机械工程原理与运用习题

机械工程原理与运用习题姓名_________________________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、填空题1.机械能包括动能、势能和内能三种形式。

2.机械效率是指有用功与总功之比。

3.机构的自由度是指可动机构中独立的运动副数目。

4.轴承的主要功能是减少摩擦和支撑载荷。

5.常见的连杆机构有曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构。

6.传动比是指输出转速与输入转速的比值。

7.螺旋传动的主要优点是工作平稳、传动精度高和效率较高。

8.常用的减速器有圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器。

答案及解题思路：

答案：

1.动能、势能、内能

2.有用功、总功

3.可动

4.减少摩擦、支撑载荷

5.曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构

6.输出转速、输入转速

7.工作平稳、传动精度高、效率较高

8.圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器

解题思路：

1.机械能包括动能、势能和内能三种形式，分别代表物体因运动而具有的能量、物体因位置而具有的能量以及物体分子内部能量。

2.机械效率是通过比较有用功与总功的比值来衡量，反映机械做功的效率。

3.机构的自由度是指机构中可独立运动的副的数目，它决定了机构的运动能力和自由度。

4.轴承的主要功能是减少摩擦和支撑载荷，以延长机械部件的使用寿命并提高机械效率。

5.常见的连杆机构包括曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，它们广泛应用于机械设计中。

6.传动比是输出转速与输入转速的比值，是衡量传动系统传递动力效率的重要指标。

7.螺旋传动的主要优点包括工作平稳、传动精度高和效率较高，适用于传递较大的扭矩。

8.常用的减速器有圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器和蜗轮蜗杆减速器，它们具有不同的特点和适用范围。二、选择题1.机械能中，物体由于位置而具有的能量称为_______。

A.动能B.势能C.力能

答案：B

解题思路：在机械能的分类中，动能是物体由于运动而具有的能量，势能是物体由于位置或形变而具有的能量。因此，物体由于位置而具有的能量称为势能。

2.机械效率越高，说明机械的_______越低。

A.精度B.耗能C.强度

答案：B

解题思路：机械效率是输出功与输入功的比值。效率越高，说明在完成相同工作的条件下，输入功相对较少，即耗能越低。

3.机构的自由度大于零时，机构才能实现运动。

答案：正确

解题思路：机构的自由度是指机构在运动过程中独立运动参数的个数。如果自由度为零，机构将无法运动；自由度大于零时，机构才能实现预期的运动。

4.轴承主要用于减少_______和_______。

A.相对运动B.相对位移C.相对速度

答案：A

解题思路：轴承的主要功能是支撑轴和轴上的零件，减少或消除它们之间的直接接触，从而减少相对运动和摩擦。

5.轮系传动中，主动轮与从动轮之间的转速比为_______。

A.传动比B.轴承比C.模数比

答案：A

解题思路：传动比是指轮系中主动轮与从动轮的转速之比，它是轮系设计中的重要参数，用于确定轮齿的几何尺寸。轴承比和模数比不是用于描述转速比的术语。三、判断题1.机械效率等于100%表示机械不消耗任何能量。

2.机构的自由度等于0时，机构才能实现运动。

3.轴承主要用于减少机械的磨损和能量损失。

4.螺旋传动适用于传递小功率。

5.减速器主要用于降低转速和增加转矩。

答案及解题思路：

1.答案：错误

解题思路：机械效率是指输出功率与输入功率的比值，即使效率为100%，机械在实际运行过程中仍会有能量损耗，例如摩擦损耗等，因此机械效率等于100%并不表示机械不消耗任何能量。

2.答案：错误

解题思路：机构的自由度是指机构独立运动的能力，当自由度等于0时，机构固定，无法实现任何形式的运动。实现运动的机构应具有一定的自由度。

3.答案：正确

解题思路：轴承通过减小摩擦来降低机械部件间的直接接触，从而减少磨损和能量损失。因此，轴承在机械设计中起到保护作用。

4.答案：错误

解题思路：螺旋传动是一种高效传动方式，适用于传递大功率和承受重载荷，而不仅仅适用于传递小功率。

5.答案：正确

解题思路：减速器的设计目的在于降低转速并相应地增加输出转矩，这在很多应用中都是必需的，例如在电机驱动系统和齿轮系统中。四、计算题1.已知一物体重为100N，在高度为2m的位置释放，求物体落地时的速度。

