机械设计基础问答题
2020-03-02 12:58:02 来源：范文大全收藏下载本文
机械设计基础问答题
1.试述机械与机构、零件与构件、运动副与约束的涵义。
①零件是制造的基本单元；②某些零件固联成没有相对运动的刚性组合称为构件，构件是运动的基本单元；③构件与构件之间通过一定的相互接触与制约，构成保持相对运动的可动联接，称为运动副；④当构件用运动副联接以后，它们之间的某些相对运动将不能实现，这种对相对运动的限制称为运动副的约束；⑤能完成有用的机械功或转换机械能的机构组合系统称为机器；⑥机器与机构总称为机械。 2.何谓复合铰链、局部自由度和虚约束？
①三个或三个以上的构件在同一轴线上用回转副相联接构成复合铰链；②局部自由度是指不影响机构中输入与输出关系的个别构件的独立运动（凸轮机构中的滚子——提高效率，减少磨损）；③运动副引入的约束中，对机构自由度的影响与其他机构重复，这些重复的约束称为虚约束（机械中常设计带有虚约束，对运动情况虽无影响，但往往能使受力情况得到改善）。 3.机构具有确定运动的条件是什么？若不满足条件，将会出现什么情况？
①运动链成为具有确定相对运动的机构的必要条件为：运动链的自由度必须大于零，主动构件数必须等于运功链的自由度；②不满足条件时，当自由度为零时，运动链将成为各构件间没有相对运动的刚性构架，当主动构件数大于自由度时，可能会折断构件，当主动构件数小于自由度时，从动件的运动不确定。
4.试述机件损伤和失效的主要形式以及机件工作准则的涵义。
①机件的主要的损伤及失效形式有：机件产生整体的或工作表面的破裂或塑性变形，弹性变形超过允许的限度，工作表面磨损、胶合和其他破环，靠摩擦力工作的机构产生打滑和松动，超过允许强度的强烈震动，等等；②主要准则：强度——机件抵抗断裂、过大的塑性变形或表面疲劳破坏的能力，刚度——机件受载时抵抗弹性变形的能力，常用产生单位变形所需的外力或外力矩来表示（提高刚度的办法：改进机件结构，增加辅助支撑或肋板以及减小支点的距离，适当增加断面尺寸）耐磨性——磨损过程中抵抗材料脱落的能力，振动稳定性——机器在工作时不能发生超过容许的振动，耐热性。 5.机械中常用哪些材料？选用材料的原则是什么？
1.机械制造中常用的材料是钢和铸铁，其次是有色金属合金以及非金属材料。
2.材料选用有3种原则：a：使用要求——考虑机件所受的则和的大小、性质和应力方向（拉伸为主—钢件；受压机件—铸铁），机件的工作条件，机件的尺寸和重量的限制，机件的重要程度；b：工艺要求；c：经济要求。
6.滑动摩擦根据摩擦面间润滑剂的存在情况，滑动摩擦如何分类？
a：干摩擦：两摩擦表面间无任何润滑剂而直接接触的纯净表面间的摩擦状态；
b：边界摩擦：摩擦副表面各吸附一层极薄的边界膜，边界膜厚度通常在0.1um以下，尚不足以将微观不平的两接触表面分隔开，两表面间仍有凸峰接触；
c：流体摩擦：两摩擦表面完全被流体层分隔开，表面凸峰不直接接触的摩擦状态； d：混合摩擦：干摩擦、边界摩擦、流体摩擦处于混合共存状态下的摩擦状态。 7.试述螺纹牙型的主要种类及应用。
a：三角形螺纹：螺纹牙根厚、强度高、牙型角大，当量摩擦系数大、自锁性能好但传动效率低，适用于联接； b：矩形螺纹：由于牙型角为0度，传动效率最高，但是精加工困难，磨损后间隙难以补偿，易松动，螺母与螺杆对中心的准确度较差，螺纹根部强度最弱，应用已经很少。 c：锯齿形螺纹：效率较矩形螺纹略低，牙根强度很高，适用于承受单向载荷的螺旋传动；
