甘肃开放大学机械设计基础#期末考试试卷与参考答案

以下是一份针对甘肃开放大学《机械设计基础》课程的期末复习笔记，涵盖核心知识点、典型题型及参考答案，供参考学习：

甘肃开放大学《机械设计基础》期末复习笔记

一、课程核心知识点总结

1. 机械设计基础概述

- 机械设计原则：安全、可靠、经济、节能、环保。

- 机械系统组成：动力部分、传动部分、执行部分、控制部分、辅助部分。

2. 机构学基础

- 平面机构自由度计算：

公式：\( F = 3n - 2PL - PH \)（\( n \)为活动构件数，\( PL \)为低副数，\( PH \)为高副数）。

注意：需排除局部自由度和虚约束。

- 平面连杆机构类型：

曲柄摇杆机构、双曲柄机构、双摇杆机构、导杆机构、铰链四杆机构。

- 凸轮机构：

特点：实现任意运动规律，但需精确加工凸轮轮廓。

常用型式：盘形凸轮、圆柱凸轮、移动凸轮。

3. 运动副与机械传动

- 运动副分类：

低副（面接触，如转动副、移动副）、高副（点/线接触，如齿轮副、凸轮副）。

- 齿轮传动：

- 齿轮类型：圆柱齿轮（直齿轮、斜齿轮、人字齿轮）、锥齿轮、蜗轮蜗杆。

- 基本参数：模数 \( m \)、齿数 \( z \)、压力角 \( \alpha \)、齿顶高系数 \( ha^* \)、顶隙系数 \( c^* \)。

- 传动比计算：\( i = \frac{z_2}{z_1} \)（\( z_1 \)和\( z_2 \)分别为主动轮和从动轮的齿数）。

- 设计步骤：确定类型、计算模数、校核齿面接触强度和弯曲强度。

4. 带传动与链传动

- 带传动类型：平带、V带、同步带。

- V带传动设计要点：

- 有效拉力公式：\( F_e = (F_1 - F_2) \cdot \frac{1}{2} \cdot (\frac{1 + \epsilon}{1 - \epsilon}) \)，其中 \( \epsilon \) 为当量摩擦系数。

- 张紧方法：定期张紧、自动张紧装置、增大中心距。

- 链传动特点：

- 优点：无弹性滑动，效率高，适合远距离传动。

- 缺点：瞬时传动比不恒定，需润滑。

- 设计步骤：选择链号、计算中心距、校核动载荷和磨损。

5. 轴与轴毂连接

- 轴的分类：心轴、转轴、传动轴。

- 轴的强度设计：

- 弯扭合成强度校核：\( \sigma_{eq} = \sqrt{\sigma_b^2 + 3\sigma_t^2} \leq [\sigma] \)。

- 安全系数：一般取 \( S = 5 \sim 7 \)（静载荷）、\( S = 7 \sim 10 \)（变载荷）。

- 键连接类型：普通平键、半圆键、楔键、花键。

- 螺纹连接预紧力：

- 作用：防止松脱、增强连接刚度、提高密封性。

- 计算公式：预紧力 \( F_0 \) 通常取 \( 0.6F \sim 0.8F \)（\( F \)为工作载荷）。

6. 液压与气压传动

- 液压系统组成：动力元件（泵）、执行元件（缸/马达）、控制元件（阀）、辅助元件。

- 液压泵分类：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵。

- 气压传动特点：

- 优点：成本低、响应快、适用于大功率系统。

- 缺点：效率低、噪声大。

- 基本回路：方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路。

7. 弹簧设计

- 弹簧类型：压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧。

- 弹簧刚度计算：

- 圆柱螺旋弹簧：\( k = \frac{Gd^4}{8nD^3m} \)（\( G \)为剪切模量，\( d \)为丝径，\( D \)为中径，\( n \)为有效圈数，\( m \)为材料系数）。

- 设计步骤：确定载荷、选择材料、计算尺寸、校核稳定性。

8. 机械系统设计综合

- 机械系统设计原则：

- 功能性、经济性、可靠性、可维护性、安全性。

- 协调设计：各部件性能需匹配，避免薄弱环节。

二、典型例题与参考答案

例题1：齿轮传动设计

题目：设计一对直齿圆柱齿轮传动，已知小齿轮齿数 \( z_1 = 20 \)，模数 \( m = 2 \, \text{mm} \)，传动比 \( i = 3 \)，求大齿轮齿数 \( z_2 \) 和两齿轮的节圆直径。

解答：

- \( z_2 = i \cdot z_1 = 3 \times 20 = 60 \)。

- 节圆直径：\( d_1 = m \cdot z_1 = 2 \times 20 = 40 \, \text{mm} \)，\( d_2 = m \cdot z_2 = 2 \times 60 = 120 \, \text{mm} \)。

例题2：V带传动张紧力计算

题目：某V带传动系统，主动轮转速 \( n_1 = 1440 \, \text{r/min} \)，传递功率 \( P = 5 \, \text{kW} \)，带速 \( v = 10 \, \text{m/s} \)，求所需张紧力 \( F_0 \)。

解答：

- 带传动有效拉力公式：\( F_e = \frac{P \times 1000}{v} = \frac{5000}{10} = 500 \, \text{N} \)。

- 张紧力 \( F_0 \) 取 \( 0.7F_e = 0.7 \times 500 = 350 \, \text{N} \)。

例题3：轴的强度校核

题目：某转轴承受弯矩 \( M = 100 \, \text{N·m} \) 和扭矩 \( T = 50 \, \text{N·m} \)，材料为45钢，许用应力 \( [\sigma] = 80 \, \text{MPa} \)，试计算其当量弯矩。

解答：

- 当量弯矩 \( M_{eq} = \sqrt{M^2 + 3T^2} = \sqrt{100^2 + 3 \times 50^2} = \sqrt{10000 + 7500} = \sqrt{17500} \approx 132.29 \, \text{N·m} \)。

例题4：液压系统回路选择

题目：需要设计一个快速运动的液压系统，应选择哪种基本回路？

解答：

- 差动连接快速运动回路：通过单向阀和液控顺序阀实现快速进油，缩短运动时间。

例题5：弹簧刚度计算

题目：设计一圆柱螺旋压缩弹簧，已知弹簧丝直径 \( d = 5 \, \text{mm} \)，中径 \( D = 20 \, \text{mm} \)，有效圈数 \( n = 8 \)，材料为65Mn，求弹簧刚度 \( k \)。

解答：

- 材料系数 \( m = 1000 \)（查表得），刚度公式：

\( k =