解答：

物体落地时的速度可以通过能量守恒定律来计算。

重力势能转换为动能，即\(mgh=\frac{1}{2}mv^2\)。

其中，\(m\)为物体质量，\(g\)为重力加速度，\(h\)为高度，\(v\)为速度。

由于物体的重量\(W=mg\)，则\(W=100N\)，所以\(m=\frac{W}{g}=\frac{100N}{9.81m/s^2}\)。

代入能量守恒公式得\(100N\times2m=\frac{1}{2}\times\frac{100N}{9.81m/s^2}\timesv^2\)。

解得\(v=\sqrt{\frac{2\times100N\times2m}{\frac{100N}{9.81m/s^2}}}\)。

计算得\(v\approx9.81m/s\)。

2.一机构有5个运动副，求该机构的自由度。

解答：

机构的自由度\(F\)可以通过公式\(F=3(n1)2P\)计算，其中\(n\)为机构的运动副数量，\(P\)为机构的闭链数量。

对于一个有5个运动副的机构，假设没有闭链，即\(P=0\)。

代入公式得\(F=3(51)2\times0=12\)。

因此，该机构的自由度为12。

3.一齿轮传动中，主动轮的齿数为20，从动轮的齿数为40，求传动比。

解答：

传动比\(i\)可以通过主动轮的齿数\(Z_1\)和从动轮的齿数\(Z_2\)的比值来计算。

即\(i=\frac{Z_1}{Z_2}\)。

代入数值得\(i=\frac{20}{40}=0.5\)。

因此，传动比为0.5。

4.一螺旋传动中，螺距为2mm，转速为1000r/min，求每分钟上升的高度。

解答：

每分钟上升的高度\(h\)可以通过螺距\(p\)和转速\(n\)来计算。

每分钟旋转的圈数\(n\)为转速，单位是每分钟转数（r/min）。

每分钟上升的高度\(h=p\timesn\)。

代入数值得\(h=2mm\times1000r/min=2000mm\)。

因此，每分钟上升的高度为2000mm。

5.一减速器输出轴转速为500r/min，传动比10，求输入轴转速。

解答：

输入轴转速\(n_1\)可以通过输出轴转速\(n_2\)和传动比\(i\)来计算。

即\(n_1=n_2\timesi\)。

代入数值得\(n_1=500r/min\times10=5000r/min\)。

因此，输入轴转速为5000r/min。

答案及解题思路：

1.答案：\(v\approx9.81m/s\)

解题思路：使用能量守恒定律，将重力势能转换为动能。

2.答案：自由度为12

解题思路：应用机构自由度公式，考虑运动副数量和闭链数量。

3.答案：传动比为0.5

解题思路：计算主动轮和从动轮齿数的比值。

4.答案：每分钟上升的高度为2000mm

解题思路：通过螺距和转速计算每分钟上升的高度。

5.答案：输入轴转速为5000r/min

解题思路：根据传动比和输出轴转速计算输入轴转速。五、简答题1.简述机械能的种类及其相互转化关系。

机械能主要包括动能、势能和内能三种形式。动能是物体由于运动而具有的能量，势能是物体由于位置或状态而具有的能量，内能是物体内部粒子的动能和势能的总和。机械能的相互转化关系

