Расчет и основы конструирования деталей машин

Учебник

В двух томах

Том 1 

исходные положения. Соединения деталей машин. 
Детали передач

Москва
КУРС 
ИНФРА-М 
2020

РаСчеТ и оСноВы 
конСТРУиРоВания 

ДеТалей машин

Допущено
Министерством образования Российской Федерации 
в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению подготовки 2.15.03.05 
«Конструкторско-технологическое обеспечение 
машиностроительных производств» (квалификация «бакалавр»)

Ю.е. ГУРеВич

а.Г. СХиРТлаДЗе

УДк 621.81(075.8)
ббк 34.44я73

Г95

Гуревич Ю.е., Схиртладзе а.Г.
Расчет и основы конструирования деталей машин : в 2 т. Том 1. 
Исходные положения. Соединения деталей машин. Детали передач:учебник/Ю.Е.Гуревич, А.Г.Схиртладзе.—Москва: КУРС: 
ИНФРА-М, 2020. — 240 с.

ISBN 978-5-906923-61-5 (КУРС, общ.)
ISBN 978-5-906923-29-5 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012776-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102548-2 (ИНФРА-М, online)

В учебнике изложены основы теории расчета и конструирования деталей и узлов общемашиностроительного применения при проектировании 
с рассмотрением их критериев работоспособности. Приводятся необходимые сведения по конструированию и расчету разъемных и неразъемных 
соединений, а также деталей передач: валов, подшипников скольжения и 
качения и муфт различного назначения. 
Для студентов учреждений высшего профессионального образования. 
Учебник может быть полезен аспирантам и преподавателям, а также специалистам в области машиностроения.

УДК 621.81(075.8)
ББК 34.44я73

Г95

ISBN 978-5-906923-61-5 (КУРС, общ.)
ISBN 978-5-906923-29-5 (КУРС)
ISBN 978-5-16-012776-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102548-2 (ИНФРА-М, online)

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

© Гуревич Ю.Е., Схиртладзе А.Г., 2017
© КУРС, 2017

Р е ц е н з е н т ы:
Фирсанов В.В., д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Машиноведение и детали машин» ГОУ/ВПО «Московский авиационный институт (технический университет)»;
Глазунов В.А., д-р техн. наук, проф., директор Института машиноведения 
(ИМАШ РАН)

Предисловие

Машины и механизмы состоят из большого числа деталей. Число 
деталей в каждой машине исчисляется сотнями, а нередко тысячами. 
Например, в простейшей углепогрузочной машине содержится более 
3 тыс. деталей, в автомобиле (включая двигатель) — примерно 16 тыс. 
деталей, в карусельно-токарном станке с диаметром обработки до 
13 м — более 20 тыс. деталей, в гидротурбине Куйбышевской ГЭС — 
более 50 тыс. деталей, а рельсобалочный стан собирается более чем 
из 1,5 млн деталей 400 тыс. наименований. 
Под деталями понимаются составные части машин, получаемые 
без сборочных операций из материала одной марки. Простыми деталями являются гайка, шпонка и др., а сложными — вал, корпус 
и т.д. 
Совокупность совместно работающих деталей, представляющих 
собой конструктивно обособленные единицы, объединяемые общим 
назначением, являются узлами машины, например подшипники, 
муфты и т.д.
С помощью разъемных и неразъемных соединений деталей и узлов образуются сборочные единицы.
Система взаимосвязанных сборочных единиц, предназначенная 
для преобразования и изменения движения, образует механизмы 
(кулачковый, кривошипный и др.).
Совокупность механизмов, образующая функционально-замкнутую систему преобразования энергии, материалов или информации, 
является машиной. 
В зависимости от выполняемых функций различают энергетические машины (электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, 
турбины и др.) и рабочие машины: технологические (металлорежущие станки, прокатные станы и др.), транспортные (автомобили, 
тепловозы и др.) и транспортирующие (конвейеры, краны и др.). Отдельную группу составляют машины-автоматы и, в частности, роботы.
Из анализа конструкций различных машин следует, что большинство деталей и узлов являются типовыми для всех машин, что делает 
целесообразным их изучение в самостоятельном курсе «Детали машин» или «Основы конструирования машин», и лишь немногие детали, которые могут считаться специфическими для машин различ

