Детали машин и основы конструирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 

 
 

 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования
 

Детали машин
и основы конструирования 

Учебник 

Под редакцией профессора С.М. Горбатюка 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

 

Москва 2014 

УДК 621.8 
 
Д38 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Б.А. Романцев;  
д-р техн. наук, проф. Г.В. Ашихмин 
(ОАО «Институт Цветметобработка») 

Авторы: 
С.М. Горбатюк, А.Н. Веремеевич, С.В. Албул, 
И.Г. Морозова, М.Г. Наумова 

 Детали машин и основы конструирования : учеб. / С.М. Гор- 
Д38 батюк [и др.] ; под ред. С.М. Горбатюка. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2014. – 377 с. 
ISBN 978-5-87623-754-5 

В учебнике представлены основные теоретические и практические вопросы курса «Детали машин и основы конструирования»: критерии работоспособности деталей машин, машиностроительные материалы и их свойства 
с точки зрения эксплуатации деталей машин, разъемные и неразъемные соединения деталей машин, механические передачи, валы и опоры, муфты, 
смазывающие устройства, основы конструирования и современного автоматизированного проектирования деталей и узлов машин. 
Приведены необходимые расчеты узлов, соединений и отдельных деталей машин. 
Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 
«Металлургия». 
УДК 621.8 

В оформлении учебника использована иллюстрация Peter Tamas, 
представленная на ресурсе www.grabcad.com 

ISBN 978-5-87623-754-5 
© Коллектив авторов, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН ...............................................8 

1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН......................8 
1.1. Общие положения. Надежность.............................................................. 8 
1.2. Прочность ............................................................................................... 10 
1.3. Жесткость................................................................................................ 17 
1.4. Износостойкость .................................................................................... 20 
1.5. Теплостойкость....................................................................................... 22 
1.6. Виброустойчивость................................................................................ 23 
Контрольные вопросы .................................................................................. 24 

2. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ...........................................................25 
2.1. Общие сведения...................................................................................... 25 
2.2. Чугуны..................................................................................................... 26 
2.3. Стали ....................................................................................................... 32 
2.4. Упрочнение сталей................................................................................. 43 
2.5. Цветные металлы и сплавы ................................................................... 48 
2.6. Композиционные и неметаллические материалы ............................... 54 
Контрольные вопросы .................................................................................. 56 

3. ДОПУСКИ РАЗМЕРОВ. ПОСАДКИ......................................................................57 
3.1. Общие сведения...................................................................................... 57 
3.2. Основные понятия о размерах и отклонениях..................................... 58 
3.3. Соединения и посадки. Допуск посадки .............................................. 61 
3.4. Квалитет. Обозначение поля допуска .................................................. 65 
3.5. Назначение посадок ............................................................................... 67 
Контрольные вопросы .................................................................................. 72 

4. ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ.............................73 
4.1. Общие сведения...................................................................................... 73 
4.2. Отклонения формы и расположения поверхностей............................ 74 
4.3. Указание на чертежах допусков формы и расположения 
поверхностей ................................................................................................. 81 
4.4. Зависимые и независимые допуски...................................................... 84 
Контрольные вопросы .................................................................................. 88 

5. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ....................................................................89 
5.1. Общие сведения...................................................................................... 89 
5.2. Обозначение шероховатости на чертежах ........................................... 91 
Контрольные вопросы .................................................................................. 93 

II. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.........................................................94 

6. НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ..........................................................................94 
6.1. Сварные соединения .............................................................................. 94 
6.2. Заклепочные соединения ..................................................................... 105 
6.3. Паяные соединения .............................................................................. 117 
6.4. Клеевые соединения............................................................................. 127 
Контрольные вопросы................................................................................. 138 

7. РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.............................................................................139 
7.1. Резьбовые соединения.......................................................................... 139 
7.2. Шпоночные соединения ...................................................................... 151 
7.3. Шлицевые соединения......................................................................... 154 
7.4. Штифтовые соединения....................................................................... 156 
7.5. Клеммовые соединения........................................................................ 158 
Контрольные вопросы................................................................................. 161 

III. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ ..............................................................162 

8. ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ.....................................................................................164 
8.1. Виды зубчатых передач ....................................................................... 165 
8.2. Классификация зубчатых передач ...................................................... 168 
8.3. Цилиндрические зубчатые передачи .................................................. 171 
8.4. Модификация профилей зацепления.................................................. 177 
8.5. Параметры передач и конструкции зубчатых колес ......................... 179 
8.6. Точность зубчатых передач................................................................. 184 
8.7. Выбор материалов для зубчатых колес .............................................. 185 
8.8. Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых 
передач ......................................................................................................... 188 
8.9. Силы в зацеплении цилиндрических передач.................................... 192 
8.10. Расчет зубьев цилиндрических передач на прочность  
при изгибе .................................................................................................... 198 
8.11. Допускаемые напряжения.................................................................. 203 
8.12. Планетарные передачи....................................................................... 204 
8.13. Передачи с зацеплением Новикова и их модификации .................. 207 
Контрольные вопросы................................................................................. 210 