动能与势能的转化：当物体运动时，其动能可以转化为势能，反之亦然。例如当物体从高处下落时，重力势能转化为动能；当物体从低处上升时，动能转化为重力势能。

动能与内能的转化：物体在运动过程中，由于摩擦、碰撞等作用，动能可以转化为内能。例如在摩擦过程中，物体的动能转化为热能。

势能与内能的转化：物体在高度变化过程中，其势能可以转化为内能。例如当物体从高处下落时，势能转化为热能。

2.简述机构的自由度的概念及其计算方法。

机构的自由度是指机构在满足运动要求的前提下，可以独立运动的坐标数目。计算机构自由度的方法

主动件数：主动件是指机构中可以独立运动的部件。

从动件数：从动件是指机构中受主动件驱动而运动的部件。

连杆数：连杆是指机构中连接主动件和从动件的部件。

自由度计算公式：F=3(n1)l，其中F为自由度，n为连杆数，l为约束数。

3.简述轴承的主要作用及其分类。

轴承的主要作用是支撑轴和轴上零件，减少运动部件之间的摩擦，传递力和扭矩。轴承的分类

按材料分类：滚动轴承、滑动轴承。

按结构分类：圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、球轴承、滑动轴承等。

按用途分类：支撑轴承、导向轴承、组合轴承等。

4.简述轮系传动的特点和分类。

轮系传动具有以下特点：

可实现较大的传动比。

可实现多种运动形式。

可实现自锁。

轮系传动的分类

定轴轮系传动：主动轮和从动轮均绕固定轴线旋转。

偏心轮系传动：主动轮和从动轮轴线不重合。

5.简述螺旋传动的特点和适用范围。

螺旋传动具有以下特点：

传动平稳，噪声小。

传动比稳定，效率高。

可实现自锁。

螺旋传动的适用范围

需要实现较大传动比的场合。

需要实现自锁的场合。

需要实现精确运动的场合。

答案及解题思路：

1.答案：机械能包括动能、势能和内能，它们之间可以通过运动、摩擦、高度变化等方式相互转化。

解题思路：首先了解机械能的三种形式，然后分析它们之间的转化关系，举例说明。

2.答案：机构的自由度是指机构在满足运动要求的前提下，可以独立运动的坐标数目。计算公式为F=3(n1)l。

解题思路：首先理解自由度的概念，然后根据公式计算。

3.答案：轴承的主要作用是支撑轴和轴上零件，减少摩擦，传递力和扭矩。轴承的分类有材料、结构和用途。

解题思路：首先了解轴承的作用，然后分析其分类。

4.答案：轮系传动具有实现大传动比、多种运动形式和自锁的特点。分类有定轴轮系传动和偏心轮系传动。

解题思路：首先了解轮系传动特点，然后分析其分类。

5.答案：螺旋传动具有传动平稳、噪声小、传动比稳定和自锁的特点。适用范围包括实现大传动比、自锁和精确运动。

解题思路：首先了解螺旋传动特点，然后分析其适用范围。六、论述题1.论述提高机械效率的方法。

答：提高机械效率的方法主要有以下几种：

（1）减少摩擦：在机械设计中，通过选择合适的材料、采用滚动代替滑动等方式减少摩擦，以提高机械效率。

（2）降低损失功率：通过减少能量损耗，如减小空气阻力、降低振动和噪声等方式提高机械效率。

（3）提高机械负荷：适当提高机械负荷可以提高机械效率，但要避免负荷过高导致机械损坏。

（4）优化机械结构：通过优化机械结构，提高传动效率和减小能量损耗，如采用多级减速器、采用行星齿轮等。

解题思路：从摩擦、能量损失、负荷和结构四个方面阐述提高机械效率的方法，并举例说明。

2.论述机械设计的基本原则。

答：机械设计的基本原则

（1）实用性：保证机械产品满足用户需求，具有优良的功能。

（2）可靠性：保证机械产品在长期使用过程中，具有较高的稳定性和可靠性。

（3）安全性：在设计和使用过程中，充分考虑人员安全和设备安全。

（4）经济性：在保证质量的前提下，尽量降低制造成本。

（5）创新性：在满足设计要求的前提下，鼓励创新，提高产品竞争力。

