第4卷 圆柱齿轮的材料 江苏省（单独招生）《机械基础》（高教版·第三版） 单元过关卷

江苏省（单独招生）机电类 《机械基础》（高教版·第三版） 圆柱齿轮的材料 单元过关卷 时间：60分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、判断题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 1. 开式高速齿轮可采用灰铸铁或球墨铸铁。 （ ） 【答案】错误 【解析】灰铸铁和球墨铸铁通常适用于低速、轻载或开式齿轮传动，具有一定减振性和铸造性能，但强度、韧性和抗冲击能力有限。高速齿轮对材料强度、耐磨性和抗疲劳性能要求较高，一般不宜采用灰铸铁或球墨铸铁，因此题干说法错误。 2. 淬火后齿轮内应力大、韧性差，回火能消除内应力,所以淬火后的齿轮需回火处理。（ ） 【答案】正确 【解析】淬火后齿轮内应力大、韧性差，回火能消除内应力，调整硬度与韧性，是不可或缺的后续处理。 3. 闭式软齿面圆柱齿轮传动在润滑良好时，齿面点蚀通常是主要失效形式之一，设计时应重视齿面接触疲劳强度。（ ） 【答案】正确 【解析】闭式软齿面齿轮传动的齿面长期承受交变接触应力，容易产生疲劳点蚀，因此齿面接触疲劳强度是重要校核内容。该说法符合圆柱齿轮失效与强度设计的基本要求。 4. 承受冲击载荷的圆柱齿轮，为了同时提高齿面耐磨性和齿芯韧性，常选用低碳合金钢并进行渗碳淬火处理。（ ） 【答案】正确 【解析】低碳合金钢渗碳淬火后，齿面硬度高、耐磨性好，齿芯仍具有较好的韧性，适合承受较大冲击载荷的齿轮。若只追求整体高硬度，反而可能降低抗冲击能力。 5. 齿轮结构尺寸较大,轮坯不易锻造时齿轮材料宜采用铸钢。（ ） 【答案】正确 【解析】当齿轮结构尺寸较大、形状较复杂或轮坯不易锻造时，采用锻钢制造困难，通常可选用铸钢。铸钢具有较好的强度和韧性，适合制造尺寸较大的齿轮，因此题干说法正确。 6. 优质碳素钢 45 钢经调质处理后，可用于制造中等载荷的齿轮。（ ） 【答案】正确 【解析】45 钢调质后有较好综合力学性能，能承受中等载荷，常用于这类齿轮制造。 7. 齿轮轮齿在传递动力时，在齿根处受到的弯曲应力最大。（ ） 【答案】正确 【解析】齿轮轮齿在传递动力时，在齿根处受到的弯曲应力最大。 8. 当中心距不变，增大模数时，可以提高齿轮传动的弯曲强度。（ ） 【答案】正确 【解析】在中心距不变的条件下，增大模数通常意味着齿数相应减少，轮齿尺寸和齿根厚度增大。齿根承载能力增强，有利于提高齿轮传动的弯曲强度，因此题干说法正确。 9. 疲劳破坏发生前，构件一般会产生明显的塑性变形，即有一定的迹象出现，从而可以加以预防。（ ） 【答案】错误 【解析】疲劳破坏是在交变应力长期作用下产生裂纹并逐渐扩展而导致的破坏。疲劳断裂前通常没有明显的塑性变形，破坏具有突然性，不易提前发现明显迹象，因此题干说法错误。 10. 斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿折断是常见的失效形式之一。（ ） 【答案】正确 【解析】斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿在载荷反复作用下可能发生齿根疲劳折断，尤其在过载、冲击载荷或齿根强度不足时更容易出现。轮齿折断属于齿轮传动常见失效形式之一，因此题干说法正确。 二、单项选择题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 11. 设计一对软齿面减速齿轮传动，从等强度要求出发，选择硬度时应使（ ） A. 大、小齿轮的硬度相等 B. 小齿轮用硬齿面，大齿轮用软齿 C. 大齿轮硬度高于小齿轮硬度 D. 小齿轮硬度高于大齿轮硬度 【答案】D 【解析】软齿面减速齿轮传动中，小齿轮转速较高、啮合次数较多，磨损和疲劳程度通常比大齿轮严重。