Детали машин и основы конструирования

УДК 621.81 (075.8)
ББК 34.42я73
          С44

Р е ц е н з е н т ы: афедра «Детали машин и ПТУ» Белорссоо осдарственноо
технолоичесоо ниверситета; дотор техничесих назаведющий афедрой «Сопротивление материалов и детали машин» Белорссоо осдарственноо арарноо техничесоо ниверситета А.Н. Орда

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей нии или любой ее части
не может быть осществлено без разрешения издательства.

Сойбеда, А. Т. 
Детали машин и основы онстрирования: чебни/ А. Т. Сойбеда, А. В. Кзьмин, Н.Н. Маейчи; под общ. ред.     А. Т. Сойбеды. – 2-е изд., перераб. – Мн. : Выш. ш., 2006. –  560 с. : ил.
ISBN 985-06-1055-7.

В чебние изложены основы теории, расчета и онстрирования деталей машин общео назначения. Приводятся инженерные методы проетирования наиболее распространенных видов соединений, передач, валов, их опор, мфт, прих элементов и т. д.
Первое издание вышло в 2000 .
Для стдентов техничесих специальностей взов.
УДК 621.81(075.8)
ББК 34.42я73

Учебное издание

Сойбеда Анатолий Тихонович 
Кзьмин Артр Васильевич
МаейчиНиолай Ниолаевич

ДЕТАЛИ МАШИН И ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

УчебниРедатор Э.Н. Капрова. Хдожественный редатор В.А. Ярошевич. Техничесий редатор Н.А. Лебедевич. Корреторы В.П. Шредова, В.И. Аверина. Компьютерная
верста Н.В. Шабни.

Подписано в печать  12.04.2006. Формат 60×90/16. Бмаа офсетная № 1. Гарнитра “Шольная”. Офсетная печать. Усл. печ. л. 35. Уч.-изд. л. 34,1. Тираж 3100 эз. Зааз

Респблиансое нитарное предприятие «Издательство “Вышэйшая шола”». ЛИ № 02330/
0056829 от 02.03.2004. 220048, Минс, проспет Победителей, 11.

Отрытое ационерное общество «Полирафичесий омбинат им. Я. Коласа». 220600,
Минс, л. Красная, 23.

© Сойбеда А. Т. ,   Кзьмин А. В.,  МаейчиН. Н., 2000
 
©  Сойбеда А. Т., Кзьмин А. В. ,  МаейчиН. Н., 2006, с изменениями
ISBN 985-06-1055-7
© Издательство «Вышэйшая шола», 2006

C44

Предисловие

Каизвестно, лавным поазателем ачества машин является надежность, оторая обеспечивается на стадиях их проетирования, изотовления и эсплатации. В рсе «Детали машин и основы онстрирования» излааются теоретичесие положения и инженерные
методы обеспечения надлежащей надежности машин на стадии проетирования.
Цель рса – онстрторсая подотова стдентов на основе современной наи о сопротивлении деталей машин различным видам
наршения их работоспособности.
Крс имеет самостоятельню начню баз. В нем расрываются и
объясняются физичесие процессы и явления, соптствющие работе
сборочных единиц и деталей.
Предметом изчения слжат сборочные единицы и детали общео
назначения, использемые в большинстве машин.
Методом исследования является анализ физичесих процессов,
происходящих при работе деталей машин, с последющей эспериментальной проверой резльтатов и разработа их инженерной оцени по
различным ритериям работоспособности. Учебнинаписан в соответствии с прораммой рса для техничесих специальностей взов.
Он влючает предсмотренный прораммой раздел «Подъемно-транспортные машины», в отором на онретных примерах поазаны источнии нарзов машинах с четом происходящих в них динамичесих процессов, а таже их трансформация в системе двиатель–трансмиссия–рабочий оран. Это помоает видеть аналоию в расчетах деталей машин общео и специальноо назначения, а таже расрыть
особенности расчетов последних. После изчения данноо рса стдент бдет подотовлен восприятию последющих дисциплин машиностроительноо профиля.
Большое внимание в ние делено общим вопросам теории взаимодействия поверхностей сопряженных деталей. Для добства изчения неоторые виды деталей и сборочных единиц объединены в
отдельные рппы с общими или аналоичными ритериями работоспособности.

В необходимых слчаях даны ссыли на соответствющие стандарты, действющие в Респблие Беларсь. Те из них, в оторые внесены
изменения, помечены звездочой.
Вопросы автоматизированноо проетирования, вероятностные расчеты и специфичесие расчеты на надежность не влючены в чебни,
тааони рассматриваются на семинарсих занятиях, в чебных пособиях по рсовомпроетированию и в сборниах задач по расчетам деталей машин. Это относится и справочным, и нормативным материалам. Ислючение составляют вошедшие в ниразделы по расчетам
збчатых передач, в оторых приведены справочные нормативные материалы ввиднедостата соответствющей чебной литератры.
Во 2-м издании чебниа чтен пятилетний опыт ео использования
в техничесих взах Респблии Беларсь и стран СНГ при изчении
рсов «Детали машин», «Основы онстрирования машин», «Основы
проетирования машин», «Проетирование деталей приборов» и др.
При этом соращены неоторые разделы описательноо харатера и
исправлены допщенные в 1-м издании ошиби и опечати. Неоторые разделы переработаны с целью достижения большей ясности при
изчении излааемоо материала. Учтены изменения, внесенные в неоторые стандарты, а справочные данные приведены в соответствие с
современными требованиями нормативных доментов.
Авторы выражают блаодарность рецензентам – оллетивафедры «Детали машин и ПТУ» Белорссоо осдарственноо технолоичесоо ниверситета и дотортехничесих назаведющемафедрой «Сопротивление материалов и детали машин» Белорссоо осдарственноо арарноо техничесоо ниверситета А.Н. Орде – за
ценные замечания и советы, способствовавшие лчшению содержания данной нии.

А. Т. Сойбеда,
дотор техничесих на,
профессор

Введение

Все без ислючения машины и механизмы состоят из отдельных деталей. Детали не тольо составляют машины, но и определяют их работоспособность. Кроме деталей различают таие виды изделий, асборочные единицы, омплеты и омплесы. Их определения даны в соответствии с ГОСТ 2.101–68.
Деталь – это изделие, изотавливаемое из однородноо материала
без сборочных или монтажных операций. К деталям относятся таже
изделия, изотовленные из однородноо материала с применением
свари, пайи, сшиви, слеивания (например, трба, спаянная или
сваренная из са листовоо материала).
В зависимости от выполняемых фнций детали бывают простые и
сложные. П р о с т ы е  детали (болт, айа, збчатое олесо) выполняют
однфнцию. С л о ж н ы е детали имеют несольо фнциональных
назначений (например, орпс редтора является еще и масляной
ванной).
Сборочная единица – изделие, состоящее из несольих деталей, соединенных междсобой с помощью сборочных или монтажных операций и имеющих общее фнциональное назначение (подшипни,
мфта, редтор и др.).
Комплесом называется рппа изделий, предназначенных для выполнения взаимосвязанных эсплатационных фнций, но не соединенных междсобой (несобранная машина, поточная линия и др.).
Комплетом называется набор изделий, не связанных междсобой
фнционально и сборочными операциями (омплеты запасных частей, инстрмента, измерительной аппаратры и др.).
Система взаимосвязанных сборочных единиц, предназначенная для
преобразования и изменения движения, называется механизмом (лисный, лачовый, ривошипный и др.).
Машиной является совопность механизмов, образющая фнционально-замнтю системпреобразования энерии, материалов или информации с целью частичной или полной замены производственных фнций человеа, облечения ео трда и повышения производительности.

В зависимости от выполняемых фнций различают энеретичесие,
предназначенные для преобразования энерии, и рабочие машины.
К э н е р е т и ч е с и м  м а ш и н а м  относятся элетродвиатели
и элетроенераторы, двиатели внтреннео сорания и паровые машины, трбины и елиостанции.
Р а б о ч и е  м а ш и н ы  подразделяются на технолоичесие и машины-ордия (металлорежщие стани, овочные машины, проатные станы и др.), транспортные (автомобили, траторы, самолеты, тепловозы и др.) и транспортирющие машины (онвейеры, элеваторы,
подъемные раны).
Отдельню рппсоставляют м а ш и н ы - а в т о м а т ы, оторые
без частия человеа выполняют все рабочие и вспомоательные операции технолоичесоо процесса.
Машины-автоматы, расположенные в технолоичесой последовательности и автоматичеси воздействющие на предмет трда, составляют а в т о м а т и ч е с и е  л и н и и  (цехи, заводы).

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Ãëàâà 1.  Äåòàëè ìàøèí, èõ íàçíà÷åíèå 
è êëàññèôèêàöèÿ

1.1. Рабочие поверхности деталей машин

В рсе «Детали машин и основы онстрирования» приходится
часто встречаться с понятием «поверхность»: поверхность трения, взаимодействие поверхностей, разршение поверхности и т.д. В последнее
время появились работы, в оторых процессы трения, изнашивания и
схватывания рассматриваются авзаимодействие поверхностей, обладающих определенными свойствами.
Рабочие поверхности всех деталей машин словно можно разделить
на сопряженные (онтатирющие) и несопряженные (неонтатирющие).
Сопряженные детали образют со смежными деталями подвижные
пары или неподвижные звенья с мироперемещениями, обсловленными деформированием раничных слоев.
Несопряженные поверхности большинства деталей – цилиндричесие, оничесие или сферичесие, т. е. имеющие оси вращения и
плосости, а таже различные их сочетания.
Сопряженные поверхности бывают совпадающими и несовпадающими. Примерами совпадающих поверхностей являются боовые
рани шпонои шпоночных пазов, направляющие столов и др. Совпадающими эти поверхности можно назвать словно, тааполноо
их прилеания добиться трдно из-за шероховатости и волнистости
(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Касание совпадающих поверхностей

Несовпадающие поверхности имеют различню или разнонаправленню ривизн, например поверхности тел ачения и дорожевнтренних
и наржных олец в подшипниах ачения, онтатирющие поверхности збьев збчатых олес, винтовые пары ачения и др. (рис. 1.2).

1.2. Классифиация деталей машин

В зависимости от назначения и воспринимаемых нарзодетали
машин подразделяются на стержни, пластины, оболочи или их отдельные элементы. Стержни, или стержневые элементы, – это детали, поперечные размеры оторых меньше продольных. Пластины имеют
весьма малю толщинпо сравнению с размерами в плане. Оболоча –
это замнтый элемент с весьма малой разностью наржноо и внтреннео диаметров по сравнению с дрими размерами.
По  в о с п р и н и м а е м ы м  н а р з а м  детали машин, оторые
по онстртивномисполнению относятся стержням, подразделяются на детали, нарженные осевыми силами (ходовые винты, анерные болты), ртящими и изибающими моментами (валы, оси), ртящими моментами (торсионы) и др.
Пластины рассматриваются при изчении соединений (сварные, залепочные, шпоночные, шлицевые), а таже взаимодействия поверхностей, ода ривизна одной из них равна бесонечности (ρ = ∞).
Оболочи (сосды высооо давления, тоностенные трбчатые
элементы онстрций) в рсе деталей машин рассматриваются мало
и являются предметом изчения специальных дисциплин.
По  н а з н а ч е н и ю детали машин словно мот быть разделены на
следющие рппы:
детали соединений и передач (болты, винты, шпони, шестерни,
звездочи, шивы, валы, мфты, подшипнии и др.);
детали для станови сборочных единиц (артеры, орпса, станины и др.);
детали смазочных, защитных и предохранительных стройств
(сальнии, защитные шайбы, сапны и др.).
Изчение взаимодействия этих деталей, ритериев их работоспособности, выбор материалов и, арезльтат, правильное построение машин
и механизмов – основа рса «Детали машин и основы онстрирования».

