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机械设计试题答案及解析

一、选择题（每题3分，共15分）

1.螺纹连接中，采用双螺母防松的原理是（）。

A.增加螺纹副之间的摩擦力

B.机械方法限制螺纹副相对转动

C.通过焊接或胶接使螺纹副固定

D.利用材料弹性变形产生预紧力

答案：A

解析：双螺母防松属于摩擦防松的一种。其原理是通过两个螺母对顶拧紧，使螺纹副之间始终存在轴向压力，从而在螺纹接触面上产生摩擦力矩，阻止螺纹副的相对转动。选项B为机械防松（如开口销、止动垫片），选项C为永久防松（如焊接、冲点），选项D描述的是单个螺母预紧的原理，因此正确答案为A。

2.一对标准直齿圆柱齿轮传动中，若小齿轮齿数z?=20，大齿轮齿数z?=60，模数m=4mm，则两齿轮的齿根弯曲应力（）。

A.σ_F1σ_F2

B.σ_F1=σ_F2

C.σ_F1σ_F2

D.无法确定

答案：A

解析：齿根弯曲应力计算公式为σ_F=(2KT?)/(bd?m)Y_FaY_Sa，其中Y_Fa为齿形系数，Y_Sa为应力修正系数。对于标准齿轮，齿数越小，Y_Fa+Y_Sa的乘积越大。本题中z?=20z?=60，因此小齿轮的Y_FaY_Sa乘积更大，且两齿轮传递的转矩T?相同（忽略摩擦损失），模数m和齿宽b相同，故小齿轮的弯曲应力σ_F1大于大齿轮的σ_F2，正确答案为A。

3.滚动轴承的基本额定寿命是指（）。

A.一批同型号轴承中10%的轴承发生点蚀前的总转数

B.一批同型号轴承中90%的轴承发生点蚀前的总转数

C.单个轴承在额定载荷下的寿命

D.单个轴承在最大工作载荷下的寿命

答案：B

解析：滚动轴承的基本额定寿命L??是指“一批相同的轴承，在相同条件下运转时，90%的轴承不发生点蚀破坏前的总转数（或工作小时数）”。选项A描述的是10%失效的情况，与定义相反；选项C、D未明确“90%可靠度”的前提，因此正确答案为B。

4.设计闭式软齿面齿轮传动时，通常优先考虑（）作为设计准则。

A.齿根弯曲疲劳强度

B.齿面接触疲劳强度

C.齿面胶合

D.齿面磨损

答案：B

解析：闭式软齿面（硬度≤350HBS）齿轮传动中，齿面接触疲劳点蚀是主要失效形式，因此设计时通常以齿面接触疲劳强度为设计准则，确定齿轮的分度圆直径或中心距；而弯曲疲劳强度作为校核条件。闭式硬齿面齿轮则可能因齿根弯曲疲劳折断先发生，需优先校核弯曲强度。因此正确答案为B。

5.轴的结构设计中，轴肩的主要作用是（）。

A.提高轴的强度

B.提高轴的刚度

C.实现零件的轴向定位

D.实现零件的周向定位

答案：C

解析：轴肩（或轴环）通过轴的阶梯变化形成凸台，与被安装零件（如齿轮、轴承）的端面接触，可限制零件的轴向移动，实现轴向定位。周向定位通常通过键、花键或过盈配合实现。轴肩的存在可能会引起应力集中，反而可能降低轴的强度，因此其主要作用是轴向定位，正确答案为C。

二、简答题（每题8分，共24分）

1.简述螺纹连接预紧的目的及控制预紧力的常用方法。

答案：

预紧的目的：①增强连接的可靠性和紧密性，防止受载后连接件间出现滑移或分离；②提高螺纹连接的疲劳强度（预紧力使螺纹副间保持压缩状态，降低工作载荷引起的拉应力波动幅度）。

控制预紧力的常用方法：

①扭矩法：通过控制拧紧力矩间接控制预紧力，公式为T≈0.2F?d（T为拧紧力矩，F?为预紧力，d为螺纹大径）；

②测量伸长法：测量螺栓受预紧力后的伸长量，当伸长量达到设计值时停止拧紧；

③液压拉伸法：利用液压拉伸器将螺栓拉长，然后用螺母锁紧，直接控制伸长量；

④标记法：先初步拧紧，再以螺母和被连接件的相对位置为标记，旋转一定角度达到预紧要求。

解析：预紧是螺纹连接的关键步骤，其核心是通过预紧力使连接件在工作载荷下仍保持贴合。控制预紧力需兼顾准确性和可操作性，扭矩法因操作简单应用最广，但受摩擦系数影响较大；测量伸长法和液压拉伸法精度更高，适用于重要连接（如发动机缸盖螺栓）。

2.列出齿轮传动的主要失效形式，并说明闭式硬齿面齿轮和开式齿轮的主要失效形式差异。

答案：

齿轮传动的主要失效形式包括：

①齿面接触疲劳点蚀：齿面在交变接触应力作用下产生微裂纹并扩展，导致表层金属脱落；

②齿根弯曲疲劳折断：齿根受交变弯曲应力作用，在应力集中处产生裂纹并扩展，导致齿断；

③齿面磨损：齿面间相对滑动引起的材料损失（包括磨粒磨损、粘着磨损）；

④齿面胶合：高速或重载下，齿面温度升高导致润滑油膜破裂，接触金属熔焊后撕脱；

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