为使大小齿轮接近等寿命、等强度，通常使小齿轮硬度高于大齿轮硬度，故选B。 12. 制造形状复杂或大直径的低速齿轮的材料一般选择（ ） A. 铸铁 B. 45钢 C. 非金属材料 D. 40Cr 【答案】A 【解析】铸铁具有良好的铸造性能、减振性和耐磨性，适合制造形状复杂、大直径、低速轻载或中等载荷的齿轮。45钢和40Cr多用于钢制齿轮，非金属材料常用于轻载或特殊要求场合，因此本题选B。 13. 齿面在交变接触应力的反复作用下，会出现微小的疲劳裂纹，随后裂纹逐渐扩展，使齿面金属剥落而形成麻点状凹坑，这种现象是（ ） A. 轮齿折断 B. 齿面磨损 C. 齿面疲劳点蚀 D. 齿面胶合 【答案】C 【解析】齿面在交变接触应力反复作用下产生疲劳裂纹，裂纹扩展后使表层金属剥落，形成麻点状凹坑，这种失效形式称为齿面疲劳点蚀。它不同于磨损、胶合和轮齿折断，故选C。 14. 常用于制造高速重载齿轮的材料是（ ） A. 45钢 B. HT200 C. 20CrMnTi D. Q235 【答案】C 【解析】20CrMnTi 是合金渗碳钢，经渗碳淬火等热处理后，表面硬度高、耐磨性好，心部韧性佳，适合高速重载工况；45 钢综合性能尚可但对于高速重载稍显不足，HT200 是灰铸铁，强度低，Q235 是普通碳素结构钢，都不适合，所以选 C。 15. 下列四种材料中，适合制作工地里水泥搅拌机外圈齿轮的是（ ） A. 45 B. 40Cr C. 铸铁 D. 35SiMn 【答案】B 【解析】45钢： 属于中碳钢，具有较高的强度和硬度，但韧性相对较低。 适用于中等负载和速度的齿轮，但在高负载和冲击条件下可能表现不足。 需要经过热处理（如调质处理）以提高性能。 40Cr： 属于合金钢，含有铬元素，具有较高的强度、韧性和耐磨性。 经过调质处理后，综合机械性能优异，适合高负载和冲击条件下的齿轮。 是制作水泥搅拌机外圈齿轮的较好选择。 铸铁： 强度和韧性较低，耐磨性一般。 适用于低速、轻载齿轮，不适合高负载和冲击条件。 在水泥搅拌机这种重载环境下容易损坏。 35SiMn： 属于合金钢，含有硅和锰元素，具有较高的强度、韧性和耐磨性。 适合高负载和冲击条件下的齿轮，性能与40Cr相当。 也是制作水泥搅拌机外圈齿轮的较好选择。 0Cr和35SiMn是最适合制作工地水泥搅拌机外圈齿轮的材料。它们具有较高的强度、韧性和耐磨性，能够满足高负载和冲击条件下的使用要求。如果需要在两者中选择一个，40Cr更为常见且性价比高，因此是更优的选择。 16. 中碳钢经淬火和低温回火后，硬度一般会（ ） A. 明显降低 B. 稍有降低 C. 显著提高 D. 基本不变 【答案】C 【解析】淬火能大幅提高硬度，低温回火虽然会稍微降低淬火后的高硬度，但总体相比淬火前硬度还是显著提高的，所以选 C。 17. 为了提高齿轮的抗疲劳点蚀能力，可采取的措施是（ ） A. 增大模数 B. 降低转速 C. 减小齿数 D. 提高齿面硬度 【答案】D 【解析】齿面点蚀与接触应力有关，提高齿面硬度能增强齿面抵抗接触疲劳的能力，增大模数、减小齿数主要影响齿的尺寸与受力，降低转速对抵抗点蚀效果不明显，所以选 B。 18. 齿轮传动中，什么是保证传动平稳性的重要因素？（ ） A. 齿轮的材料 B. 齿轮的模数 C. 齿轮的齿数 D. 齿轮的精度 【答案】D 【解析】齿轮的材料影响齿轮的耐磨性和抗疲劳性；齿轮的模数决定了齿轮的大小和承载能力；齿轮的齿数则影响齿轮的传动比和齿间距。这些因素不直接影响齿轮啮合时的平稳性。 故选D 19. 圆柱齿轮轮齿发生疲劳折断时，裂纹通常首先出现在轮齿的（ ） A. 齿顶倒角处 B. 齿根过渡处 C. 齿面节线处 D. 轮毂端面处 【答案】B 【解析】齿根过渡处截面较薄且存在应力集中，在交变弯曲应力作用下最容易萌生疲劳裂纹。