ного назначения, изучаются в спецкурсах — «Металлорежущие 
станки», «Кузнечно-прессовое оборудование», «Автомобили» и т.д.
В совокупности эти курсы показывают, что нельзя построить ни 
одну машину, не умея рассчитывать и конструировать ее детали как 
общего, так и специального назначения.
Впервые курс «Детали машин» был прочитан профессором 
В.Л. Кирпичевым (1845–1913) в 1881 г., который ввел следующее 
определение: «Под деталями машин понимаются те детали и узлы, 
которые более или менее часто встречаются во всех машинах».
В дальнейшем этот курс получил свое развитие в трудах проф. 
П.К. Худякова (1857–1936), А.И. Сидорова (1866–1931), М.А. Саверина (1891–1952) и др.
Основы конструирования машин (ОКМ) — это наука, изучающая 
конструкции деталей и узлов, являющихся типовыми для различных 
машин, приспособлений и приборов, а также методы их расчета исходя из условий рациональной эксплуатации.
Основы конструирования машин — это научная дисциплина, задача которой заключается в создании и изложении научно обоснованных методов, правил и норм расчета и конструирования деталей 
машин и сборочных единиц исходя из заданных условий работы, т.е. 
в придании деталям наивыгоднейших формы и размеров, выборе 
необходимых материалов, установлении степени точности, качества 
поверхности и технических условий изготовления, обеспечении правильного монтажа и эксплуатации.
Курс ОКМ является первым из расчетно-конструкторских курсов, 
в которых изучаются основы проектирования. Базируется он на следующих общетехнических дисциплинах: «Теоретическая механика», 
«Теория механизмов и машин», «Сопротивление материалов 
и теория упругости», «Материаловедение», «Технологическое проектирование», «Нормирование точности», «Черчение» — и является 
завершающим в цикле общетехнической подготовки студентов.
Главное достоинство проводимых в курсе ОКМ расчетов состоит 
в том, что они в максимальной степени приближены к реальным 
условиям эксплуатации детали в машине и учитывают такие факторы, как точность изготовления, характер сопряжения деталей 
между собой, условия работы конструкции, износостойкость, требуемая долговечность и т.д. Следовательно, расчет деталей машин 
нельзя рассматривать как задачу, сводящуюся только к подстановке 
в формулы исходных данных. В ходе такого расчета необходимо выбрать материал, соответствующий указанным условиям работы детали, назначить ее термообработку, регламентировать технологию 

и точность изготовления, выбрать коэффициенты запаса прочности 
и жесткости, учесть стоимость и другие факторы. 
Нередко бывают случаи, когда строгий теоретический расчет детали оказывается практически невыполнимым, поэтому в курсе 
ОКМ достаточно часто вводятся в расчетную практику чисто эмпирические или полуэмпирические зависимости и соотношения, основанные на опыте проектирования и эксплуатации аналогичных 
деталей и узлов в тех или иных машинах.

Примечание. История использования деталей машин начинается 
с давних времен (клип, каток, лучкавый возвратно-вращательный 
привод для добывания огня).
Первые известные труды в области деталей машин принадлежат 
Архимеду и Леонарду да Винчи с описанием простейших механических устройств. 
Основы теории расчета деталей машин были заложены исследованиями в области теории зацеплений (Л. Эйлер, Х.И. Гохман), теории 
переменных передач (Л. Эйлер), гидродинамической теории смазки 
(И.П. Петров, О. Рейнольдс, Н.Е. Жуковский) и др.

Введение

Особенностью курса «Детали машин» является его неоднородная 
структура, обусловленная недостаточным развитием обобщающей 
теории, большим удельным весом эмпирических зависимостей и недостатком экспериментальных исследований. 
В связи с этим является целесообразным выделение основных 
предпосылок к выполнению расчетов и конструирования в отдельную часть курса. Такое построение позволяет одни и те же исходные 
положения и зависимости использовать при расчете и конструировании несхожих по назначению деталей и узлов машин. 
В качестве самостоятельных следует выделить проблемы, связанные с выбором расчетной схемы (модели) и проведением для нее 
схематизации свойств материала, внешней нагрузки и геометрической формы, а также с оценкой критериев работоспособности деталей и узлов машин и обеспечением с их учетом равнопрочности конструкции. 
В основе расчета многих деталей и узлов машин одними из важных являются вопросы распределения нагрузок в зонах взаимодействия звеньев, что связано с точностью кинематической пары, 
ее конструктивной жесткостью и условиями работы. Сюда входят 
вопросы влияния деформаций и погрешностей изготовления на распределение нагрузки в зоне сопряжения звеньев (подшипники 
скольжения, фрикционные и зубчатые передачи), а также между 
звеньями кинематической пары (зубьями в зубчатой передаче, витками резьбы и т.д.). Более точная оценка распределения нагрузки 
обеспечивает повышение надежности проектируемой конструкции. 
Соединения, обеспечивающие неподвижные связи, служат для 
предотвращения относительного перемещения деталей путем объединения двух и более звеньев в одно звено. В соединениях, реализующих механические связи, используются дополнительные детали 
(болты, гайки, штифты, зацепления и др.) или силы трения на сопряженных поверхностях (соединения с натягом). Для реализации 
молекулярно-механических связей применяются сварка, пайка, 
склеивание и др.
Детали передач — валы, опоры валов и муфты — влияют на работоспособность механизмов в части обеспечения их точностных, 
жест костных и прочностных характеристик в пределах заданных, что 
требует тщательного подхода к их выбору и расчету. 

Часть I
Исходные ПоложенИя 
ПроектИроВанИя деталей 
И узлоВ машИн

Глава 1
ПроектИроВанИе машИн  
И Их состаВных элементоВ

1.1. Изделия машиностроения,  
составные элементы машин

Результатом разработки новых изделий является само изделие, 
которое относится к сфере материальных объектов и служит для удовлетворения требований производства и потребностей человека. 
Сама разработка нового изделия — это особый этап, относящийся 
к сфере умственной деятельности человека. Таким образом, проектирование и конструирование служат одной цели: разработке нового 
изделия, которое не существует или существует в другой форме 
и имеет иные параметры. Проектирование и конструирование — 
виды творческой деятельности, в результате которой в сознании разработчика создается конкретный образ, подвергающийся мыслительным экспериментам, включающим перестановку составных частей 
или замену их другими элементами. Одновременно оценивается эффект внесенных изменений, определяется, как эти изменения могут 
повлиять на окончательный результат, вследствие чего исходный образ принимает окончательный технически обоснованный вид.
Разработка нового изделия, составными частями которого являются проектирование и конструирование, включает в себя также 
разработку технологии изготовления, материально-техническое 
обеспечение и организацию производства. Будучи исходным этапом, 
разработка нового изделия оказывает существенное влияние на все 
последующие стадии жизненного цикла продукции: изготовление, 

обращение или реализацию, эксплуатацию или потребление, разрушение или преобразование, утилизацию.
Понятие изделие также имеет широкий диапазон значений. Под 
изделием подразумеваются все объекты материального производства 
и их составные части, подлежащие изготовлению: машины, технологическое оборудование, механизмы, приборы, функциональные 
системы и др. 
Иногда определенные изделия называют конструкциями, подразумевая под этим понятием нечто конкретное. Конструкция определяет взаимное расположение частей изделия и является одним из 
основных свойств изделия, позволяющих отличить одно изделие от 
другого.

1.2. классификация деталей и узлов машин 
по назначению

Основными частями машины являются двигательный, передаточный, исполнительный механизмы и система управления (СУ).
В качестве двигательных механизмов в механических системах 
используются электродвигатели, а в гидравлических и пневматических системах — насосы и компрессоры. Передачи могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими.
Машину можно представить как совокупность механизмов, узлов 
и составляющих их деталей. В зависимости от применения в сборочных единицах детали и узлы подразделяются на элементы общего 
назначения (болты, зубчатые колеса, валы, подшипники и др.) и элементы специального назначения (воздушный винт, шпиндель, поршень, ходовые колеса и др.).
Рассмотрим классификацию элементов общего назначения.
1. Соединения и соединяющие детали предназначены для фиксации 
взаимного положения деталей и объединения их в сборочные единицы и узлы.
Соединения бывают неподвижными и подвижными. Неподвижные 
соединения, изучаемые обычно в курсе «Детали машин и основы 
конструирования», подразделяются на разъемные и неразъемные. 
К неразъемным соединениям, которые невозможно разъединить без 
их разрушения, повреждения или пластической деформации, относятся сварные, заклепочные, паяные, клеевые соединения и соединения с натягом. Разъемными соединениями являются, например, 
резьбовые и соединения типа вал–ступица (шпоночное, шлицевое, 
профильное и др.).

2. Передачи являются наиболее характерными для передаточных 
механизмов.
К ним относятся: передающие вращательное движение передачи 
зацеплением — зубчатые (цилиндрические, конические, планетарные, волновые), червячные, винтовые, гипоидные, цепные и зубчатоременные; передачи трением — ременные и фрикционные (вариаторы); а также передачи, преобразующие движение, — рычажные, 
кулачковые передачи, передачи винт–гайка.
3. Детали передач. К ним относятся: валы и оси, поддерживающие 
вращающиеся детали (кроме того, валы передают вращающий момент); подшипники качения либо скольжения — опоры валов и осей, 
базирующиеся в корпусных деталях, либо опоры отдельно вращающихся деталей; муфты, постоянно соединяющие валы, а также 
управляемые и самоуправляемые.
4. несущие и базирующие элементы. К ним относятся: направляющие, поддерживающие поступательно движущиеся детали; корпусные 
и несущие детали — основные части механизмов, воспринимающие 
нагрузки (на них монтируются и базируются остальные детали и узлы).
5. Устройства для защиты от загрязнений (уплотнения, кожухи, 
крышки) и для смазывания (форсунки, штуцеры, жиклеры, трубопроводы).
6. Упругие элементы (пружины, рессоры, амортизаторы).

1.3. содержание и последовательность конструирования 
и расчета деталей машин. Виды расчетов

В процессе создания образцов новых технических систем разрабатывается проект будущего изделия.
Проект — совокупность расчетов, чертежей и пояснений к ним, 
предназначенных для определения элементов конструкции и параметров машины или механизма, а также для обоснования технической и экономической целесообразности разрабатываемого изделия. 
Кроме того, проект включает в себя комплекс технических документов, содержащих описание конструктивных решений с их обоснованием, и чертежи, необходимые для изготовления машин, механизмов, приборов и т.д.
Процесс разработки проекта называется проектированием. Важнейшей составной частью проектирования механизмов и их элементов является конструирование, так как проектирование возможно 
только при предварительно принятых вариантах конструктивного 
исполнения.

Однако проектирование и конструирование — процессы разные. 
Проектирование представляет собой поиск научно обоснованных, 
технически осуществимых и экономически целесообразных инженерных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта.
Проектирование — это выбор некоторого способа действия, способного решать при определенных условиях и ограничениях поставленную задачу.
конструирование — это логико-математический творческий процесс поиска оптимального варианта структурного синтеза механизма 
(машины), форм и размеров их деталей и узлов, а также взаимосвязи 
отдельных элементов с учетом новых технологических достижений 
и возможностей производства. В процессе конструирования создаются изображения изделия, рассчитывается комплекс его размеров 
с допустимыми отклонениями, устанавливаются технические требования к изделию и его частям, состоянию их поверхностей с выбором 
соответствующего материала, вида термообработки и т.д.; а также 
разрабатывается техническая документация.
Конструирование представляет собой творческий процесс создания оптимального варианта изделия в документах (главным образом 
в чертежах) на основе выполненных расчетов, а также конструкторского опыта. В процессе конструирования создается конкретная (однозначная) конструкция изделия.
конструкция — это чертежи, определяющие взаимное расположение, способ соединения и взаимодействие узлов и элементов механизмов, машин, приборов с учетом их назначения, а также принцип 
работы последних.
Курсовой проект по деталям машин и основам конструирования 
(ДМ и ОК) имеет особое значение в процессе обучения, так как является первой самостоятельной комплексной расчетно-конструкторской работой и исходной ступенью для выполнения последующих 
курсовых и дипломного проектов.
В процессе курсового проектирования по ДМ и ОК студенты 
впервые знакомятся с методами и приемами конструирования, получают навыки самостоятельной работы со справочной и нормативно-технической литературой при разработке и оформлении конструкторской (графической и текстовой) документации. Выполнение 
проекта направлено также на развитие у студентов способности критической оценки различных вариантов конструкции и выбора наилучшего (оптимального) и, следовательно, на приобретение навы