中原工学院
2004～2005学年第一学期
机械制造及自动化专业机械设计课程期末试卷
题
一二三四五六七八九总分号
一、是非题(用“√”表示正确，“×”表示错误，填在题末的括号中)。
(本大题共10小题，每小题1分，总计10分)
1、断裂和塑性变形、过大的弹性变形、工作表面的过度磨损或损伤、发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等都是零件的失效形式。（）
2、用于紧固联接的螺纹不仅自锁性要好，而且传动的效率也要高。（）
3、受交变横向载荷作用的普通螺栓组联接，在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。（）
4、对于受转矩作用的普通螺栓组联接，各螺栓杆将受到不等的剪力作用，且其剪力的大小与螺栓杆轴线到螺栓组联接的转动中心之距离成正比。（）
5、带传动的弹性滑动将引起在主动带轮上带的速度要逐渐迟后于主动带轮轮缘的速度，在从动带轮上带的速度要逐渐超前于从动带轮轮缘的速度。（）
6、为了避免带的弯曲应力过大，在设计带传动时需要限制小带轮的基准直径。（）
7、带传动和渐开线齿轮传动都能实现定角速比传动。（）
8、在闭式齿轮传动中，齿面磨损是其齿轮的主要失效形式。（）
9、直齿圆锥齿轮的强度计算中，通常近似地以大端分度圆处的当量圆柱齿轮来代替圆锥齿轮进行强度计算。（）
10、为了保证圆柱蜗杆传动良好的磨合（跑合）和耐磨性，通常采用钢制蜗杆与铜合金蜗轮。
（）二、选择题（将正确的代码A、B、C、D填入横线上方的空格处）。
（本大题共10小题，每小题1分，总计10分）
1、下列四种叙述中，____ __是正确的
A．变应力只能由变载荷产生B．静载荷不能产生变应力
C．变应力是由静载荷产生D．变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生
2、右图为某齿轮传动装置，轮1为主动轮且转向不变，
则轮2的齿根弯曲应力按变化。
A．对称循环B．脉动循环
C．应力比r＝－0.5的循环
D．应力比r＝+1的循环
3、螺纹联接是一种。
A．可拆联接；B．不可拆联接；
C．动联接；D．过盈联联接
4、某一轴、毂采用普通圆头平键联接，已知轴的直径d=60mm，键的尺寸为b×h×l=18×11×80（单位mm），轴的许用挤压应力为：[σ]p=100Mpa，毂的许用挤压应力为：[σ]p=70Mpa，则该轴、毂联接所能传递的最大转矩T为：。
A．T max=716.1Nm；B．T max=924Nm；C．T max=1432.2Nm；
D．T max=1618.1Nm
5、V带型号的选择是根据。
A．小带轮上的功率P1和转速n1；B．大带轮上的功率P2和转速n2；
C．小带轮上的转矩T1和转速n1；D．大带轮上的转矩T2和转速n2
6、带传动在工作时，假定小带轮为主动轮，则带应力的最大值发生在带。
A．进入大带轮处B．紧边进入小带轮处
C．离开大带轮处D．离开小带轮处
7、在下列各对齿轮的配对材料中，有几组方案是合理的。答：。
配对方案１２３４５ 6
小齿轮的材料和热处理方案HT200-40
40Cr
调质
20Cr，表面
渗碳淬火
20Cr，表面
高频淬火
45
调质
40Cr，表面
渗碳淬火
大齿轮的材料和热处理方案
45
常化
45
调质
40Cr
调质
40Cr
调质
45
常化
45
调质
A．2组；B．3组；C．4组；D．5组
8、一对软齿面闭式齿轮传动，若要提高其接触强度，可采取方法。
A．在中心距a和齿数比u不变的条件下增大齿数z1；
B．在中心距a和齿数比u不变的条件下增大模数m；
C．在齿数比u不变的条件下增大中心距a；
D．在齿数比u不变的条件下减小中心距a
9、按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数α是考虑。
A．材料抗弯与抗扭的性能不同；B．强度理论的要求；
C．轴的结构设计要求；D．弯曲应力和扭转切应力的循环特性不同