齿顶、节线和轮毂端面不是轮齿弯曲疲劳折断的典型起始部位。 20. 闭式齿轮传动的失效形式中，哪一种最常见？（ ） A. 齿面点蚀 B. 齿面胶合 C. 齿根折断 D. 齿面磨损 【答案】A 【解析】齿面在接触应力长时间地反复作用下，表层出现裂纹，加之润滑油渗入裂纹进行挤压， 加速了裂纹的扩展，从而导致齿面金属以甲壳状的小微粒剥落，形成麻点，这种现象称为齿面点蚀。闭式齿轮传动的主要失效形式是齿面点蚀。 三、填空题（本大题共5小题，每题2分，共10分） 21. 常用的齿轮材料，碳素钢有______ ，合金钢有______ 。 【答案】① 45 钢 ② 40Cr 【解析】45 钢是优质碳素钢，应用广泛；40Cr 是合金调质钢，常用于制造受力较大的齿轮，提升综合性能。 22. 一对齿轮啮合时，其大、小齿轮的接触应力是______；而其许用接触应力是______的；小齿轮的弯曲应力与大齿轮的弯曲应力一般也是______。 【答案】① 相等的 ② 不相等的 ③ 不相等的 【解析】一对齿轮啮合时，两齿面之间的法向作用力相等，因此按接触强度计算得到的大、小齿轮接触应力相等。但两齿轮材料、热处理和硬度可能不同，所以许用接触应力不相等。由于齿数、齿形系数和齿根尺寸等不同，小齿轮和大齿轮的弯曲应力一般也不相等。 23. 配对齿轮的小齿轮受力及磨损较______，硬度要求______大齿轮20-50HBS。 【答案】① 大 ② 高于 【解析】配对齿轮中，小齿轮转速较高、单位时间内参与啮合次数更多，齿根相对较薄，磨损和疲劳更严重。为提高小齿轮抗磨损和抗疲劳能力，通常要求小齿轮齿面硬度高于大齿轮约20-50HBS。 24. 圆柱齿轮的受力分析中，齿轮的弯曲应力会集中在齿轮的______。 【答案】根部 【解析】齿轮的根部是受力最集中的位置，需要特别关注弯曲应力。 25. 在高速重载传动中，由于啮合区温度升高而导致的失效形式是______，它会使得两齿面金属直接接触并相互粘接。 【答案】齿面胶合 【解析】高速重载齿轮传动中，齿面相对滑动速度大，啮合区温度升高，润滑油膜可能被破坏，使两齿面金属直接接触并发生粘着、撕裂。这种失效形式称为齿面胶合。 四、简答题（本大题共3小题，每题7分，共21分） 26. 齿轮常见的热处理方法。 【答案】表面淬火、渗碳淬火、渗碳、调质、正火等。 【解析】齿轮热处理的目的在于改善材料的力学性能，提高齿面硬度、耐磨性和齿根抗弯疲劳能力。常见方法包括正火、调质、表面淬火、渗碳淬火、渗碳以及渗氮等。不同方法适用于不同材料、载荷和齿面硬度要求。 27. 如图说是直齿圆柱齿轮，受到啮合力F的作用。设F=1400N，压力角，齿轮的节圆半径r=60mm，试计算力F对于轴心的力矩。（注：cos≈0.94） 【答案】解：计算力F对点O的力矩，可直接按力矩的定义求得，即 另外也可以根据合力矩定理，将力F分解为径向力Fr和圆周力Ft，由于径向力Fr通过矩心，则 28. 简述齿轮传动的主要失效形式。 【答案】齿轮传动主要失效形式有：1. 轮齿折断（过载或疲劳导致）；2. 齿面疲劳点蚀（交变接触应力导致）；3. 齿面胶合（高速重载下油膜破裂，金属直接接触）；4. 齿面磨损（灰尘等杂质导致）；5. 齿面塑性变形（低速重载下齿面塑性流动） 【解析】按失效部位（轮齿）和失效原因分类，覆盖疲劳、磨损、变形等常见失效类型，明确每种失效的核心诱因。 五、计算题（本大题共3小题，每题5分，共15分） 29. 某直齿圆柱齿轮传动中，小齿轮传递功率为 5.5 kW，转速为 960 r/min，模数为 4 mm，齿数为 25，标准压力角为 。试计算： 【答案】（1）小齿轮分度圆直径为 100 mm。 （2）小齿轮所受圆周力约为 1094.3 N。 （3）小齿轮所受径向力约为 398.3 N。 【解析】分度圆直径d=mz=4×25=100mm。