机械设计分析题讲解.docx

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机械设计分析题讲解

一、强度（分析题，较难，10分）

[题目]

滚动轴承运转时，工作温度影响轴承游隙量。

1.试分析内、外圈及滚动体三者的热膨胀关系；

2.分析温度升高后，轴承游隙是增大还是减小；

3.导出因热膨胀差使轴承游隙变化的近似估算式（设线膨胀系数α=12.5⨯10-6︒C-1，内外圈温差∆t=5～100︒C，外圈滚道直径为D2）。

[参考答案]

1.轴承箱散热效果一般比轴好，所以外圈温度最低。

轴承内部零件温度比外圈高：

滚动体温度最高，内圈温度次之。

所以内圈、滚动体热膨胀值均比外圈大；

2.因外圈热膨胀值小于内部零件热膨胀值，使游隙减少；

3.径向游隙减少量δ≈α∆tD2（粗略计算）。

何谓可靠度Rt?

并写出Rt的表达式，一般机械设计手册中给出的疲劳极限σ-1的可靠度是多少?

[参考答案]

1.产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。

2.Rt=

（该产品到时间t的可靠度）。

3.一般手册中给出的疲劳极限σ-1的可靠度R=50%。

二、摩擦磨损润滑（分析题，中，5分）

[题目]

何谓腐蚀磨损？

单纯的腐蚀现象与腐蚀磨损有无差别？

[参考答案]

1.在摩擦过程中，摩擦表面与周围介质发生化学反应或电化学反应的磨损称为腐蚀磨损。

2.单纯的腐蚀现象可在没有摩擦条件下产生，它不能定义为腐蚀磨损。

只有当腐蚀现象与机械磨损过程相混合，同时起作用的磨损，才称为“腐蚀磨损”。

试分析与判断图中板间流体能否建立压力油膜。

[参考答案]

b）、d）、e）可能建立压力油膜，其余情况不可能。

分析：

b）存在收敛油楔。

d）

①情况存在收敛油楔；

②情况不能形成压力油膜。

e）情况：

分析同上。

f）情况：

①情况：

因为v2>v1，构成发散油楔，不能形成压力油膜；

②情况不能形成压力油膜。

零件的正常磨损分为几个阶段（画出磨损量q-时间t图），各阶段有何特点？

[参考答案]

Ⅰ.跑合磨损阶段：

机器使用（磨合）初期发生，磨损率ε =dq/dt先大、逐渐减小到稳定值，因为新摩擦表面经磨合后，接触面积增大，ε下降。

Ⅱ.稳定磨损阶段：

磨损速度缓慢且稳定，ε ＝常量，曲线斜率越小，磨损速度越慢，使用寿命越长。

Ⅲ.剧烈磨损阶段：

经过稳定磨损阶段后，零件精度下降，间隙增大，润滑恶化，导致工作条件恶化，磨损剧烈，零件迅速报废。

为什么说库伦摩擦定律只能近似地反映摩擦现象的规律，在实际应用中存在一定的局限性？

[参考答案]

1）库伦摩擦定律认为：

滑动摩擦力大小与接触面积无关，只适用于粗糙表面，而对于光滑表面，在接触表面之间出现强烈的分子吸引力，所以摩擦力将与接触面积成正比;不适用光滑表面：

表面愈光滑，按库伦定律，摩擦力愈小，实际上相反，对于光滑表面，表面愈光滑，摩擦力也愈大。

2）“滑动摩擦力大小与滑动速度无关”不适用于滑动速度大的场合，该情况下，还与速度有关。

3）F=μＦＮ公式不适用于极硬材料或极软材料。

何谓磨粒磨损？

零件工作表面的硬度与磨粒的硬度间关系对磨粒磨损寿命有什么影响？

[参考答案]