10、在下列轴承中，只能承受径向载荷的轴承是。
A．深沟球轴承B．调心球轴承C．调心滚子轴承D．圆柱滚子轴承
三、填空题（本大题共5小题，每小题2分，总计10分）
1、普通螺纹因牙形角大而，故常用于联接；而梯形螺纹效率高，故常用于。
2、设计键联接时，先根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件选择键的类型；再按
选择键的，由轮毂宽度和工作条件选择键的长度；最后对键联接进行必要的强度校核计算。
3、带传动的失效形式有：_和_。
4、在轮齿弯曲强度计算中，齿形系数Y Fa的大小
与、变位系数x、斜齿轮的螺旋角β和分度圆上压
力角α有关，而与无关。
5、左图所示为一卷扬机传动系统。根据轴的分类，其
中轴Ⅱ为，轴Ⅳ为。
四、计算题（本大题共3小题，第1小题15分、第2小题10分，第3小题20分，共计45分）
1.某零件用40Cr钢制成，材料的力学性能为：σ-1=480MPa，σS=800MPa，ψσ=0.2。零件弯曲疲劳极限的综合影响系数Kσ=1.5。已知作用在零件上的工作应力：σmax=450MPa，σmin=150MPa，r常数；试求：
应力比
⑴绘制出该零件的极限应力简图；且标出零件的工作应力点M，加载应力变化线以及极限应力M；（9分）
点'1
’、应力幅σae’和极限应力点M’的疲劳极限σr M’
⑵用图解法确定该零件的极限应力的平均应力σ
me
并用其结果计算该零件的计算安全系数S ca；（4分）
⑶用计算法确定该零件的计算安全系数S
。（2分）
ca
2.一方形盖板用4个螺栓与箱体联接，盖板中心O 点的吊环受拉力F Σ=10kN 。现要求：(1)设工作载荷有变化，取残余预紧力F 1为工作拉力F 的0.6倍，试计算每个螺栓的总拉力F 2；(2)如因制造
误差，吊环由O 点移至点O ’（见图10—12)，'52OO mm ，试计算受力最大的螺栓的总拉力F 2max 。
（满分10分）
3.一工程机械传动装置中的锥齿轮轴，采用一对30207圆锥滚子轴承（基本额定动载荷
C r=54.2kN，基本额静动载荷C r0=63.5kN）支承，背靠背的反装（如图所示）。已知作用于锥齿轮上的径向力F re＝5000N，
轴向力F ae＝1000N，其方向和作用
位置如图所示。轴的转速
n1=1450r/min，运转中受轻微冲击
（f P＝1.2），常温下工作（f t＝1），
试求：
（1）轴承所受的径向载荷F r1，F r2；
（2）轴承1、2派生轴向力F d1，F d2，并在图中画出其方向；
（3）轴承所受的轴向载荷F a1，F a2；
（4）轴承所受的当量动载荷P1，P2。
（5）轴承的额定寿命L h1，L h2
（每小问满分4分）
a e
题.图
五．传动零件受力分析题（本题10分）
下图为一直齿圆锥齿轮——斜齿圆柱齿轮——蜗杆蜗轮三级传动。已知圆锥齿轮1为主动件，转向如图所示。试在下图中标出：
⑴各轮的转向；（2分）
⑵欲使轴Ⅱ、轴Ⅲ上轴承所受的轴向力为最小时，斜齿圆柱齿轮和蜗杆蜗轮的旋向（要求画出并用文字标出他们的旋向）；（4分）
⑶各轮在啮合点处的诸分力（Ft、Fr、Fa）的方向。（4分）
六．轴系零件结构改错（本题15分）
下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误，指出十处错误者满分，每指出一处得1.5分）。
例如：精加工面过长且装拆轴承不便。
按上述例在图中标出结构不合理及错误所在，并用文字说明原因（如果不说明原因不给分）。
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2004～2005学年第一学期
机械制造及自动化专业机械设计课程期末试卷（答案）
一、是非题(用“√”表示正确，“×”表示错误，填在题末的括号中)。
(本大题共10小题，每小题1分，总计10分)
1、断裂和塑性变形、过大的弹性变形、工作表面的过度磨损或损伤、发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等都是零件的失效形式。（√）
