Детали машин. Основы теории, расчета и конструирования

ДЕТАЛИ МАШИН
ОСНОВЫ ТЕОРИИ, 
РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ

В.П. Олофинская

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

Рекомендовано 
Учебно-методическим советом 
среднего профессионального образования 
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся 
по направлениям подготовки 15.02.08 «Технология машиностроения» 
и 15.02.07 «Автоматизация технологических процессов 
и производств (по отраслям)»

УДК 621.81(075.32)
ББК 34.44я723
 
О55

Олофинская В.П.
О55  
Детали машин. Основы теории, расчета и конструирования : учебное 
пособие / В.П. Олофинская. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 
72 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-541-7 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013911-1 (ИНФРА-М)

В учебном пособии изложены основы теории, расчета и конструирования деталей и сборочных единиц машин и механизмов общего назначения.
Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования.

УДК 621.81(075.32)
ББК 34.44я723

Р е ц е н з е н т ы:
И.Н. Сафонова — председатель комиссии общетехнических дисциплин (Королёвский колледж космического машиностроения); 
Е.М. Соломатина — преподаватель технической механики (Колледж 
Русского университета инноваций)

ISBN 978-5-00091-541-7 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-013911-1 (ИНФРА-М)
© Олофинская В.П., 2016
© ФОРУМ, 2016

Предисловие

Пособие составлено в соответствии с программой дисциплины

«Детали машин» для студентов технических специальностей средних
специальных образовательных учреждений. Оно освещает ряд вопросов теории, расчета и конструирования деталей и сборочных единиц
общего назначения, применяемых в большинстве машин.

Пособие имеет целью ознакомить студентов с основами конструирования деталей и механизмов общего применения, которые могут им встретиться в их практической деятельности.

В пособии основное внимание уделено рассмотрению физических основ и особенностей работы деталей машин, требованиям к
ним, способам выполнения этих требований и применению деталей
машин в технике. Представлены примеры расчетов на прочность и
выбора стандартных деталей и сборочных единиц (крепежных деталей, подшипников и муфт).

Методы расчета изложены по возможности доступно, расчетные

формулы даны без сложных математических выводов или с сокращениями. В каждом разделе приведена оценка передач. Пояснения сопровождаются простыми схемами и чертежами, что позволяет понять
принципы работы и расчета деталей.

Сведения, необходимые для выполнения расчетов, и справочные

данные можно найти в учебном пособии В.П. Олофинской «Детали
машин» (М.: ФОРУМ, 2012).

В пособии принята единая система физических единиц, при этом

размеры выражены в миллиметрах (мм), а моменты — в Ньютонах на
метр (Н⋅м). В формулах вращающие моменты обозначены Т, изгибающие и крутящие — М.

Пособие является полезным, а в некоторых случаях и достаточным для студентов, желающих ознакомиться с курсом «Детали машин» самостоятельно или при подготовке к экзамену.

Введение

Курс «Детали машин» посвящен изучению основ расчета и конструирования деталей и сборочных единиц (узлов) общего назначения.

Деталь — часть машины, изготовленная из одного материала без

применения сборочных операций.

Сборочная единица — изделие, состоящее из деталей, соединенных

между собой с помощью сборочных операций.

Узлом называют сборочную единицу, состоящую из деталей,

имеющих общее функциональное назначение.

Деталями и сборочными единицами общего назначения являются

такие изделия машиностроения, которые используются во многих типах машин и механизмов (крепежные детали, валы, зубчатые колеса,
приводные ремни, цепи, подшипники, муфты и др.).

Эти изделия изготавливают в массовых количествах на специализированных заводах, большинство из них стандартизировано.

При изучении основ расчета и конструирования деталей общего

назначения учитываются: качество выбираемого материала, условия
и режим работы, необходимый ресурс машины.

Основное качество машины — работоспособность.
Работоспособность — состояние деталей и сборочных единиц,

при котором они способны выполнять заданные функции с установленными документацией параметрами.

Критериями работоспособности деталей являются прочность, жесткость, износостойкость, теплостойкость, коррозионная стойкость,
виброустойчивость.

Основным критерием является прочность — способность не разрушаться под нагрузкой. Разрушение деталей может произойти под
действием статической нагрузки или в результате длительного воздействия на них переменных напряжений.

Детали машин часто имеют сложную геометрическую форму, работают при различных режимах нагружения, в различных условиях.

Для того чтобы решить техническую задачу, в инженерных расчетах реальные конструкции заменяют расчетной схемой, при этом расчет на прочность становится приближенным. При конструировании
необходимо учесть реальные условия работы и имеющиеся наработки.

Поэтому при расчетах часто применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые введены полученные опытным путем поправочные коэффициенты, учитывающие качество использованных материалов и существующие требования к машине.

Для систематизации изучаемого материала и упрощения его изучения обычно курс «Детали машин» делят на три основных раздела:

• механические передачи;
• детали и узлы передач;
• соединения деталей машин.

Введение
5

1.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ

Механической передачей, или передачей, называют механизм, передающий энергию от двигателя к рабочим органам машины с одновременным преобразованием параметров движения (скоростей, сил,
моментов).

Основные причины применения передач в машинах:
• требуемые скорости рабочих органов машины часто не совпадают со скростями стандартных двигателей;

• скорости рабочих органов машины необходимо регулировать в

процессе работы;

• большинство рабочих органов машин должно работать при малых скоростях и обеспечить большие вращающие моменты, а
высокооборотные двигатели экономичнее;

• в машинах иногда требуется прерывистое поступательное движение, а двигатели чаще изготовляют для равномерного вращательного движения.