1.硬质颗粒或摩擦表面的硬质突出物，在摩擦过程中引起材料脱落的现象称为“磨粒磨损”。

2.影响方面：

试验研究表明，金属材料的硬度Hm应比磨粒硬度Ha大30％以上，使磨粒磨损处于低磨损区，则可保证一定的使用寿

试述氧化磨损属于哪类磨损？

并简述温度、环境、磨损速度等对氧化磨损程度的影响。

[参考答案]

1.属于腐蚀磨损类。

2.1）温度高，环境潮湿条件下，加剧氧化磨损速度。

2）因氧化膜在金属表面的增长率（氧化膜生成速度）是随时间变化的（如钢铁表面按指数规律降低），通常氧化作用迅速减慢（除非氧化膜因摩擦作用而被剥落），所以磨损速度小于氧化速度时，则表面存有氧化膜，起保护表面作用；反之，磨损速度大于氧化速度，则极易磨损。

有哪些措施可减轻粘着磨损？

（举出三种。

）

[参考答案]

1.合理选择摩擦副材料；

2.采用含有油性和极压添加剂的润滑剂；

3.限制摩擦表面的温度，限制pv值；

4.控制压强:

。

（H为硬度值。

）

为什么具有边界膜的两摩擦表面在边界摩擦状态时，一般会发生磨损？

[参考答案]

因边界膜一般极薄，通常只几个分子层厚，一般膜厚远远小于两表面的加工粗糙度，故磨损不可避免。

四、其他、综合应用题（分析题，中，3分）

[题目]

简述把机器分为几个部件有什么好处？

[参考答案]

便于设计、加工、装配、修理、更换、运输、标准化和通用化

试画出图示三种情况下，轴所受的扭矩图。

[参考答案]

什么是等强度设计？

在设计中如何应用？

[参考答案]

一个机器的各零件或一个零件对于各种失效方式具有同样的承载能力。

1）使各部分等强度，避免某些部分强度过大，最大限度地发挥材料的作用。

2）故意设置薄弱环节，过载时失效，使其他部分在过载时，不致损害而得到保护。

五、螺纹联接（分析题，较易，5分）

[题目]

管螺纹的公称直径是指什么直径？

为什么管子上的螺纹通常采用细牙螺纹或圆锥螺纹？

[参考答案]

管螺纹的公称直径指管子的通径（内径）。

管螺纹采用细牙螺纹主要是考虑薄壁。

管螺纹采用圆锥螺纹主要是保证紧密性，无需填料，密封简单。

常用螺纹的主要类型有哪些？

其主要用途是什么？

[参考答案]

常用螺纹的主要类型有普通螺纹、管螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹。

前两种主要用于联接，后三种主要用于传动。

与粗牙螺纹相比，细牙螺纹有什么特点？

[参考答案]

公称直径相同时，细牙螺纹的螺距小，因而细牙螺纹小径较大，升角和导程较小，细牙螺纹强度较高，自锁性较好，多应用于薄壁零件，或受变载、冲击及振动的联接中。

螺纹升角ψ的大小，对螺纹副的自锁性和效率有何影响？

试简述之。

[参考答案]

螺纹升角ψ愈小，自锁性能愈好，因自锁条件ψ

为当量摩擦角。

螺纹升角ψ愈小，效率愈低，因螺纹副效率η的公式为

。

图示表明环形螺母的两种装配方法，请说明哪种合理，为什么？

[参考答案]

图b合理。

下面受力最大处螺母的刚度得以减小，螺纹受力向上分移，在螺母高度方向各圈受力较均匀。

十一、圆柱齿轮传动（分析题，中，5分）

[题目]

设计一对闭式齿轮传动，若先按接触疲劳强度设计，再按弯曲疲劳强度校核时发现强度不够，可采取哪些改进措施（说出两条）？

并说明理由。

[参考答案]

1）改变齿轮材料，提高

。

2）中心距不变，减少齿数，增大模数，σF↓，弯曲强度。

3）适当增大齿宽b，σF↓。

一对传动比大于1的标准齿轮啮合时，哪个齿轮的齿面接触应力较大？

哪个齿轮的齿根弯曲应力较大？

为什么？

[参考答案]