2、用于紧固联接的螺纹不仅自锁性要好，而且传动的效率也要高。（×）
3、受交变横向载荷作用的普通螺栓组联接，在正常工作时螺栓杆所受到的拉力不变。（√）
4、对于受转矩作用的普通螺栓组联接，各螺栓杆将受到不等的剪力作用，且其剪力的大小与螺栓杆轴线到螺栓组联接的转动中心之距离成正比。（×）
5、带传动的弹性滑动将引起在主动带轮上带的速度要逐渐迟后于主动带轮轮缘的速度，在从动带轮上带的速度要逐渐超前于从动带轮轮缘的速度。（√）
6、为了避免带的弯曲应力过大，在设计带传动时需要限制小带轮的基准直径。（√）
7、带传动和渐开线齿轮传动都能实现定角速比传动。（×）
8、在闭式齿轮传动中，齿面磨损是其齿轮的主要失效形式。（×）
9、直齿圆锥齿轮的强度计算中，通常近似地以大端分度圆处的当量圆柱齿轮来代替圆锥齿轮进
行强度计算。（×）
10、为了保证圆柱蜗杆传动良好的磨合（跑合）和耐磨性，通常采用钢制蜗杆与铜合金蜗轮。
（√）
二、选择题（将正确的代码A、B、C、D填入横线上方的空格处）。
（本大题共10小题，每小题1分，总计10分）
1、下列四种叙述中，____ D __是正确的
A．变应力只能由变载荷产生B．静载荷不能产生变应力
C．变应力是由静载荷产生D．变应力由变载荷产生，也可能由静载荷产生
2、右图为某齿轮传动装置，轮1为主动轮且转向
不变，则轮2的齿根弯曲应力按 A 变化。
A．对称循环B．脉动循环
C．应力比r＝－0.5的循环
D．应力比r＝+1的循环
3、螺纹联接是一种 A 。
A．可拆联接；B．不可拆联接；
C．动联接；D．过盈联联接
4、某一轴、毂采用普通圆头平键联接，已知轴的直径d=60mm，键的尺寸为b×h×l=18×11×80（单位mm）,轴的许用挤压应力为：[σ]p=100Mpa，毂的许用挤压应力为：[σ]p=70Mpa，则该轴、毂联接所能传递的最大转矩T为： A 。
A．T max=716.1Nm；B．T max=924Nm；C．T max=1432.2Nm；
D．T max=1618.1Nm
5、V带型号的选择是根据 A 。
A．小带轮上的功率P1和转速n1；B．大带轮上的功率P2和转速n2；
C．小带轮上的转矩T1和转速n1；D．大带轮上的转矩T2和转速n2
6、带传动在工作时，假定小带轮为主动轮，则带应力的最大值发生在带 B 。
A．进入大带轮处B．进入小带轮处
C．离开大带轮处D．离开小带轮处
7、在下列各对齿轮的配对材料中，有几组方案是合理的。答： B 。
配对方案１２３４５ 6
小齿轮的材料和热处理方案HT200-40
40Cr
调质
20Cr，表面
渗碳淬火
20Cr，表面
高频淬火
45
调质
40Cr，表面
渗碳淬火
大齿轮的材料和热处理方案
45
正火
45
调质
40Cr
调质
40Cr
调质
45
正火
45，调质
A．2组；B．3组；C．4组；D．5组8、一对软齿面闭式齿轮传动，若要提高其接触强度，可采取 C 方法。
A．在中心距a和齿数比u不变的条件下增大齿数z1；
B．在中心距a和齿数比u不变的条件下增大模数m；
C．在齿数比u不变的条件下增大中心距a；
D ．在齿数比u 不变的条件下减小中心距a
9、按弯扭合成强度条件计算轴的应力时，公式中折合系数α是考虑 D 。
A ．材料抗弯与抗扭的性能不同；
B ．强度理论的要求；
C ．轴的结构设计要求；
D ．弯曲应力和扭转切应力的循环特性不同 10、在下列轴承中，只能承受径向载荷的轴承是 D 。
A ．深沟球轴承
B ．调心球轴承
C ．调心滚子轴承
D ．圆柱滚子轴承
三、填空题（本大题共5小题，每小题2分，总计10分）
1、普通螺纹因牙形角大而自锁性能好，故常用于联接；而梯形螺纹效率高，故常用于传动。
2、设计键联接时，先根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件选择键的类型；再按轴或毂
的直径 选择键的 截面尺寸（b ×h ） ，由轮毂宽度和工作条件选择键的长度；最后对键联接进行