d：梯形螺纹：牙型角为30度，传动效率较矩形螺纹低，但牙根强度高，当采用剖分螺母时，螺纹磨损后的间隙可以补偿，广泛用于螺旋传动。 8.螺纹联接的基本类型有哪些？各适用于什么场合？
a：螺栓联接：不需加工螺纹孔，结构简单，装拆方便，多用于被联接件不太厚并需经常拆卸的场合；
b：螺纹联接：用于被联接之一较厚，不便加工通孔的场合，但不能经常拆卸，否则会因螺纹孔磨损而导致被联接件磨损；
c：双头螺柱联接：用于被联接件之一太厚不便于穿孔且需经常拆卸或结构上受限制不能采用普通螺栓联接的场合；
d：紧定螺钉：多用于轴上零件的固定，可以传递不大的力和转矩。、
9.螺纹联接防松的意义及基本意义是什么？
在静载荷和温度变化不大的情况下，联接所用的三角形螺纹都有自锁性，但在冲击、震动和变载荷的作用以及温度变化较大的情况下，联接有可能松动，甚至松脱，不仅影响机器正常工作，有时还会造成严重事故，所以在设计螺栓联接时必须考虑防松。螺纹联接防松的实质问题是在于防止螺纹副拧紧后的反向相对运动。防松的方法按工作原理不同有以下三大类：a：附加摩擦力防松，如使用弹簧垫圈；b：直接锁住防松，如开口销、串联金属丝的使用；c：破坏螺纹副关系防松，例如焊接或冲点。
10.试从传递转矩能力、制造成本、削弱轴强度几个方面比较平键、半圆键和花键联接。
a：传递扭矩的能力：平键和半圆键均是靠轮毂和键侧面的相互挤压来传递扭矩的，而花键是利用多齿传递载荷而且键和轴做成一体，故其承载能力较大，而半圆键用于轻载的场合。
b：制造成本：由于花键是在轴上周向均匀加工出多个键齿，且轮毂也要加工出相应的键齿槽，故其制造成本较高。
c：削弱轴的强度：平键和半圆键均需要在轴上开出键槽，故均会削弱轴的强度，而半圆键的键槽开的最深，故对轴的强度的削弱最大，而花键的键和轴为一体，对轴强度的削弱最小。
11.铆接，焊接，和粘接各有什么特点，分别适用于什么情况？
a：铆接：铆钉联接是利用顶杆和预制头的铆钉通过被联接件的预制孔，然后利用铆型施压再制造出另一端的铆头构成的不可拆分的联接。铆接具有工艺简单，耐冲击和牢固等优点，但结构笨重，并会削弱被联接件的强度。主要用于轻金属结构、非金属元件的联接以及受冲击或震动的金属结构而由于焊接技术限制的场合；
b：焊接：焊接是利用局部加热的方法是两个以上的金属元件在联接处形成分子间的结合而构成的不可拆卸的联接。与铆接相比，具有重量轻、强度高、工艺简单等优点，但是由于焊接后常有残余应力及变形，不宜承受严重的冲击和震动，而且由于某些材料的焊接技术还有待研究，应此还不能完全取代铆接，应用在单件生产时，用焊接代替铸造来生产结构形状复杂或尺寸较大的零件，大的锻件也可以分开制造后再焊接为整体； c：粘接：粘接是由胶粘剂直接涂在被联接件的联接表面间，固着后粘合而形成的一种联接，粘接工艺较简单，具有重量轻，耐腐蚀，密封性能好等优点，但不宜在高温条件下工作。目前用于要避免铆接、焊接因钻孔、高温而引起的应力集中以及不同材料或极薄金属间的联接。 12.带传动的工作能力取决于哪些方面？请分析预拉力、小轮包角、小轮直径、传动比和中心距数值的大小对带传动的影响。
带传动是依靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的，故摩擦力增大其所能传递的功率也越大。增大小轮包角和预拉力均能增大摩擦力，其他条件不变时，增大小轮直径，减小传动比和增大中心距均可以使得包角增大，但是小轮直径越小其所受的弯曲应力会增大。
13.试述带传动的弹性滑动与打滑的现象、后果及原理。
