中南大学机械设计学复习题

机械设计学复习题

第一章绪论1-1“设计学”从古代到现代的三个发展阶段阶段1 直觉设计阶段阶段2：半经验半理论设计阶段阶段3：半理论半经验设计阶段1-2 机械是机器和机构的统称。1-3 “设计”是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。1-4由想法到产品的过程机械产品设计的一般过程：认识需求→目标界定→问题求解→分析选优→评价决策→表达→实现。设计的第一步是认识需求，由此决定要设计一种装置满足它。认识需求有时是一种很高创造性的活动。第二部是目标界定。基本目的是把需求限定在某种确定方面，并限定满足需求的一些特殊的技术和特性，以便在下一步寻求解决这一问题的解法。第三步是问题解决。就是我们所说的功能原理设计，应该把各种可能的解法尽可能多地收集起来，供下一步分析比较，这是至关重要的一步。第四部是分析和优选。第五步是评价决策，这是最困难的一步。第六步是表达，设计的表达有写说画。其中画是最重要的表达方式。第七部是实现，实现的手段是实用样机，实现的最后标准是市场，市场是检验设计成功与否的惟一标准。第一章

1.机械的概念

机械是机器和机构的统称：完成做功的各种具体机器和以传递力与运动的各类机构总称为机械。

2.机械设计主要特点

1)多解性2)系统性3)创新性4)设计与科学研究

3.“机械设计学”的学科组成

1)功能原理设计2)实用化设计3)商品化设计

4.现代设计,以功能为核心，构思实现该功能所需的方法和手段,具体方法和手段有：

CAD/CAM/CAE技术，CIMS工程、并行工程、优化设计、有限元方法、可靠性设计、创新设计、快速响应设计、反求工程、逆向工程、虚拟设计方法等。

5. 近代“机械设计学”的核心内容

1）功能思想的提出2）人机工程学科的兴起3）工业设计学科的成熟

6.机械设计按其创新程度可分为以下三种类型：

1)适应性设计2）变型设计3)创新设计

第三章

1. 任何一种机器的更新换代都存在三个途径:

1）改革工作原理；2）通过改进工艺、结构和材料提高技术性能；3）加强辅助功能使其更适应使用者的心理。

2. 功能原理设计的工作特点

1).用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本的变化的设计。

2).引入某种新技术(新材料、新工艺、……)，但首先要求设计人员有一种新想法(New Idea)、新构思。

3).使机器品质发生质的变化。

3. 功能原理设计的任务和主要工作内容

1).功能原理设计的任务：针对某一确定的“功能目标”．寻求一些（一种）“物理效应”并借助某些“作用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法原理”。

