，提高了发动机的效率和稳定性。

解题思路：通过描述发动机工作原理，分析其中应用的机械原理，并讨论这些原理如何提高发动机功能。

2.答案：动力学分析在机械设计中，它能够预测机械系统的动态响应，优化设计参数，提高机械功能和可靠性。

解题思路：从理论层面阐述动力学分析的重要性，并结合实际案例说明其在设计中的应用。

3.答案：机械振动可能影响机械精度和寿命，降低操作安全性和舒适性。对策包括使用阻尼材料、减振器和优化结构设计。

解题思路：描述振动的影响，提出相应的对策，并举例说明这些对策的实际应用。

4.答案：摩擦学在机械设计中通过减少磨损、提高效率、保证安全性和可靠性发挥作用。

解题思路：介绍摩擦学的基本概念，分析其在设计中的应用，并结合案例说明其重要性。

5.答案：压力容器设计中的关键问题包括材料选择、焊接工艺和安全阀设计。解决这些问题需要严格的计算和实验验证。

解题思路：讨论设计中的关键问题，分析每个问题的解决方法，并结合案例说明如何保证压力容器的安全性。七、应用题1.设计一个平面四杆机构：

输入力为水平向左；

输出力为水平向右；

输入轴与输出轴夹角为120°。

设计思路：

本题需要设计一个平面四杆机构，使得输入力方向为水平向左，输出力方向为水平向右，且输入轴与输出轴夹角为120°。设计时，可以选择曲柄摇杆机构作为基础模型，调整曲柄与连杆的角度和长度来满足条件。

2.求某旋转机械的惯性力：

设某旋转机械的转速为1500r/min，角速度为10πrad/s。

解题思路：

惯性力与转速、角速度以及转动惯量有关。需要将转速转换为角速度，计算公式为：

\(\omega=2\pi\times\frac{n}{60}\)

然后根据机械的转动惯量\(I\)和角速度\(\omega\)，使用公式\(F=