转矩T=9550P/n=9550×5.5/960≈54.7N·m，圆周力Ft=2T/d=2×54.7/0.100≈1094.3N。径向力Fr=Ft tan≈1094.3×0.364≈398.3N。 30. 如图所示为某带式输送机传动系统，已知n=960r/min，减速器中各轮齿数、、、，链轮齿数、，滚筒的直径，试计算并回答下列问题。 （1）该传动系统的传动比等于______。 （2）齿轮4的转速等于______r/min。 （3）输送带每分钟移动的距离等于______{mm}。 （4）在图示方向传送时，电动机的转向为______（填“向上”或“向下”）。 （5）齿轮、的旋向分别为______和______。 （6）齿轮的受力方向：径向力为______，圆周力为______，轴向力为______。 【答案】（1）12 （2）60 （3）125600 （4）向下 （5）① 右旋 ② 左旋 （6）① 左旋 ② 向左 ③ 向外 31. 某斜齿圆柱齿轮装配在减速器中，分度圆直径为 160 mm，传递功率为 7.5 kW，转速为 720 r/min，法向压力角为 ，螺旋角为 。试计算： 【答案】（1）齿轮传递的转矩约为 99.5 N·m。 （2）齿轮所受圆周力约为 1243.5 N。 （3）齿轮所受轴向力约为 333.2 N。 【解析】（1）转矩 。 （2）圆周力 。 （3）斜齿轮轴向力 。 六、综合应用题（本大题共2小题，每题7分，共14分） 32. 图示为斜齿圆柱齿轮-蜗杆传动。已知齿轮I的螺旋线方向和I轴的转向。画出Ⅱ轴、Ⅲ轴的转向，并判断齿轮2的螺旋线方向，蜗杆3、蜗轮4旋向（使Ⅱ轴上轴承所受轴向力最小）。在啮合点处，画出齿轮2、蜗杆3所受各分力。 【解析】图中蓝色线线答案 33. 齿轮失效 【答案】齿轮失效指齿轮在传动过程中，由于载荷的作用使轮齿发生折断、齿面损坏等现象，而使齿轮过早地丧失正常工作的情况。 【解析】齿轮失效是指齿轮在传动过程中因载荷、摩擦、润滑不良、材料或热处理不当等原因，出现轮齿折断、齿面点蚀、磨损、胶合、塑性变形等损坏，导致齿轮不能继续正常传递运动和动力。题中答案能概括齿轮失效的基本含义。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $ 江苏省（单独招生）机电类 《机械基础》（高教版·第三版） 圆柱齿轮的材料 单元过关卷 时间：60分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、判断题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 1. 开式高速齿轮可采用灰铸铁或球墨铸铁。 （ ） 2. 淬火后齿轮内应力大、韧性差，回火能消除内应力,所以淬火后的齿轮需回火处理。（ ） 3. 闭式软齿面圆柱齿轮传动在润滑良好时，齿面点蚀通常是主要失效形式之一，设计时应重视齿面接触疲劳强度。（ ） 4. 承受冲击载荷的圆柱齿轮，为了同时提高齿面耐磨性和齿芯韧性，常选用低碳合金钢并进行渗碳淬火处理。（ ） 5. 齿轮结构尺寸较大,轮坯不易锻造时齿轮材料宜采用铸钢。（ ） 6. 优质碳素钢 45 钢经调质处理后，可用于制造中等载荷的齿轮。（ ） 7. 齿轮轮齿在传递动力时，在齿根处受到的弯曲应力最大。（ ） 8. 当中心距不变，增大模数时，可以提高齿轮传动的弯曲强度。（ ） 9. 疲劳破坏发生前，构件一般会产生明显的塑性变形，即有一定的迹象出现，从而可以加以预防。（ ） 10. 斜齿圆柱齿轮传动中，轮齿折断是常见的失效形式之一。（ ） 二、单项选择题（本大题共10小题，每题2分，共20分） 11. 设计一对软齿面减速齿轮传动，从等强度要求出发，选择硬度时应使（ ） A. 大、小齿轮的硬度相等 B. 小齿轮用硬齿面，大齿轮用软齿 C. 大齿轮硬度高于小齿轮硬度 D. 小齿轮硬度高于大齿轮硬度 12. 