解题思路：从实用性、可靠性、安全性、经济性和创新性五个方面阐述机械设计的基本原则，并结合实际案例进行分析。

3.论述机构运动学分析的目的和意义。

答：机构运动学分析的目的和意义

（1）分析机构运动规律：了解机构各部分的运动状态，为后续设计提供理论依据。

（2）优化机构结构：通过对机构运动学分析，找出机构不合理之处，优化机构结构，提高功能。

（3）确定机构尺寸：根据机构运动学分析结果，确定机构各部分尺寸，保证机构正常运行。

（4）为动力学分析提供依据：机构运动学分析结果为动力学分析提供基础，有利于研究机构在受力条件下的动态功能。

解题思路：从分析机构运动规律、优化机构结构、确定机构尺寸和为动力学分析提供依据四个方面阐述机构运动学分析的目的和意义，并结合实际案例进行说明。

4.论述机械动力学分析的目的和意义。

答：机械动力学分析的目的和意义

（1）研究机构在受力条件下的动态功能：分析机构在受到各种外力作用时的运动状态和受力情况。

（2）预测机械故障：通过动力学分析，发觉机械潜在故障，提前采取预防措施。

（3）优化设计：根据动力学分析结果，优化机构结构，提高机械功能。

（4）提高机械安全性：通过动力学分析，保证机械在受力条件下运行安全可靠。

解题思路：从研究机构动态功能、预测机械故障、优化设计和提高机械安全性四个方面阐述机械动力学分析的目的和意义，并结合实际案例进行分析。

5.论述机械结构设计的基本步骤。

答：机械结构设计的基本步骤

（1）需求分析：了解用户需求，确定设计目标和功能。

（2）总体设计：根据需求分析结果，制定总体设计方案，包括机构、材料、传动方式等。

（3）详细设计：在总体设计方案的基础上，对各个零部件进行详细设计，包括尺寸、形状、材料等。

（4）计算分析：对设计的机械进行力学计算和运动学分析，保证机构功能和安全性。

（5）评审与改进：对设计方案进行评审，发觉问题并改进设计。

解题思路：从需求分析、总体设计、详细设计、计算分析和评审与改进五个方面阐述机械结构设计的基本步骤，并结合实际案例进行分析。

答案及解题思路：

答案已在论述题部分给出，解题思路在每道论述题后进行了详细阐述。在解题过程中，需注意以下几点：

（1）语言严谨，论述清晰。

（2）结合实际案例进行分析，使论述更具说服力。

（3）注重理论与实践相结合，提高论述的实用价值。七、应用题1.齿轮传动转速计算

题目：一齿轮传动中，已知主动轮齿数为30，从动轮齿数为40，传动比2.5，求从动轮转速。

解题过程：

齿轮传动的传动比\(i\)是由从动轮齿数\(z_2\)除以主动轮齿数\(z_1\)得出，即\(i=\frac{z_2}{z_1}\)。

已知传动比\(i=2.5\)，主动轮齿数\(z_1=30\)，从动轮齿数\(z_2=40\)。

因此，从动轮转速\(n_2\)与主动轮转速\(n_1\)的关系为\(n_2=n_1\timesi\)。

解得从动轮转速\(n_2=n_1\times2.5\)。

2.螺旋传动上升高度计算

题目：一螺旋传动中，螺距为5mm，转速为1200r/min，求每分钟上升的高度。

解题过程：

螺旋传动中，每分钟上升的高度\(h\)等于螺距\(p\)乘以转速\(n\)。

已知螺距\(p=5\)mm，转速\(n=1200\)r/min。

因此，每分钟上升的高度\(h=p\timesn=5\)mm\(\times1200\)r/min。

解得每分钟上升的高度\(h=6000\)mm。

3.机构自由度计算

题目：一机构有5个运动副，其中3个为转动副，2个为移动副，求该机构的自由度。

解题过程：

机构的自由度\(f\)可以用公式\(f=3l2jh\)计算，其中\(l\)是机构的连杆数，\(j\)是运动副的数量，\(h\)是约束数。

已知运动副总数\(j=5\)，转动副数量\(