机械设计基础问答题

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