必要的强度校核计算。
3、带传动的失效形式有：打滑和带的疲劳破坏。
4、在轮齿弯曲强度计算中，齿形系数Y Fa 的大小与 齿
数z 、变位系数x 、斜齿轮的螺旋角β和分度圆上压力角α有关，而与 模数m 无关。
5、右图所示为一卷扬机传动系统。根据轴的分类，其中轴Ⅱ为 转轴 ，轴Ⅳ为 芯轴 。
四、计算题（本大题共3小题，第1小题15分、第2小题10分，第3小题20分，共计45分）
1.某零件用40Cr 钢制成，材料的力学性能为：σ-1=480MPa ，σS =800MPa ，ψσ=0.2。零件弯曲疲劳极限的综合影响系数K σ=1.5。已知作用在零件上的工作应力：σmax =450MPa ，σmin =150MPa ，应力比=r 常数；试求：
⑴绘制出该零件的极限应力简图；且标出零件的工作应力点M ，加载应力变化线以及极限应力点'1M ；（9分）
⑵用图解法确定该零件的极限应力的平均应力σme ’、应力幅σae ’和极限应力点M ’的疲劳极限σr M ’
并用其结果计算该零件的计算安全系数S ca ；（4分）
⑶用计算法确定该零件的计算安全系数S ca 。（2分）
解：（1）∵0
12σσσψσ-=
-； ∴8002
.01480
21210=+?=+=
-σψσσMPa （2分）
在零件的极限应力简图中，各点坐标为： A （0，σσK 1-）=A （0，320）；B （2
0σ
，σσK 20）=（400，266.7）；C （σS ，0）=（800，0） 或G ???
?
??------σσσσ
σσψσψσψσσK K K s
s 11,
=G ()15.246,85.5532.05.18002.0480,2.05.14808005.1=???
??-?---?（3分） （作图2分）
σm =（σmax +σmin ）/2=（450+150）/2=300MPa ，σa =（σmax -σmin ）/2=（450-150）/2=150MPa （1分）
工作应力点M ，加载应力变化线以及极限应力点'1M 如图所示 （1分） （2）由图可量的极限应力点M ’的平均应力σme ’=505.26MPa ，应力幅σae ’=252.63MPa 极限应力点M ’的疲劳极限σr M ’=σme ’+σae ’=757.89MPa
计算安全系数S ca =σr M ’/σmax =757.89/450=1.684 （4分）
（3）684.1300
2.01505.1480
1=?+?=+=
-m a ca K S σψσσσσ （2分）
O
σ
m a σ
C(800,0)
(300,150)M
M'(505.26,252.63)
(400,266.7)B A(0,320)
G(553.85,246.15)
2.一方形盖板用4个螺栓与箱体联接，盖板中心O 点的吊环受拉力F Σ=10kN 。现要求：(1)设工作载荷有变化，取残余预紧力F 1为工作拉力F 的0.6倍，试计算每个螺栓的总拉力F 2；(2)如因制造误差，吊环由O 点移至点O ’（见下图)，'52OO =mm ，试计算受力最大的螺栓的总拉力F 2max 。（满分10分） 解：（1）10 2.54
F F Z ∑=
==（kN ）(2分) F 2=F 1+F=1.6F=1.6×2.5=4（kN ）
(2分)
(2)将F Σ向O 点平移，得： 轴向外载荷F Σ’=F Σ=10 kN 倾覆力矩M='F OO ∑=1052?=
502 kN (2分)
轴向工作拉力：
由F Σ’引起的轴向工作拉力：'
'
'
'
F F F F F F F F ∑∑∑∑====①②③④'10
2.54
F Z ∑==（kN ） (1分) 由M 引起的轴向工作拉力：35020.2522002
M M o M F F L -==
==①③
（kN ） (1分) 最大工作拉力：max ' 2.50.25 2.75F M F F F ∑=+=+=③③③
（kN ） (1分)
最大的螺栓的总拉力：2max 1max max 1.6 1.6 2.75 4.4F F F F =+==?=③③③