两轮齿面接触应力相等，因为互为反作用力。

小齿轮的齿根弯曲应力较大，因为σF∝FYFaYSa/（mb），两轮作用力F相等，齿宽b1=b2，模数m相同，而小轮齿根较薄，使齿形系数YFa较大，YSa小一些，但乘积YFaYSa较大，故齿根弯曲应力较大。

齿轮的制造精度对齿轮传动有何影响？

在齿轮强度计算公式中它反映在哪些参数中？

[参考答案]

1）影响齿轮传递运动的准确性；影响齿轮传动的平稳、振动和噪声，以及机床的加工精度；影响轮齿在啮合过程中实际接触面积，即影响齿轮传动的强度和磨损寿命。

2）反映在Kv、Kβ、Kα参数中。

斜齿圆柱齿轮传动如图所示。

1）主动轮1螺旋线方向是__________旋（如图示）；2）在图中画出从动轮所受三个分力的方向和螺旋线方向。

[参考答案]

右，力分析见图。

一对直齿圆柱齿轮传动，在传动比、中心距、载荷等其它条件不变时，若减小模数并相应增加齿数，试分析对弯曲疲劳强度和接触疲劳强度有何影响，并说明对闭式传动，如强度允许，这样做有无好处，为什么？

[参考答案]

1）弯曲疲劳强度降低，接触疲劳强度不变。

2）有好处。

增大重合度，使传动平稳；减少切削加工量，省工时，经济。

试分析齿轮轮齿折断失效的原因及预防办法。

[参考答案]

1）齿轮工作时，轮齿像一个悬臂梁，在齿根处产生的弯曲应力最大；再加上齿根过渡部分尺寸的变化，及沿齿宽方向留下的加工刀痕等引起的应力集中等影响；又齿根处弯曲应力为变应力，故使轮齿产生疲劳折断。

轮齿受尖峰载荷时也会发生折断现象。

偏载还会产生局部折断。

2）增大齿根过渡圆角半径，消除加工刀痕，降低应力集中；增大轴及支承的刚度，减小局部受载程度；使轮齿芯部有足够的韧性；齿根处采取强化措施；齿根疲劳应力小于许用应力；尖峰载荷产生的弯曲应力小于静载许用应力；对偏载在载荷分布系数中考虑；此外，还应限制齿宽系数，采用鼓形齿，提高齿向精度、轴的平行度等。

在不改变材料和尺寸的情况下，如何提高轮齿的抗折断能力？

[参考答案]

可采取如下措施：

1）减小齿根应力集中;2）增大轴及支承刚度;3）采用适当的热处理方法提高齿芯的韧性;4）对齿根表层进行强化处理。

十二、圆锥齿轮传动（分析题，较易，5分）

[题目]

直齿锥齿轮所受的法向力Fn认为是作用在何处？

为什么？

[参考答案]

直齿锥齿轮所受法向力Fn认为是作用在齿宽中点处。

因为齿轮的受力分析时是把沿齿宽均布载荷作为集中载荷处理的；强度计算时是用齿宽中点的当量齿轮进行的。

图示一对直齿锥齿轮传动，轮1主动，轮2转向如图示，试在图上画出轮2所受各分力的方向，并写出轮1和轮2各分力之间的对应关系。

[参考答案]

1）各分力见图。

2）Ft1=Ft2，Fa1=Fr2，Fr1=Fa2

锥齿轮分度圆直径d、顶圆直径da、大端模数m、平均模数mm、锥距R中，哪些应该取标准值，哪些不应该圆整？

[参考答案]

大端模数m应取标准值，其余均不应该圆整。

说明为什么大锥齿轮的轮毂一般取较宽的尺寸。

[参考答案]

因为锥齿轮有较大的轴向力，而轮的宽度较窄，所以要取较宽的轮毂。

直齿锥齿轮传动适用于什么传动形式？

[参考答案]

适用于相交轴间的传动。

十三、蜗杆传动（分析题，中，5分）

[题目]