制造形状复杂或大直径的低速齿轮的材料一般选择（ ） A. 铸铁 B. 45钢 C. 非金属材料 D. 40Cr 13. 齿面在交变接触应力的反复作用下，会出现微小的疲劳裂纹，随后裂纹逐渐扩展，使齿面金属剥落而形成麻点状凹坑，这种现象是（ ） A. 轮齿折断 B. 齿面磨损 C. 齿面疲劳点蚀 D. 齿面胶合 14. 常用于制造高速重载齿轮的材料是（ ） A. 45钢 B. HT200 C. 20CrMnTi D. Q235 15. 下列四种材料中，适合制作工地里水泥搅拌机外圈齿轮的是（ ） A. 45 B. 40Cr C. 铸铁 D. 35SiMn 16. 中碳钢经淬火和低温回火后，硬度一般会（ ） A. 明显降低 B. 稍有降低 C. 显著提高 D. 基本不变 17. 为了提高齿轮的抗疲劳点蚀能力，可采取的措施是（ ） A. 增大模数 B. 降低转速 C. 减小齿数 D. 提高齿面硬度 18. 齿轮传动中，什么是保证传动平稳性的重要因素？（ ） A. 齿轮的材料 B. 齿轮的模数 C. 齿轮的齿数 D. 齿轮的精度 19. 圆柱齿轮轮齿发生疲劳折断时，裂纹通常首先出现在轮齿的（ ） A. 齿顶倒角处 B. 齿根过渡处 C. 齿面节线处 D. 轮毂端面处 20. 闭式齿轮传动的失效形式中，哪一种最常见？（ ） A. 齿面点蚀 B. 齿面胶合 C. 齿根折断 D. 齿面磨损 三、填空题（本大题共5小题，每题2分，共10分） 21. 常用的齿轮材料，碳素钢有______ ，合金钢有______ 。 22. 一对齿轮啮合时，其大、小齿轮的接触应力是______；而其许用接触应力是______的；小齿轮的弯曲应力与大齿轮的弯曲应力一般也是______。 23. 配对齿轮的小齿轮受力及磨损较______，硬度要求______大齿轮20-50HBS。 24. 圆柱齿轮的受力分析中，齿轮的弯曲应力会集中在齿轮的______。 25. 在高速重载传动中，由于啮合区温度升高而导致的失效形式是______，它会使得两齿面金属直接接触并相互粘接。 四、简答题（本大题共3小题，每题7分，共21分） 26. 齿轮常见的热处理方法。 27. 如图说是直齿圆柱齿轮，受到啮合力F的作用。设F=1400N，压力角，齿轮的节圆半径r=60mm，试计算力F对于轴心的力矩。（注：cos≈0.94） 28. 简述齿轮传动的主要失效形式。 五、计算题（本大题共3小题，每题5分，共15分） 29. 某直齿圆柱齿轮传动中，小齿轮传递功率为 5.5 kW，转速为 960 r/min，模数为 4 mm，齿数为 25，标准压力角为 。试计算： 30. 如图所示为某带式输送机传动系统，已知n=960r/min，减速器中各轮齿数、、、，链轮齿数、，滚筒的直径，试计算并回答下列问题。 （1）该传动系统的传动比等于______。 （2）齿轮4的转速等于______r/min。 （3）输送带每分钟移动的距离等于______{mm}。 （4）在图示方向传送时，电动机的转向为______（填“向上”或“向下”）。 （5）齿轮、的旋向分别为______和______。 （6）齿轮的受力方向：径向力为______，圆周力为______，轴向力为______。 31. 某斜齿圆柱齿轮装配在减速器中，分度圆直径为 160 mm，传递功率为 7.5 kW，转速为 720 r/min，法向压力角为 ，螺旋角为 。试计算： 六、综合应用题（本大题共2小题，每题7分，共14分） 32. 图示为斜齿圆柱齿轮-蜗杆传动。已知齿轮I的螺旋线方向和I轴的转向。画出Ⅱ轴、Ⅲ轴的转向，并判断齿轮2的螺旋线方向，蜗杆3、蜗轮4旋向（使Ⅱ轴上轴承所受轴向力最小）。在啮合点处，画出齿轮2、蜗杆3所受各分力。 33. 齿轮失效 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $