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普考申論題 107年 [機械工程] 機械設計概要

第 一 題

📖 題組:
一、一螺旋彈簧如圖所示尚未完成製圖的尺寸及精度標註,此彈簧線徑 4 mm,自由高度75 ± 0.1 mm,外徑 34 mm,總圈數 N = 8.5,有效圈數 Na = 6.5,兩端平口且研磨。
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

求壓實高度。(4 分)

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看到本題,首先要辨識出這是螺旋彈簧的基本尺寸計算。解題關鍵在於題幹給定的端面條件為「兩端平口且研磨」(Squared and Ground Ends)。在此條件下,總圈數與壓實高度的關係為何?直接代入對應的幾何公式即可求得。

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【考點分析】 本題考查壓縮螺旋彈簧在特定端部條件下的壓實高度(Solid Height)計算。 【理論/法規依據】

小題 (二)

求節距 p。(4 分)

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接著要計算節距(Pitch, p)。節距的定義是相鄰兩有效圈之間的軸向距離。對於「兩端平口且研磨」的彈簧,自由高度 $L_f$、節距 $p$、有效圈數 $N_a$ 與線徑 $d$ 之間有標準的幾何轉換關係。需利用自由高度公式反推節距。

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【考點分析】 本題考查螺旋彈簧節距的推導與計算。 【理論/法規依據】

小題 (三)

此彈簧受軸向力 292 N 作用時,長度被壓縮至 55 mm,求彈簧常數,(4 分)以及作用軸向力為 525 N 時,求彈簧長度。(3 分)

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這部分考查虎克定律的應用。首先根據已知的力與對應的變形量算出彈簧常數(k)。變形量是自由長度減去壓縮後的長度。算出 k 值後,再用它來反推在另一個負載(525 N)下的變形量,進而求出最終長度。注意不可超過壓實高度。

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【考點分析】 本題考查彈簧常數(Spring Rate/Constant)的定義與虎克定律(Hooke's Law)的應用。 【理論/法規依據】

小題 (四)

兩研磨端面之完工粗糙度被要求上限為 12.5 μm,則應在圖中小括號內的精度如何標註?(2 分)

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考查機械製圖標準(表面粗糙度標註)。題目提及「小括號內的精度」,這是在工程圖中表示「其餘表面」(General Surface Roughness)的標註方式。需要回想 CNS 或 ISO 標準中表面粗糙度的符號表示法(如倒三角形或打勾符號加上數值)。

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【考點分析】 本題考查工程製圖中的表面粗糙度(Surface Roughness)標註規範。 【理論/法規依據】

小題 (五)

兩端面同樣以外徑 34 mm 之軸線為基準的垂直度誤差不超過 1.8 mm,在圖中右下端幾何精度的標註?(3 分)

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考查幾何公差(GD&T)的符號與特徵控制框(Feature Control Frame)的構成。分析題意提取三個要素:1. 幾何特徵:垂直度(Perpendicularity)。2. 公差值:1.8 mm。3. 基準面:軸線(通常標示為 A 或其他字母)。接著按照「符號 | 公差值 | 基準」的順序填寫方框。

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【考點分析】 本題考查幾何公差(GD&T)中的垂直度標註方式及特徵控制框(Feature Control Frame)的畫法。 【理論/法規依據】

📝 螺旋彈簧幾何尺寸計算
💡 依據彈簧端部形式,選用正確總圈數公式計算壓實極限高度。
比較維度 兩端靠緊且研磨 (Squared & Ground) VS 兩端平口 (Plain)
總圈數 (Nt) Na + 2 Na
壓實高度 (Ls) d * Nt d * (Nt + 1)
自由高度 (L0) p * Na + 2d p * Na + d
💬端部加工方式決定了總圈數與壓實高度的倍數關係,計算前必須先判斷端部形式。
🧠 記憶技巧:壓實看總圈,有效算變形;平研最簡單,直乘總圈數。
⚠️ 常見陷阱:常在申論題中誤用『有效圈數』計算高度,或記錯不同端部條件下的加減項(如 +1d 或 +2d)。
彈簧常數 k 值計算 彈簧應力修正係數 Wahl Factor 彈簧自由高度與節距關係

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