Основные кинематические и силовые соотношения в передачах
Передаточное отношение

i = ω

ω

1

2

,

где ω1 — скорость ведущего шкива (колеса), рад/ с;

ω2 — скорость ведомого шкива (колеса).
Часто используется понятие передаточного числа u:

u = ωmax /ωmin.

Передачи с u > 1 называют редукторами, с u < 1 — мультипликаторами.

Коэффициент полезного действия передачи:

η = P

P

полезн

затрач

,

где Р — мощность механизма, кВт; P = Tω;

Т — вращающий момент на валу механизма, Н⋅м.
Классификация передач
По принципу передачи движения: передачи трением (рис. 1.1, а, б, в, з)

и передачи зацеплением (рис. 1.1, г, д, е, ж).

Внутри каждой группы существуют передачи непосредственным

контактом и передачи гибкой связью, ременные и цепные (рис. 1.1,
з, ж).

По взаимному расположению валов: передачи с параллельными валами (цилиндрические, рис. 1.1, г), передачи с пересекающимися
осями валов (конические, рис. 1.1, д), передачи со скрещивающимися
валами (червячные, рис. 1.1,е), цилиндрические с винтовым зубом,
гипоидные.

По характеру передаточного числа: с постоянным передаточным

числом и с бесступенчатым регулированием передаточного числа (вариаторы (рис. 1.1, в)).

1. Механические передачи
7

Рис. 1.1. Кинематические схемы механических передач:

а — цилиндрическая фрикционная передача; б — коническая фрикционная передача; в — фрикционный вариатор: г — цилиндрическся зубчатая передача; д — коническая зубчатая передача; е — червячная передача; ж — цепная передача; з — ременная передача; 1 — ролик; 2 — ведомый диск;

В передачах с бесступенчатым регулированием скорости (вариаторах) основным кинематическим параметром является диапазон регулирования Д:

Д = umax /umin.

При необходимости значительного изменения скорости используют многоступенчатые передачи.

Ступенью в передаче считают передачу одной парой колес, одним

ремнем или одной цепью.

На рис. 1.2 представлены двухступенчатые передачи. Нумерация

ступеней и колес начинается от двигателя.

Для многоступенчатой передачи общее передаточное число определяется по формуле

uобщ = u1u2u3 ... un.

Общий КПД передачи

ηобщ = η1η2 ... ηn.

Для передачи на рис. 1.3 можно записать:

u1 = z2 /z1;
u2 = z4 /z3;
uобщ = u1u2;
ωвых = ωвх / uобщ.

8
1. Механические передачи

Рис. 1.2. Схемы двухступенчатых приводов:

а — ременная передача и цилиндрический редуктор; б — коническая передача и
цилиндрический редуктор; в — двухступенчатая цилиндрическая передача; г — цилиндрический редуктор и цепная передача; 1, 3 — ведущие звенья; 2, 4 — ведомые

звенья

Мощности на валах:

Р2 = Р1η1; Р3 = Р2η2.

Вращающие моменты:

T2 = T1u1η1; T3 = T2u2η2.

1. Механические передачи
9

Рис. 1.3. Схема двухступенчатой передачи

2.
ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ
И ВАРИАТОРЫ

Принцип работы передачи
Фрикционная передача — передача, в которой движение передается силами трения.

Простейшая передача этого типа состоит из двух катков (шкивов), прижатых друг к другу силой Q. Сила прижатия может создаваться собственным весом катков, рычагами, пружинами или специальными устройствами (рис. 2.1).

Теоретически передаточное число такой передачи равно:

u = ω1 /ω2 = D2 /D1,

где D1 и D2 — диаметры катков (шкивов).

Для передачи вращающего момента Т1 необходимо обеспечить

силу прижатия шкивов

Q = 2KT1 / fD1,

где К — коэффициент запаса сцепления; f — коэффициент трения,
величина меньше единицы.

Рис. 2.1. Цилиндрическая фрикционная передача:

ω1, T1 — скорость и вращающий момент на ведущем шкиве; ω2, T2 — скорость и
вращающий момент на ведомом шкиве; Ft — окружная сила; Ff — сила трения;

Q — сила прижатия шкивов

Поэтому сила необходимого прижатия катков оказывается значительной.

Скольжение в передаче
Скольжение во фрикционной передаче связано с упругими деформациями поверхностных слоев, износом поверхностей, возможным
ослаблением прижатия катков, с возможным непостоянством коэффициента трения.

Скольжение зависит от передаваемой нагрузки. При перегрузке

наступает буксование, при котором ведущий каток скользит по ведомому, ведомый каток останавливается.

Передаточное отношение фрикционной передачи с учетом скольжения рассчитывается по формуле

u = D2 / D1 (1 − ε),

где ε — коэффициент скольжения в передаче, зависящий от линейных скоростей шкивов в точке контакта.

Обычно принимают ε = 0,002...0,05.
Материалы шкивов
Основные требования к материалам:
• износостойкость и контактная прочность;
• высокий коэффициент трения;
• высокий модуль упругости.
Часто во фрикционных передачах применяют пары материалов:
• закаленная сталь — закаленная сталь — сочетание обеспечивает

малые габаритные размеры и высокий КПД;

• чугун — чугун или чугун — сталь — сочетание обеспечивает больший коэффициент трения, можно работать всухую и со смазкой;

• сталь — текстолит — можно работать без смазки, коэффициент трения специальных пластмасс достигает 0,5.

Применяют тела качения, покрытые кожей или резиной.
Причины выхода из строя и расчет на прочность передачи
При работе фрикционных передач происходят следующие виды

повреждений рабочих поверхностей:

• усталостное выкрашивание;
• износ в передачах, работающих без смазки;
• задир поверхности при буксовании и перегреве поверхности.

2. Фрикционные передачи и вариаторы
11