9. ВИНТОВЫЕ И ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ.............................................................211 
9.1. Винтовые зубчатые передачи.............................................................. 211 
9.2. Гипоидные передачи............................................................................ 212 
9.3. Червячные передачи............................................................................. 214 
9.4. Конструктивные особенности червячной передачи.......................... 235 
Контрольные вопросы................................................................................. 241 
 

10. ВОЛНОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ..................................................................................242 
10.1. Общие сведения .................................................................................242 
10.2. Волновые передачи с промежуточными звеньями .........................244 
Контрольные вопросы................................................................................247 

11. ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ И ВАРИАТОРЫ....................................................248 
11.1. Виды фрикционных передач и вариаторов......................................248 
11.2. Материалы рабочих тел фрикционных передач..............................252 
11.3. Критерии работоспособности передачи...........................................253 
Контрольные вопросы................................................................................254 

12. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ ..................................................................................255 
Контрольные вопросы................................................................................259 

13. ЦЕПНЫЕ ПЕРЕДАЧИ.......................................................................................260 
13.1. Применение цепных передач............................................................260 
13.2. Типы цепей.........................................................................................261 
13.3. Зубчатые цепи ....................................................................................263 
Контрольные вопросы................................................................................266 

14. ПЕРЕДАЧА ВИНТ – ГАЙКА.............................................................................267 
14.1. Строение передачи винт – гайка.......................................................267 
14.2. Механика и кинематика передачи винт – гайка..............................269 
14.3. Расчеты несущей способности элементов передачи скольжения..270 
14.4. Передачи винт – гайка качения.........................................................273 
14.5. Шарико-винтовые и ролико-винтовые передачи............................275 
Контрольные вопросы................................................................................279 

IV. ВАЛЫ, ОПОРЫ, МУФТЫ ........................................................................280 

15. ВАЛЫ И ОСИ..................................................................................................280 
15.1. Основные определения, классификация и критерии  
работоспособности .....................................................................................280 
15.2. Материалы и обработка валов и осей...............................................286 
15.3. Расчеты валов и осей на прочность..................................................287 
15.4. Выбор смазочного материала и системы смазки ............................290 
Контрольные вопросы................................................................................296 

16. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ .......................................................................297 
16.1. Конструкция подшипников скольжения..........................................297 
16.2. Расчет подшипников скольжения.....................................................304 
Контрольные вопросы................................................................................310 

17. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ ..............................................................................311 
17.1. Конструкция и классификация подшипников качения ..................311 
17.2. Условные обозначения подшипников..............................................314 

17.3. Материалы подшипников качения .................................................. 316 
17.4. Критерии работоспособности подшипников качения ................... 317 
17.5. Расчет подшипников качения .......................................................... 319 
Контрольные вопросы ............................................................................... 322 

18. МУФТЫ ........................................................................................................ 323 
18.1. Классификация муфт ........................................................................ 323 
18.2. Муфты неуправляемые..................................................................... 325 
18.3. Компенсирующие жесткие муфты .................................................. 326 
18.4. Компенсирующие муфты с упругими металлическими  
элементами.................................................................................................. 332 
18.5. Компенсирующие муфты с упругим неметаллическим  
элементом ................................................................................................... 333 
18.6. Предохранительные муфты.............................................................. 336 
Контрольные вопросы ............................................................................... 340 

V. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН ............................... 341 

19. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ........................................ 341 
19.1. Основные положения........................................................................ 341 
19.2. Критерии оптимизации деталей машин.......................................... 343 
19.3. Технологичность деталей................................................................. 344 
Контрольные вопросы ............................................................................... 346 

20. МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ.................................................................. 347 
20.1. Основная задача конструирования.................................................. 347 
20.2. Этапы конструирования ................................................................... 348 
Контрольные вопросы ............................................................................... 350 

21. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ .............................. 351 
21.1. Общие сведения................................................................................. 351 
21.2. Жизненный цикл проекта................................................................. 352 
21.3. Компоновка редуктора...................................................................... 357 
21.4. Конструирование корпуса редуктора.............................................. 364 
21.5. Моделирование редуктора в CAD-системе .................................... 368 
Контрольные вопросы ............................................................................... 374 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 376 

Введение 
 
Машина – это устройство, выполняющее механические движения 
для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. 
Любая машина состоит из деталей. 
Деталь – это такая часть машины, которая изготовлена без сборочных операций. Детали частично или полностью объединяют в 
узлы. Узел – это сборочная единица, состоящая из ряда деталей, 
имеющих общее функциональное назначение, например: подшипник 
качения, муфта, редуктор и т.п. Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает 
подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т.п. 
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют 
такие, которые применяют почти во всех машинах: болты, валы, 
муфты, механические передачи и т.п. Эти детали (узлы) называют 
деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин и 
основы конструирования». Все другие детали, такие как поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.п., относят к деталям специального 
назначения и изучают в специальных курсах. 
Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень 
больших количествах. Поэтому любое усовершенствование методов 
расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект. 