例如：为实现直线移动的功能要求，可寻求液压、电磁或机构等物理效应，通过油缸、直线电机或刚体传动等作用原理，求得最终实现机械直线移动这个功能目标的解法原理。

2).功能原理设计的主要工作内容：

(1)明确功能目标；(2)构思能实现功能目标的新的解法原理；(3)改进、完善解法。

4.根据系统工程学用黑箱来描述功能，请描述采用的哪三种流的转换。

任何技术系统都可以视为3种流的处理系统：

能量流:机械能、热能、电能、化学能、光能、核能。

物料流：气体、液体或各种形式的固体。信息流：各种测量值、输入指令、数

5.功能的分解。

6．简单动作功能的求解思路。

简单动作功能是由两个或两个以上的具有特殊几何形状的构件组成，利用它们形体上的特征，可以实现互相运动或锁合的动作。

求解思路：几何形体组合法

7.复杂动作功能

采用常用基本机构为主。如：齿轮、齿条机构、连杆机构、凸轮机构、铰链机构、螺旋机构等。

求解思路：基本机构组合法。

8.关键技术功能---技术矛盾法综合技术功能---物理效应引入法

9.完成工艺功能的三个主要因素：1）工作头的形状2）运动方式3）作用场

10. 工艺功能的分析方法

物—场分析法（S-Field法）

第四章

1.通过一系列机构和电气电子装置实现。机构一般能实现下列动作功能：

1)．实现运动形式或运动规律变换的动作功能2)．利用机构实现开关、联锁和检测等动作功能

3).利用机构实现程序控制或手动控制的功能

2. 一切机器都包含有四个部分：动力源、传动机构、执行机构和控制部分。

3. 机械运动协调设计的控制方法有哪两种

1）．集中驱动、分散控制：2）．集中控制、分散驱动

4.分析使机构具备有利的传力条件，推导图4-10所示剪切机利用止点位置增力机构的实现原理（p65）。

第五章

1. 产品设计的核心即核心技术(内部空间设计）

是指产品实现总功能和主要要求的技术。对不同的机械其核心技术是不相同的。核心技术对于产品设计主要体现为产品的性能指标：

a)以能量转换为主的机械，如动力机械。

主要性能指标：热效率；

b)轻工机械，常要完成各种繁杂灵巧的动作，其机构设计问题比较突出。

主要性能指标：生产率、有节奏地可靠工作、自动化程度高；

c)重型机械，特点是巨型、重载。

主要性能指标：承载能力、强度和刚度；

d)金属切削机床，

主要性能指标：生产率、加工精度和加工范围；

e)以信号为主的仪器，

主要性能指标：灵敏度、精度和稳定性；

f)以材料转换为主的各种离心机、筛选机和过滤器。 主要性能指标：生产效率和分离出物料的纯净度。 2. 确定机器的总体参数

总体参数是表明机器技术性能的主要指标，包括机器性能参数和结构参数两方面： （1）性能参数：生产率、功率和重量等；

（2）结构参数：主要结构尺寸，它由整机外形尺寸、主要部件的外形尺寸及工作机构作业位置尺寸等组成。 3. 总体参数的确定方法

1）可采用理论计算法2）经验公式法3）相似类比法4）实验法

4. 总体参数确定思路：

1）首先初步确定总体参数；2）据此进行各部件的技术设计；3）最后准确计算出机器的总体参数，总体参数和技术设计一般需交叉反复进行；4）正确处理相互制约的有关参数间关系；5）各参数间要互相匹配和协调，形成一个优化的整体

5. 合理的总体参数应符合下列条件：

1）先进性——与国内外同类产品比较，其主要技术经济指标和工作性能优先； 2）实用性——满足实际使用要求，可靠度高、维修方便、使用寿命长；

3）经济性——充分利用发动机功率、节约能源、原材料消耗少，在满足功能的情况下，体积小、重量轻、价格便宜。

6. 机械传动系统

1）定传动比机构2）变速机构3）运动转换机构4）操纵控制机构 7. 机械传动链的类型

1）外联传动链：联系动力源和执行件(如机械主轴或分配轴)的传动链、是运动和外部(动力源)的联系，称为外联传动链。

2）内联传动链：复合运动的内部联系，如分配轴至各执行件，称为内联传动链。只有复合运动才有内联传动链，无论是简单运动还是复合运动．都必须有一条外联传动链。

第六章

1. 零件的功能

1）承受载荷2）传递运动和动力3）成型4）其他功能 2. 零件的相关

零件相关直接相关

位置相关

3.结构方案设计的基本原则

1）明确: 功能明确、原理明确、工作状态明确。

2)简单

3)安全可靠：零件安全、整机安全、工作安全、环境安全

采用的安全技术：直接安全技术、间接安全技术、提示性安全技术。

4. 结构设计的原理

1）等强度原理2) 变形协调原理3)任务分配原理4）自助原理：自加强、自平衡、自保护5）稳定性原理

5. 如何在较少材料消耗的前提下获得较高的强度和刚度.

1)合理确定截面形状2)合理确定轴向尺寸3)合理选择支承形式4)合理利用材料特性

6. 改善零件的受力状况1) 载荷分流2）载荷均化3）载荷抵消

7．提高零件的接触强度和接触刚度

1）增大球面支撑的综合曲率半径2）增加接触元素数量3）用低副代替高副4）通过预紧提高接触刚度

8.误差分类1）原始误差2）原理误差3）工作误差4）回程误差

9.提高精度的设计方法

1）有利于减少原始误差的结构设计措施2）补偿系统误差3）误差均化4）利用误差传递规律5）合理配置精度6）选择较好的近似机构7）采用有利于施工的结构8）阿贝原则9）减少回程误差

第七章

1.疲劳破坏一般可分为哪三个阶段

1）疲劳裂纹萌生2)疲劳裂纹扩张3）失稳断裂

2. 低周疲劳的概念

在循环加载过程中，当应力水平很高，应力蜂值σmax接近或高于屈服强度而进入塑性区时,每一应力循环有少量塑性变形，呈现σ—ε滞后回线，以至循环次数很低时就产生疲劳破坏。

3.低周疲劳的特点

1）应力水平高。σmax ≥σs2）循环次数少。N≤103 3）应变在疲劳破坏中起主要作用4）断裂寿命的变化对循环应力的高低已不敏感。

4.摩擦学研究的内容

是研究摩擦、磨损和润滑这几个相互关联领域的科学与技术问题的综合学科．

基本内容包括：1)摩擦副设计2)润滑系统设计

3)状态监测及故障诊断系统设计4)状态补偿和控制系统设计

5.接触表面的表面形态

6. 减小磨损的主要方法

1）润滑是减小摩擦、减小磨损的最有效的方法2)合理选择摩擦副材料3）进行表面处理4）注意控制摩擦副的工作条件

7.滑动摩擦机理的机械---分子理论

摩擦过程既要克服分子相互作用力，又要克服机械作用的阻力。摩擦力是接触点上因分子吸引力和机械作用所产生的切向阻力的总和。认为两种作用均有。

8.可靠性与可靠度的定义

可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。

可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。

9.可靠性的学科组成1）可靠性数学2）可靠性物理3）可靠性工程

10.失效率的计算

11.强度理论应用

12．正态分布的应用

12.串并联系统可靠度计算

串联可靠度计算：

并联可靠度计算：

13. 传热过程按其物理本质不同通常分为三种基本方式

传导、对流、辐射。

14.热膨胀计算

第八章

1.产品竞争三要素

1）功能原理设计2）实用化设计3）商品化设计

2. 造型设计的三项基本原则1)实用2)经济3)美观

3. 价值优化对象的选择方法

1)功能系数分析法这种方法是寻求功能与所占成本份额不相适应的零、部件作为重点改进对象。

1)功能系数表征该零件对产品功能的影响，反映该零件在产品中的重要程度。功能系数愈大，该零件对产品功能影响愈大，愈重要。

第九章

1.设计试验的概念，在产品设计过程中的不同阶段，一般包含几种方法

概念：是指用来验证产品在设计过程中．其功能原理的可行性、设计参量的合理性以及力学性能的确实性而采用的一种设计方法。

1）功能原理设计阶段的模型试验：验证初步确定的产品功能原理能否实现，了解各种功能原理有何不足。

2）在验证功能原理能实现的前提下，对选择参数合理性的参数验证试验：在计算分析基础上进行，以保证功能原理的充分可行。

3）实用化设计阶段的样机试验：为了进一步改进样机，使其能批量试制，以便为整机全面性能测试做好准备。

2.掌握模型试验中的相似理论并进行相关计算

第十章

1.优势设计的基本思想

1）是一种面向市场的设计2）是一种战略性的分析、预测、判断和决策

3）是一种对自然法则深刻认识基础上的优势发现和发展战略4）是一种高层次的设计思维

2.优势设计的物理学基础

1）用广义物理效应实现机械动作功能2）用广义物理效应实现机械工艺功能3）用广义物理效应解决关键技术功能4）用广义物理学观点进行新机构、新结构、新材料、新工艺的研究

综合复习题

1.使思维尽量发散提出创新的构思，并用简图来构思。

设计一台点抄机：

1）构思将钞票逐张分离的工作原理。

进行原理性构思时：

1）首先考虑应用某种“物理效应”(如图中的摩擦、离心力、气吹等)；

2）然后利用某种“作用原理”(如图中的摩擦轮、转动架、气嘴等)，达到实现“功能目标”的“求解”。

功能目标：清点、辨伪。通常还具有自动开停机、预置数、防双张、防粘张和防夹心等辅助功能。

辨伪：通常有荧光识别、磁性分析、红外穿透三种方式。

结构原理：由捻钞、出钞、接钞、机架和电子电路等部分组成。

2.喷墨打印机的功能目标及采用的物理效应和作用原理。

功能目标：喷墨打印

物理效应：1）电场控制电子束（效果差）；

2）液体受热汽化（canon和hp）；

3）压电晶体在电场作用时产生变形（epson）；

作用原理：1）电子束扫描屏幕控制喷头喷出墨水；

2）加热元件使毛细管口产生气泡，将墨水滴喷出；

3）压电元件将墨水腔中的墨水从小孔口中挤出。

3.功能分解图及功能结构图。

硬币计数包卷机：用来整理、清点、计数。

最后按50枚一卷将硬币用纸包卷起来；也可以在计数后装袋而不包卷。

4.执行机构概念，分析牛头刨床为实现特定运动所需的多个执行机构。

概念：带动工作头进行工作并使之获得工作力或力矩的机构。

作用为实现特定运动规律、特定运动轨迹以及实现某种特殊的信息的传递。

5.零件相关性分析。

定义：零件之间的确定性的关系称之为零件之间的相关。 直接相关关系：通过零件表面直接接触实现的相关关系。

间接相关关系：零件之间的关系需要通过其他零件之间的一系列的直接相关关系的组合来实现。 满足运动相关条件：一般需要一个或几个位置相关的中间件来达到。 位置相关:指两零件在相互位置上有要求。 运动相关：指一零件的运动轨迹与另一零件有关。 6.讨论如何在较少材料的消耗的前提下获得较高的强度刚度。 1）通过结构设计降低应力减少变形 A ．合理确定截面形状 传动轴一般采用圆形截面。

小直径：实心轴便于制造； 大直径：常做成空心轴。 空心轴：Ip 、 Iz 大 抗弯、抗扭刚度大 圆轴扭转：

弯曲应力：

B ．合理确定轴向尺寸

C ．合理选择支承形式

D ．合理利用材料特性

2）改善零件的受力状况：载荷分流、载荷均化和载荷抵消 3）预加载荷 7.载荷分流

载荷分流就是将一个较大的或复合的载荷分流到不同零件或同一零件的不同部位上，从而达到降低应力、减小变形的效果。特别适于强度和刚度较弱的零件。

8．可靠性计算 1)失效率 例7-1

t

t n N t n t t n t t ?--?+=→?∧

)]([)

()(lim

)(0λ

2）正态分布查表计算 3)应力和强度 例7—3 4）串并联系统的可靠性计算

例：10个相同元件组成串联系统，若要求系统可靠度在0.99以上，问每个元件的可靠度至少应为多少？ 解：

例： 10个相同元件组成并联系统，若要求系统可靠度在0.99以上，问每个元件的可靠度至少应为多少？ 解：

所以：R(t)=1-F(t)=1-0.63=0.37

刚度（，抗扭截面系数--=

-=

-=

--==

p P p p P

P P GI D W d D I W I W W T ,GI TL

,

16

)

132

)

(,,P

33

44m ax

m ax ψαππρτZ

23Z 3

3344m ax

m ax EI PL )(6

2/12/W /12,,32

)

164

)

(,,∝

=

==---=

-=

==

x y bh h bh bh I W D W d D I y I W W M Z Z Z Z Z

Z Z 矩形截面：抗弯截面系数

（，圆轴：αππσ)

().......()()()(102110

1

t R t R t R t R t R i i S ?==∏=因为：)

()(......)()(1021t R t R t R t R ====若：999

.099.0)()(1010===t R t R S 则：63

.099.01)()(1010=-==t F t F s 则：

9.零件的相对膨胀的计算

解：应用公式7-81进行求解：

所以：22.2（Lb+Lc ）-26.2 Lb-11 Lc=0

因为：Lb=338mm

所以：22.2（338+ Lc ）-26.2×338-11 Lc=0

解得：Lc=96.75mm （顶杆长）

La=Lb+Lc=338+96.75=434.75mm （尺身）

10.模型相似性计算（相似性概念、相似化和相似模型）

=?-?-?=mc c c mb b b ma a a t L t L t L αααδmc

mb ma c b a

t t t L L L ?=?=?+=;