弹性滑动是由于带工作时紧边和松边存在压力差，使带的两边的弹性变形量不相等，从而引起带与带轮之间局部而微小的相对滑动，这是带传动正常工作时的固有特性，因而是不可避免的。弹性滑动会使带传动不能保持准确的传动比，降低传动效率。而打滑则是由于过载而引起的带在带轮上的全面滑动，打滑时带的磨损加剧，从动轮转速急剧降低甚至停止运动，致使传动失效。
14.试从工作原理、结构、特点和应用将带传动和链传动作比较。
带传动是依靠带与带轮接触面之间的摩擦力来传递运动和动力的，带传动由两个带轮和压紧其上的传动带组成。带传动能缓和冲击，吸收震动，传动较平稳，噪声小，过载时可以通过打滑起到过载保护的作用，结构简单，能用于中心距较大的传动，但是传动效率较低，不能保证转速比，承载能力小，尺寸大。由于需要预紧，轴上受力较大，而且带传动可能会摩擦起电、产生火花，不能用于易燃易爆的场所；
链传动是由主、从动链轮和绕在其上的链条组成，靠中间挠性链条与链轮轮齿的啮合传动，与带传动相比，链传动张紧力小或无需张紧，传动效率较高，平均转速能保持为定值，但是由于多边形效应，其瞬时角速度比不恒定，传动不够平稳。链传动可在中心距大，中、低速重载、运动平稳性不高以及温度较高、多尘、油污等恶劣条件下工作。 15.滚子链传动的主要失效形式有哪些？计算承载能力的基本公式依据是什么？
滚子链传动的主要失效形式有：在变应力作用下链板疲劳破坏；链条铰链销轴磨损导致链节距过度伸长引起脱链；速度过高或润滑不良使销轴与套筒之间发生胶合；套筒或滚子由于过载冲击疲劳破断；低速重载或严重过载是链条静力拉断。
对于每一种失效形式，均可以得出相应的极限功率表达式，或绘成极限功率曲线，修正后可以得到许用功率，计算承载能力的工作功率必须小于许用功率。 16.滚子链传动的主要参数有哪些？应如何合理选择？
a：链的节距和排数：节距越大，能传递的功率也越大，但运动的不均匀性、动载荷、噪声也相应的增大。应此，在满足承载能力的条件下，应尽可能选用小节距的链，高速重载时可选用小节距的多排链；
b：链轮齿数：齿数不应过少或过多，过少会使运动不均匀性加剧，过多因磨损而引起的节距增长导致滚子与链轮齿的接触点向链轮齿顶移动，进而导致传动容易发生跳齿和脱链现象，缩短链的使用寿命，而且为了磨损均匀齿数最好是与链节数互为质数的奇数。 c：中心距和链节数：中心距过小时链与小轮啮合的齿数少，若中心距大则松边垂度过大，传动中容易引起链条颤动，一般链条节数应为偶数。
17.齿轮传动中瞬时传动比保持恒定不变的条件是什么？
齿廓的形状必须符合下述条件：两齿廓不论在哪个位置接触，过接触点所作齿廓的公法线必须通过连心线上的一个定点。
18.一对相啮合的齿数不等的标准渐开线外啮合直齿圆柱齿轮，两轮的分度圆齿厚，齿根圆齿厚和齿顶圆上的压力角是否相等？那个较大？哪个齿轮齿廓较为平坦？ 由于齿轮齿廓的形状取决于基圆的大小，故齿数多的齿轮基圆较大，因而齿廓较为平坦，两轮分度圆齿厚相等，均为πm/2，齿数多的齿轮的齿根圆较大。齿数小齿轮的齿顶圆的压力角较大。
19.齿轮失效有哪些形式？产生这些失效的原因是什么？在设计和维护中应如何避免失效？
a：轮齿折断：在载荷多次重复作用下，在齿根产生循环变化的弯曲应力，再由于齿轮齿根过渡圆角较小；齿根表面粗糙度较高；滚切是可能留下的刀痕或拉伤；热处理产生的微裂痕和传动系统中的动载荷以及接触不良等因素的影响，会引起较大的齿根应力，当最大应力超过材料的弯曲疲劳强度是，就会最终导致轮齿疲劳断裂，还有用淬火钢、铸铁等材料制造的齿轮受短时严重过载也会造成突然折断；设计时应提高齿根弯曲强度，改进热处理方式。