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН 

1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА 

ДЕТАЛЕЙ МАШИН 

1.1. Общие положения. Надежность 

Детали машин должны удовлетворять условию надежности и условию экономичности, т.е. иметь минимальную необходимую стоимость. Обеспечение надежности в технике регламентировано системой ГОСТов, в частности термины и определения, относящиеся к 
надежности, установлены ГОСТ 27.002–89. Рассмотрим основные 
положения теории надежности. 
Работоспособность – состояние объекта, при котором значения 
всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные 
функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и 
(или) конструкторской (проектной) документации. 
Работоспособность объекта характеризуется определенными критериями – свойствами, при отсутствии или недостаточном проявлении которых изделие будет неработоспособным. Основными критериями работоспособности машин являются прочность, жесткость, 
износостойкость, теплостойкость и виброустойчивость. По одному или нескольким из этих критериев ведут расчет, цель которого – 
определение размеров и материалов деталей машин. Часть критериев 
удовлетворяется заведомо и не требует проверки. 
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения 
может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность 
и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. 
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной 
системе технического обслуживания и ремонта. Основные показатели долговечности: а) средний ресурс, т.е. средняя наработка до пре

дельного состояния; б) гамма-процентный ресурс, который обеспечивается у заданного числа γ процентов изделий, например 95 %. 
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного 
состояния путем технического обслуживания и ремонта. 
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта 
выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) 
транспортирования. 
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. 
Основным показателем безотказности является вероятность P(t) безотказной работы в течение заданного времени или наработки. Экспериментально или на основе наблюдений при эксплуатации оценка 
вероятности P(t) безотказной работы определяется как отношение 
числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу 
испытанных образцов; при этом выполняется соотношение 

P(t) + Q(t) = 1, 

где 
( )
( )

0
d

t
Q t
f t
t
=ò
 – вероятность отказа за время t;  

f(t) – плотность вероятности отказов. 

Вероятность безотказной работы системы объектов равна произведению вероятностей безотказной работы независимых элементов: 

Pст(t) = P1(t) P2(t)… Pn(t). 

Если, как обычно, вероятность безотказной работы элементов достаточно высокая, то, выразив предыдущие формулы через вероятность 
отказов и отбросив произведения малых величин, можно записать: 

Pст(t) ≈ 1 – [Q1(t) + Q2(t) +…+ Qn(t)]. 

В период нормальной эксплуатации машин постепенные отказы 
еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприятным стечением обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия. Вероятность безотказной работы в этом случае 

P(t) = e–λt , 

где λ – постоянная интенсивность отказов, λ = 1/tср; 
здесь tср – средняя наработка до отказа. 

Если, как обычно, λt ≤ 0,1, то P(t) ≈ 1 – λt. 

1.2. Прочность 

Прочностью называется способность материала детали воспринимать внешнюю нагрузку не разрушаясь и без недопустимых остаточных деформаций. 
Внешние нагрузки делят на статические – мало изменяющиеся во 
времени, и динамические – изменяющиеся во времени и вызывающие появление колебаний. По характеру приложения внешние нагрузки могут быть сосредоточенными или распределенными, а напряжения, возникающие в деталях, – основными, начальными, исчезающими и остаточными. 
Начальные напряжения возникают в процессе сборки узлов. Исчезающие напряжения возникают из-за неравномерного нагрева в процессе работы; исчезают при остановке роста или выравнивании температуры. Остаточные напряжения вызываются неравномерным остыванием, 
пластической деформацией, поверхностной закалкой и т.д. 
Обычно эти напряжения приводят к уменьшению прочности деталей, но могут вызвать и ее повышение. К методам повышения прочности относят: 
− предварительное напряжение в соединениях; 
− поверхностный наклеп; 
− химико-термическую обработку поверхностных слоев; 
− поверхностную закалку, которая может создать на поверхности 
значительные напряжения сжатия, что повысит усталостную прочность, а также износостойкость. 
Основные напряжения возникают от действия внешних сил, которые в зависимости от условий приложения могут быть постоянными 
или переменными во времени. 
Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в 
машинах почти не встречаются. Однако некоторые детали работают с 
мало изменяющимися напряжениями, которые при расчете можно принимать за постоянные. Это детали с большими нагрузками от силы тяжести (в транспортных и подъемно-транспортных машинах), детали с