（kN ） (1分)
3.一工程机械传动装置中的锥齿轮轴，采用一对30207圆锥滚子轴承（基本额定动载荷C r =5
4.2kN ，基本额静动载荷C r0=63.5kN ）支承，背靠背的反装（如图所示）。已知作用于锥齿轮上的径向力F re ＝5000N ，
轴向力F ae ＝1000N ，其方向和作用位置如图所示。轴的转速
n 1=1450r/min ，运转中受轻微冲击（f P ＝1.2），常温下工作（f t ＝1），
试求：
（1）轴承所受的径向载荷F r1，F r2；
（2）轴承1、2派生轴向力F d1，F d2，
并在图中画出其方向；
（3）轴承所受的轴向载荷F a1，F a2； （4）轴承所受的当量动载荷P 1，P 2。
（5）轴承的额定寿命L h1，L h2 （每小问满分4分）
解：（1）由轴的静力平衡条件得：
F r1＝［F re （L 1＋L 2）—0.5d m F ae ］/L 2＝［5000×（100＋400）－0.5×200×1000］/400=6000（N ）
a e 题２.图
F r 2＝［－F re L 1＋0.5d m F ae ］/L 2＝［－5000×100＋0.5×200×1000］/400=－1000（N ） （4分）
（2）F d1＝F r1/（2Y ）＝6000/（2×1.6）=1875N ，
F d2＝F r2/（2Y ）＝1000/（2×1.6）=312.5N ，其方向如图所示； （4分） （3）F ae ＋F d2＝1000＋312.5＝1312.5＜F d1＝1875，轴有向左窜动趋势，
故：轴承1为放松端，F a1＝F d1＝1875N ，
轴承2为压紧端，F a2＝F d1－F ae ＝1875－1000=875N （4
分）
（4）计算轴承1、2的当量动载荷：
轴承1：
F a1／F r1＝1875／6000＝0.3125＜0.37=e ，故：X 1＝1、Y 1＝0； P 1＝f p （X 1F r1＋Y 1F a1）＝1.2×（1×6000+0×2500）＝7200N 轴承2：
F a2／F r2＝875／1000＝0.875＞0.37=e ，故：X 2＝0.4、Y 2＝1.6； P 2＝f p （X 2F r2＋Y 2F a2）＝1.2×（0.4×1000＋1.6×875）＝2160N （4分） （5）轴承的寿命L h1，L h2：
()10/3
661110101542009609.56606014507200t h f C L h n P ε
?????==?= ? ?
?????
()10/3
66221010154200531658.22606014502160t h f C L h n P ε
?????==?= ? ?
???
?? （4分）
五.传动零件受力分析题（本题10分）下图为一直齿圆锥齿轮——斜齿圆柱齿轮——蜗杆蜗轮三级传动。已知圆锥齿轮1为主动件，转向如图所示。试在下图中标出：
⑴各轮的转向；（2分）
⑵欲使轴Ⅱ、轴Ⅲ上轴承所受的轴向力为最小时，斜齿圆柱齿轮和蜗杆蜗轮的旋向（要求画出并用文字标出他们的旋向）；（4分）
⑶各轮在啮合点处的诸分力（F t 、F r 、F a ）的方向。（4分）
六.轴系零件结构改错（本题15分）
下图为一齿轮减速器部分装配图，试指出结构不合理及错误所在（不考虑圆角和铸造斜度以及不计重复错误，指出十处错误者满分，每指出一处得1.5分）。
例如：精加工面过长且装拆轴承不便。
按上述例在图中标出结构不合理及错误所在，并用文字说明原因（如果不说明原因不给分）。
解：（每指出一处得1.5分）
1.安装轮毂的第一段轴应制有定位轴肩；
2.键槽过长安装上的键与轴承端盖干涉（相碰）；
3.轴承端盖的加工面与非加工面没有区分开；
4.在轴与轴承端盖孔之间缺少密封圈；
5.在轴与轴承端盖孔之间应留有间隙；
6.在轴承端盖与箱体轴承孔端面缺少调整垫片；
7.在轴与齿轮孔间缺少周向定位的键联接；
8.套筒顶不住齿轮（过定位）
9.套筒过高，轴承无法拆卸；
10.轴承安装反了；
11.轴过长且与轴承端盖相