b：齿面磨粒磨损：金属与非金属杂物进入轮齿工作表面，齿面间有相对滑动存在，在载荷的作用下，这些外来颗粒起着磨损作用，会引起齿面产生磨粒磨损，主要发生在开始齿轮传动中；闭式齿轮传动为了避免磨粒磨损应注意减小齿面粗糙度，改善润滑条件。 c：齿面点蚀：由于轮齿工作时，在齿面接触处产生过高的接触应力，如超过材料的接触疲劳极限时，在载荷多次作用下，齿面表层就会产生细微的疲劳裂纹，随着应力循环次数的增多，裂纹扩张和蔓延，使裂纹之间的金属微粒剥落下来而形成凹坑。提高齿面硬度可以提高齿面抗点蚀能力，此外由于润滑油渗入微观裂纹，有可能促使裂缝扩展，故采用粘度大的润滑油有利于减缓点蚀；
d：齿面胶合：高速重载、低速重载的情况下均有可能发生胶合现象，采用良好的润滑方式、限制油温、增加润滑油粘度、采用抗胶合添加剂的合成润滑油，减小齿面粗糙度可防止或减轻轮齿产生胶合破坏；
e：齿面塑性变形：在过大应力作用下，轮齿材料因屈服产生塑性流动而形成塑性变形。常发生在大的过载、频繁启动或硬度低的齿轮上。提高齿面硬度及采用高黏度润滑油都有助于防止轮齿产生塑性变形。
20.试述齿形系数YF的物理意义及其影响因素。
YF是一单位为1的量纲，且其值只与齿形的尺寸比例有关而与模数无关，标准齿形仅与齿数有关。 21.与直齿圆柱齿轮相比，试述斜齿圆柱齿轮传动的特点和应用。
相对于直齿圆柱齿轮，斜齿圆柱齿轮工作时同时啮合的轮齿数多，重合度较大，轮齿误差对传动的影响较小，而且每个轮齿上所受载荷也是由大逐渐减小到零，所以其传动平稳性较好，承载能力较大，故在高速大功率的齿轮传动中应用十分广泛。但是其传动时会产生轴向力，轴和轴承将都会受到轴向力的影响，于传动不利。
22.试述直齿锥齿轮大端背锥、大端当量齿轮和当量齿数的涵义。
a：大端背椎：过分度圆锥母线的端点C作大端球面的切线交轴线于O‘点，CO’绕轴线一圈所形成的与锥齿轮大端球面相切的锥面称为大端背椎。
b：大端当量齿轮：用背椎面的齿形来代替球面上的理论齿形，背椎面上的齿形展开成两个平面扇形齿轮，若将扇形齿轮补全为完整的假想齿轮，则该假想齿轮成为大端当量齿轮。
c：当量齿数：即为大端当量齿轮的齿数，Zr=Za/cosδ。
23.什么叫变位齿轮？在模数m，分度圆压力角以及齿数不变的情况下比较正变位齿轮、负变位齿轮和标准齿轮。试述标准齿轮传动、等移距变位齿轮传动、正传动和负传动的特点和应用。
a：将刀具从轮坯中心向外或向内移动一段距离，这样切出来的齿轮称为变位齿轮。 b：正变位后，分度圆齿厚增大，齿槽宽减小，齿顶高增大，齿根高减小；而负变位与此相反。正变位可以提高轮齿的弯曲强度，并在齿数Z≤ZMIN时避免根切；负变位后齿轮弯曲强度变低，可以用以配凑中心距。 c：①等变位齿轮可以用正变位切制出齿数小于ZMIN而无根切的小齿轮；用负变位可以切制修复已经磨损严重的巨型大齿轮；等变位传动可以合理地调整两轮齿根厚度，使其弯曲强度和齿根部磨损大致相等，以提高传动的承载能力或耐磨性相等，可以用来取代标准齿轮传动；②Z1+Z2≤2Zmin时必须使用正传动才能使两轮都避免根切，而且可以满足中心距大于标准中心距的传动，并可以提高轮齿的弯曲强度，减轻轮齿磨损，但是重合度减小较多；③负传动虽然会略增加重合度，但会降低轮齿的弯曲强度且两轮齿根滑动系数较大，使磨损加剧，只有在配凑中心距时才使用；④与标准齿轮传动相比，变位齿轮没有互换性，必须成对设计、制造和使用。
24.普通圆柱蜗杆传动的组成及工作原理是什么？它有哪些特点？宜用于什么情况？