Рис. 1.2. Примеры несовпадающих поверхностей

1.3. Требования онстрции деталей 
машин. Критерии работоспособности

При создании новых машин ним предъявляются следющие требования: высоая производительность и эономичность; надежность;
простота правления и обслживания; ремонтоприодность; добство
транспортирови; высоие эстетичесие ачества.
Детали проетиремой машины должны прежде всео обладать достаточной прочностью, жестостью и стойчивостью; быть доловечными, т. е. иметь достаточню износостойость; довлетворять заданным словиям работы – обладать тепло- и хладостойостью, быть вибростойчивыми. Кроме тоо, должна допсаться возможность изотовления деталей из недороостоящих и недефицитных материалов,
они должны иметь рациональню онстртивню форм, воспроизводимю простейшими технолоичесими приемами, т. е. детали
должны быть технолоичными и довлетворять требованиям эстетии,
нифиации и взаимозаменяемости.
Однао основные требования, предъявляемые онстрции деталей машин, можно свести двм – надежности и эономичности.
Надежность в соответствии с ГОСТ 27.0021–89 определяется асвойство объета выполнять заданные фнции, сохраняя во времени
значения становленных эсплатационных поазателей в заданных
пределах.
Надежность является омплесным свойством, оторое в зависимости от назначения объета и словий ео применения может влючать безотазность, доловечность, ремонтоприодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Количественная харатеристиа надежности – вероятностная величина, ее расчет базирется на статистичесих данных, оторые собираются в процессе эсплатации машины. Инода проводятся специальные испытания на надежность, достоверность оторых зависит от числа образцов, подвераемых испытанию. Та, если Nо – число испытан
ных образцов машин, 
 – число образцов, по оторым были отазы в

работе за время t, а 
 – оличество образцов, прошедших
испытания, вероятность безотазной работы

(1.1)

де F(t) = 
 – вероятность отазов.
Из зависимости (1.1) следет, что вероятность безотазной работы, аправило, меньше единицы. В соответствии с положением о вероятности
несольих независимых событий надежность сложноо изделия равна
произведению надежностей отдельных элементов, входящих в систем.

′
Nt
′ =
−
′
N
N
N
t
t
o

P t
N
N
N
N
N
F t
t
t
( ) =
=
−
′
(
)
= −
( )
o
o
o
1
,

′
N
N
t
o

Отсюда можно залючить, что надежность сложноо изделия вседа
бдет меньше надежности самой ненадежной ео детали и чем больше деталей или изделий входит в омплес, тем меньше ео надежность. Например, если машина состоит из 100 сборочных единиц, надежность аждой
из оторых F(t) = 0,99, то надежность машины F(t) = 0,99100 ≈ 0,37. Таая
машина не может быть допщена эсплатации вследствие низой
надежности. Из теории о доловечности машин известно, что надежность изделий со временем эсплатации меньшается по эспоненциальномзаонP(t) = еλt, де е – основание натральноо лоарифма;
λ – интенсивность отазов; t – время эсплатации.
Недостаточная надежность – основная прерада на пти внедрения
сложных автоматичесих линий и омплесов. Основной харатеристиой надежности можно считать интенсивность отазов λ, т. е. число
отазов в единицвремени или на определенный объем выполняемой
работы.
Величина, обратная интенсивности отазов, называется наработой
на отаз: т = 1/λ.
Эономичность – система мероприятий, обеспечивающих минимальные затраты на приобретение материалов и обордования для изотовления деталей.
Эстетичность – соответствие форм и внешнео вида изделий требованиям рына.
Технолоичность – свойство объета воспринимать наиболее эономичный и эффетивный способ изотовления. Понятие «технолоичность» является относительным, обсловливаемым ровнем производства завода-изотовителя.
Ремонтоприодность – приспособленность объета предпреждению причин ео отазов и повреждений птем проведения ремонтов и
техничесоо обслживания.
Отаз – событие, залючающееся в наршении работоспособности
объета.
Безотазность – свойство объета непрерывно сохранять работоспособность в течение неотороо сроа слжбы или наработи (объема работы).
Унифиация деталей – масимально возможная замена деталей различной формы и типоразмеров, имеющих одинаовое фнциональное назначение, а таже по возможности одинаовые требования по
ачестврабочих поверхностей и прочняющей технолоии.
Доловечность – свойство объета сохранять работоспособность до
настпления предельноо состояния при становленной системе техничесоо обслживания и ремонта.
Предельное состояние – состояние объета, при отором дальнейшая ео эсплатация невозможна из-за неизбежноо наршения заданных параметров или технии безопасности.