蜗杆传动变位的特点是什么？

[参考答案]

1）只能对蜗轮进行变位，蜗杆尺寸不变。

2）变位后，蜗轮的分度圆和节圆仍旧重合，蜗杆中间平面内的节线改变，不再与其中间平面的分度线重合

在闭式蜗杆传动中，为什么必须进行热平衡计算？

提高散热能力的措施有哪些？

[参考答案]

由于蜗杆传动的效率低于齿轮传动，故在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。

故必须根据单位时间内的发热量等于（或小于）同时间内的散热量条件进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定范围内，这是蜗杆传动的设计准则之一。

提高散热能力的措施有：

1）加散热片以增大散热面积；2）在蜗杆轴端装风扇以加快空气流通速度；3）箱体内加冷却系统。

阿基米德蜗杆与蜗轮正确啮合的条件是什么？

[参考答案]

1）蜗杆的轴向模数ma1=蜗轮的端面模数mt2且等于标准模数；2）杆的轴向压力角αa1=蜗轮的端面压力角αt2且等于标准压力角；3）蜗杆的导程角γ=蜗轮的螺旋角β且均可用γ表示，蜗轮与蜗轮的螺旋线方向相同。

为什么连续传动的闭式蜗杆传动必须进行热平衡计算？

[参考答案]

由于蜗杆传动效率低，工作时发热量大。

在闭式传动中，如果产生的热量不能及时散逸，将因油温不断升高使润滑油稀释，从而增大摩擦损失，甚至发生胶合。

所以进行热平衡计算。

蜗杆通常与轴做成一个整体，按蜗杆螺旋部分的加工方法如何分类？

[参考答案]

按蜗杆螺旋部分的加工方法可分为车制蜗杆和铣制蜗杆。

十五、带传动（分析题，易，3分）

[题目]

与普通V带相比，窄V带的截面形状及尺寸有何不同？

其传动有何特点？

[参考答案]

窄V带是用合成纤维作抗拉体，与普通V带相比，当高度相同时，窄V带的宽度约缩小1/3，而承载能力可提高1.5～2.5倍，适用于传递动力大而又要求传动装置紧凑的场合。

带轮的结构形式有哪些？

[参考答案]

铸铁制V带轮的典型结构有：

实心式、腹板式、孔板式、椭圆轮辐式。

提高带传动工作能力的措施主要有哪些？

[参考答案]

增大摩擦系数、增大包角、尽量使传动在靠近最佳速度下工作、采用新型带传动、采用高强度带材料等。

带传动的设计准则是什么？

[参考答案]

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。

带传动的主要失效形式是什么？

[参考答案]

打滑和疲劳破坏。

当小带轮为主动轮时，最大应力发生在何处？

[参考答案]

弹性滑动引起什么后果？

[参考答案]

1）从动轮的圆周速度低于主动轮；2）降低了传动效率；3）引起带的磨损；4）使带温度升高。

V带传动常见的张紧装置有哪些？

[参考答案]

定期张紧装置、自动张紧装置、采用张紧轮的装置。

带传动的打滑是如何发生的？

它与弹性滑动有何区别？

打滑对带传动会产生什么影响？

[参考答案]

打滑是由于过载所引起的带在带轮上全面滑动。

打滑可以避免，而弹性滑动不可以避免。

打滑将使带的磨损加剧，从动轮转速急剧下降，使带的运动处于不稳定状态，甚至使传动失效。

带传动中，在什么情况下需采用张紧轮？

张紧轮布置在什么位置较为合理？

[参考答案]

当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧。

张紧轮一般应放在松边内侧，使带只受单向弯曲。

同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过分影响带在小轮上的包角。

带传动工作时，带中的应力有几种？

[参考答案]

带传动工作时，带中的应力有：

拉应力、弯曲应力、离心应力。

什么是带的基准长度？

[参考答案]

V带在规定的张紧力下，其截面上与“测量带轮”轮槽基准宽度相重合的宽度处，V带的周线长度称为基准长度Ld，并以Ld表示V带的公称长度。

V带的主要类型有哪些？

[参考答案]

V带有普通V带、窄V带、联组V带、齿形V带、大楔角V带、宽V带等多种类型，其中普通V带应用最广，近年来窄V带也得到广泛的应用。

二十、轴（分析题，易，3分）

[题目]

提高轴的强度的常用措施？

[参考答案]

主要措施有：

合理布置轴上零件以减小轴的载荷、改进轴上零件的结构以减小轴的载荷、改进轴的结构以减小应力集中的影响、改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度等。

说明为什么材料的疲劳强度与轴的尺寸有关，尺寸愈大，强度愈低。

[参考答案]

因为轴的尺寸愈大时，材料晶粒较粗，出现缺陷的概率也较大，机加工后表面冷作硬化层（对疲劳强度有利）相对较薄，所以尺寸愈大强度愈低。

什么情况下可以采用光轴，什么情况必须用阶梯轴？

分析其优缺点，进行比较。

[参考答案]

阶梯轴的轴上零件安装定位方便，当轴的各部分所受弯矩、扭矩不同时，阶梯轴可以按强度要求确定各部分直径,因而阶梯轴可以节省材料、减轻重量。

一般情况下以用阶梯轴为宜。

只有一些特殊情况才用光轴，扭轴受力（力矩、扭矩）均匀一致，可以把配合不同的零件（基轴制）装在轴上以达到不同的要求（如活塞销）,这种轴加工方便，但用得较少。

轴的毛坯可以选用：

（1）热轧圆钢；

（2）锻件；（3）铸钢件。

试分析比较它们的优缺点，并说明其适用于具有哪种特点的轴。

[参考答案]

（1）热轧圆钢毛坯加工方便，但阶梯轴的各段直径不宜相差过大。

宜用于各段直径比较接近的直轴。

（2）锻件经锻造后力学性能得以改善。

宜用于形状比较复杂的轴，如齿轮轴，形状较简单的曲轴等。

（3）铸钢件，可以作成复杂形状，如形状较复杂的曲轴等。

在承受相同载荷时空心轴比实心轴轻。

说明当二轴重量相同时，空心轴的强度、刚性较好。

但是为什么在机械中大量使用的还是实心轴？

请分析其原因。

请举出一种使用空心轴的实例，并说明其采用空心轴的原因。

[参考答案]

虽然空心轴与实心轴相比在强度、刚度相同的情况下，重量减少许多，但因为空心轴加工比较困难，费时费工，所以在机械中考虑到经济技术指标，还是使用实心轴较多。

采用空心轴例子：

（1）航空发动机主轴为空心轴。

目的：

减轻重量。

（2）车床主轴是空心轴，是结构上的需要。

前部内锥面可用来安装顶尖，细长孔可装入长棒料。

、滑动轴承（分析题，中，10分）

[题目]

解释滑动轴承中的名词：

1.边界摩擦润滑，2.轴承材料的顺（适）应性，嵌藏性要求。

[参考答案]

1.油中极性分子能牢固地吸附在金属表面，形成一层吸附膜（边界膜），并且有减摩作用，形成吸附膜能力与其油性有关。

摩擦副之间吸附膜起主要作用的摩擦称边界摩擦润滑。

2.顺（适）应性——补偿对中误差和顺应其他几何误差的能力。

嵌藏性——嵌藏污物和外来颗粒防止刮伤和磨损的能力。

滑动轴承承载量系数CP取决于哪几个参数？

在图表上可以根据哪几个参数查得轴承的承载量系数CP？

[参考答案]

，即CP取决于载荷、相对间隙、粘度、线速度、轴承宽度，在图表上可以根据滑动轴承的包角α、相对偏心距χ（偏心率ε）和宽径比B/d查得。

滑动轴承宽径比B/d对轴承的工作性能有何影响？

设计时应如何合理选取？

[参考答案]

B/d越小，端泄越显著，会降低轴承承载能力或最小油膜厚度；但有利于散热，使温升不致过高。

B/d越大，轴承温升增大，油的粘度随之下降，且对轴的变形和制造安装误差敏感性大，易产生“边缘接触”。

对B/d选择要恰当，不能过大，也不能过小，一般取B/d＝0.5～1.5，载荷越小，取值也越小，目前取值有减小趋势。

滑动轴承相对间隙ψ对轴承工作性能有何影响？

设计时应如何合理选取？

[参考答案]

在一定范围下，ψ越小，轴承承载能力越高或最小油膜厚度越大，旋转精度也越高，但润滑油流量减小，使温升增加。

ψ越大，则上述情况反之。

通常对于高速、轻载、高温和旋转精度要求不高的轴承可取较大的间隙；反之，应取较小的间隙。

、滚动轴承（分析题，易，3分）

[题目]

常用的滚动体有哪些？

[参考答案]

滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子等几种。

滚动轴承由哪几个基本部分组成？

[参考答案]

由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。

滚动体是滚动轴承中的核心元件，它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦。

轴承装置设计中，常用的轴承配置方法有哪几种？

[参考答案]

1）双支点单向固定；2）一支点双向固定，另一端支点游动；3）两端游动支承。

选择滚动轴承类型时应考虑的主要因素有哪些？

[参考答案]

1）轴承的载荷：

轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。

2）轴承的转速：

在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。

3）轴承的调心性能；4）轴承的安装和拆卸。

试分析滚针轴承的特点和应用场合。

[参考答案]

滚针轴承结构紧凑，径向尺寸小，只能承受纯径向载荷，内外圈可分离，使用中也可以根据情况采用去掉内圈、去掉外圈或去掉保持架的结构。

滚针轴承摩擦阻力矩大，内外圈同轴度误差对承载能力会有较大影响。

试选择以下轴系中滚动轴承的类型，并说明理由，

1）用两轴承座支承的5t卷扬机卷筒轴，轴承跨距1280mm；

2）一端固定、一端游动的机床主轴，前轴承要求可调间隙。

[参考答案]

1）一对调心滚子轴承

跨距大，安装同轴度不易保证，所以采用调心轴承；受力大，选用滚子轴承。

2）前轴承选用内锥孔的双列圆柱滚子轴承和一对推力球轴承，可调间隙，刚度及精度均较好。

后轴承游动，选用内锥孔双列圆柱滚子轴承。

试分析调心球轴承的特点及应用场合。

[参考答案]

调心球轴承外圈滚道为球面，工作中允许内外圈轴线有2︒～3︒的偏斜，所以对安装精度要求较低。

一般常用于由于加工或安装原因轴两端轴承孔同轴度精度不易保证的场合和轴受力后变形较大的场合。

调心球轴承主要承受径向载荷，也可以承受少量的轴向载荷，一般不宜承受纯轴向载荷。

它的极限转速和承载能力都略低于同样尺寸的深沟球轴承。

、轴系综合题（分析题，较易，5分）

[题目]

试述何种场合需采用三支点轴系？

对于这种轴承，轴承类型选择时应注意什么问题？

[参考答案]

1）对于支点跨距大，轴较长的场合。

2）三支点轴系，对三个支承轴承座同轴度及装配精度均要求很高，因此可将一支承选为调心轴承，且允许轴向游动，可降低同轴度要求，并能自动调心，适应轴线偏斜。

简述滚动轴承组合设计主要考虑哪些方面问题？

[参考答案]

1）轴系的固定；

2）轴承与相关零件的配合；

3）轴承的润滑与密封；

4）提高轴承系统的刚度。

简述设计时可采取哪些措施以提高滚动轴承支承的轴系刚度？

（不加大轴直径）

[参考答案]

1）选择刚度高的轴承，如线接触滚子轴承；

2）采用刚度高的轴承安装方式，如使用反安装；

3）增加轴承数或支点数，如三支点轴系或一个支点用多个轴承；

4）对轴承进行预紧。