蜗杆传动由蜗杆及涡轮组成，一般蜗杆为主动件。在主平面上，蜗杆传动相当于齿条齿轮的传动，当蜗杆绕轴旋转时，蜗杆轮齿相当于齿条作轴向移动而驱动涡轮轮齿，使涡轮旋转。
涡轮传动具有以下特点：传动比大，结构紧凑；传动平稳，噪声小；可以实现自锁；但是蜗杆传动由于齿间存在较大的相对滑动，传动中摩擦较大，发热大，效率低，自锁时啮合效率低于0.5，因而需要良好的润滑和散热条件，不适用于大功率传动；同时为了减小磨损和防止胶合，便于跑合，涡轮齿圈常用比较贵重的有色金属。
25.蜗杆传动的失效形式和强度计算与齿轮传动相比，主要的异同点是哪些？
齿轮传动中所能发生的点蚀、弯曲折断、胶合和磨损等失效形式，在蜗杆传动中也都有可能出现，但是蜗杆传动在齿面间有较大的相对滑动，磨损、胶合为最常见的失效形式，而且蜗轮轮齿弯曲强度所限定的承载能力大都超过齿面点蚀和热平衡计算所限定的承载能力，蜗轮断齿情况很少发生。
胶合和磨损目前无成熟的计算方法，但是它们均随齿面接触应力的增加而加剧，因此可统一作为齿面接触强度进行条件性计算，根据不同材料的失效形式以相应的许用接触应力加以补偿，这样蜗杆齿面的接触强度计算便成为蜗杆传动最基本的轮齿强度计算。 26.试述蜗杆传动中滑动速度的涵义。弧面蜗杆传动与普通蜗杆传动相比有哪些特点？
蜗杆传动中，蜗杆和蜗轮在啮合节点处的圆周速度相互垂直，其相对速度称为滑动速度。 弧面蜗杆传动由于滑动速度方向与接触线间的夹角较大，故其形成动压油膜的条件比较好，因而抗胶合能力以及传动效率都比普通圆柱蜗杆传动有显著提高。
27.试比较螺旋传动与齿轮齿条传动的特点和应用。试比较普通滑动螺旋传动、滚动螺旋传动的特点与应用，
a：螺旋传动和齿轮齿条传动均可将螺旋运动变成直线运动，但是螺旋传动一般不可逆向转变。螺旋传动与齿条传动相比有如下特点：1.降速传动比大，故对高速转换成低速直线可以简化系统，使结构紧凑，并提高传动精度；2.可获得大的轴向力；3.能实现自锁；4.工作平稳无噪声；5.其效率较低、磨损快，因而不适用于高速和大功率传动。 b：滚珠螺旋与滑动螺旋相比，具有以下特点：1.传动效率高，一般可达95%以上；2.启动力矩小，传动灵敏；3.磨损小，寿命长，维护简单；4.经调整预紧后，可消除滚珠螺旋中的间隙，因而具有较高的传动精度和轴向刚度；5.但是不能自锁，传动具有可逆性，需要采用防止逆转的措施；6.结构、工艺比较复杂，成本较高。 28.试比较凸轮传动与连杆传动的特点与应用。
1.连杆传动由于运动副内有间隙，当构件数目较多或精度较低时，运动积累误差较大，而且要设计精确实现任意运动规律较困难。凸轮传动与连杆传动相比，凸轮传动结构简单、紧凑，能方便地设计凸轮轮廓以实现从动件预期的运动规律。
2.连杆传动构件相联处都是面接触，压强较小，磨损也小，因而能够用于重载，使用寿命较长，而且其接触表面是平面或圆柱面，加工简单，可以获得较高的精度。而凸轮传动中齿廓与从动件之间为点接触或线接触，易磨损，不宜承受重载荷或冲击载荷。 29.试比较棘轮传动和槽轮传动的特点及应用。
1.棘轮传动结构比较简单，而且棘轮每完成一次间歇运动转过的角度可在大范围内改变或调节，而且棘轮每次运动和停止的时间比可以选择适当的驱动机构来改变，比较灵活。但棘轮传动工作时有较大的冲击和噪声，传动精度较低，故一般只适用于低速轻载的间歇传动。
2.槽轮传动有结构简单，传动效率高，与棘轮传动相比运转平稳和冲击较小等特点；但是槽轮的间歇传动角度一经设计制成，就不能再改变。一般用于自动机床转位机构，电影放映卷片机构等自动或半自动机械中。 30.轴常用的材料有哪些？应如何选择？
轴常采用碳素钢和合金钢制造。碳素钢比合金钢价廉，且对应力集中敏感性较低，应用更为广泛；合金钢具有较高的机械强度、可淬性较好，但对应力集中较为敏感，价格也较贵，故重载或重要的轴、要求尺寸小、重量轻的轴、要求高耐磨性以及在在高温等特殊环境下工作的轴，常采用合金钢。而尺寸偏大形状复杂（如曲轴）也可采用铸钢或球墨铸铁，但铸钢的品质不易保证、容易出现缩孔等缺陷。球墨铸铁具有成本低、吸振性和耐磨性较好以及对应力集中敏感性较低等优点，但是球墨铸铁的质量需要靠良好的铸造工艺予以保证。
31.良好的滑动轴承的轴瓦材料应具有哪些性能？
轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合，此外还有疲劳破坏、腐蚀等，为保证轴承正常工作，要求轴承材料具有足够的强度和塑性、减摩性和耐磨性好、耐腐蚀和抗胶合能力强、导热性好、热膨胀系数小，容易跑合且易于加工制造。
32.非液体滑动摩擦滑动轴承的计算应限制什么？为什么？
应限制平均压强——以保证润滑油不被过大的压力挤出，边界油膜不易破裂，使轴瓦不致产生过度磨损；
限制pv值——为了不产生过高的温升，避免胶合失效； 限制滑动速度v——避免由于滑动速度过高而加速磨损。 33.滑动轴承中，形成液体动压油膜的条件的有哪些？
形成液体动压润滑的条件是：1.被润滑的两表面必须有楔形间隙；2.被润滑的两表面必须连续充满着具有一定粘度的润滑油；3.被润滑的两表面必须有一定的相对滑动速度，其运动方向必须使润滑油从大口进、小口出。
34.联轴器和离合器的功用有何相同点和不同点？
联轴器和离合器都是联接两轴，使之一起回转并传递转矩。用联轴器联接的两轴只有在机器停车后，通过拆卸才能分离，而离合器则可以在机器运转过程中方便的使两轴分离或结合。
35.联轴器联接两轴的偏移形式有哪些？综合位移指的是何种偏移形式？
两轴的偏移形式有：两轴的轴向位移、径向位移、角位移。综合位移指这些位移之和。 36.制动器的作用是什么？何谓常开式和常闭式制动器？制动器设置应注意哪些问题？
制动器是用来降低机械运动速度或迫使其停止运动的装置。常闭式制动器经常处于抱闸制动状态，只有施加外力才能使其松闸解除制动；常开式制动器经常处于松闸状态，需要施加外力才能使其抱闸制动。制动器设置时一般应设在高速轴上，而且机械传动系统中位于制动装置的后面不应该出现带传动、摩擦传动和摩擦离合器等重载时可能出现摩擦打滑的装置。
37.单万向联轴器和双万向连轴器在工作性能上有何差别？双万向连轴器在安装上有何特殊要求？ 万向联轴器均可允许被联接的两轴在较大的偏转较（
牙嵌式离合器结构简单，传递扭矩大，尺寸小，工作时无滑动、安装好后不需要经常调整，适用于要求精确传动的场合，其最大的缺点是结合时有冲击和噪声，所以只适用于速度较低，嵌合前牙齿上圆周速度不超过0.7～0.8m/s和不需要在运动过程中结合的场合。
相较于牙嵌式离合器，摩擦式离合器联接的两轴的两轴可以在任何不同的转速下进行结合，通过控制摩擦面之间的压力的大小，可以调节从动轴的加速启动时间，使结合时的冲击和振动减小；过载时离合器打滑，避免其他零件损坏，可以起到保安作用，因而应用比较广泛，其缺点是结构比较复杂；两轴转速不能绝对相等；由于发热和磨损，常需要检修，有时还会出现难于脱开的弊端，从而造成事故。
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