Машиноведение

МАШИНОВЕДЕНИЕ

Методическое пособие 
для студентов 3-го курса  
очной и заочной форм обучения  
по направлениям подготовки 
«Сервис», «Строительство» 

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
2021

УДК 621.81 (075)
ББК  34.4
         М38

Рецензент 
к.т.н., доцент 
Л.Ю. Овчинникова 

Составитель
к.т.н., доцент 
А.В. Малышев

Машиноведение: методическое пособие / сост. А.В. Малышев. — Москва : 
ФЛИНТА, 2021. — 145 с. — ISBN 978-5-9765-4764-3. — Текст : электронный.

Приводятся сведения о критериях работоспособности и методах расчета и 
конструиро-вания типовых деталей машин, применяемых в автомобилестроении.  
Пособие соответствует программе курсов «Машиноведение», «Введение в 
технику». Для студентов 3-го курса очной и заочной форм обучения по направлениям 
подготовки 43.03.01 «Сервис», 08.03.01 «Строительство». 

УДК 621.81 (075)
ББК  34.4

© ФГБОУ ВО «СГУ», 2018 
© Малышев А.В., составление, 2018 

ISBN 978-5-9765-4764-3

М38

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с действующими образовательными стандартами дис
циплина «Машиноведение» является неотъемлемой частью учебного плана 
направления подготовки 43.03.01 Сервис. Рекомендуемые для применения 
в учебном процессе учебники и пособия не в полной мере отвечают требованиями особенностям обучения студентов в Университете. В связи с этим 
появилась необходимость создания методического пособия, способствующего более полному усвоению требуемых вопросов и подготовке к самостоятельному выполнению расчётно-графической работы, решению домашних заданий, выполнению инженерных расчётов.

Материал методического пособия базируется на систематизации ос
новных сведений по теоретическим вопросам проектирования машин на 
примерах деталей общего назначения: передач, соединений, муфт и других. Приведены практические рекомендации их расчета и конструирования.

Пособие отражает многолетние традиции отечественной инженерной 

школы конструирования не только общего, но и специального механического оборудования - двигателей внутреннего сгорания и других систем.

При написании данного методического пособия была поставлена цель –

дать студентам в сжатой и доступной форме базовые знания о творческом 
процессе создания современных конструкций машин и механизмов, отвечающих ряду противоречивых требований: таких, как прочность и легкость, надежность и долговечность, технологичность и минимальная стоимость.

Машиноведение – наука о рациональных формах и размерах детали с 

учетом экспериментальных и технологических требований.

Машина – это устройство, осуществляющее действия для преобразо
вания энергии и для выполнения работы. Любую машину можно разделить 
на две части.

Деталь машины – это часть машины, которая изготавливается без 

сборочных операций и несет определенные функциональные обязанности.

Детали бывают простые (гайка, шайба, болт и т.д.) и сложные (корпус 

редуктора, станина и т.д.)

Узел – представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую 

из ряда деталей, имеющих общее функциональное назначение. Узлы могут 
быть простые (подшипник качения) и сложные (двигатель внутреннего сгорания). Например подшипник качения, муфта, редуктор и т.п. Сложные узлы 
могут включать несколько простых узлов; например, редуктор включает 
подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колёсами и т.п.

Детали общего назначения (болты, валы, муфты, механические переда
чи и т.д.) изучаются в курсе «Машиноведение» (для факультета ФТС) и в 

курсе «Введение в механику» (для факультета ИЭФ). Эти детали применяются в больших количествах в машиностроении, поэтому усовершенствование конструкции таких деталей позволяет уменьшить затраты материала, а следовательно, понизить стоимость производства и оказать экономический эффект.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕТАЛЕЙ

Всё многообразие деталей машин принято классифицировать на сле
дующие группы:

1. Соединения (соединительные детали)
Все соединительные детали делят на 2 группы:
a)
разъемные соединения;


резьбовые соединения;


шпоночные соединения;


штифтовые соединения;


шлицевые соединения.

b) Неразъемные соединения

заклепочные соединения


сварные соединения


паяные соединения;


прессовые соединения (с гарантированным натягом).

2.
Механические передачи (передаточные механизмы)

Механические передачи передают энергию от двигателя рабочим органам машины 

с преобразованием параметров движения (крутящий момент, частота вращения и т.д.)

a) Передачи, основанные на использовании трения

фрикционные;


ременные.

b) Передачи, основанные на использовании зацепления

зубчатые;


червячные;


цепные;


винтовые (винт-гайка).

3. Детали, обеспечивающие работу передач
a) валы;
b) оси;
c) подшипники;
d) муфты;
e) основания (станки, корпуса и т.д.).

4. Устройства для защиты от загрязнения и смазки

a) защита открытых узлов трения; 
b) герметизация закрытых корпусов в местах выхода валов или дру
гих подвижных деталей;

c) очистка смазочного материала;
d) удаление загрязнений из топлива, воздуха, а также газов и жид
костей, поступающих во внутренние полости машины.

5. Пружины и рессоры предназначены для защиты от вибраций.
Пружины различают: 
По конструкции:

a) Витые цилиндрические (винтовые);
b) Витые конические (амортизаторы);
c) Спиральные (в балансе часов);
d) Плоские;
e) Пластинчатые (например, рессоры);
f)
Тарельчатые;

g) Торсионные; 
h) Жидкостные;
i)
Газовые.

По виду воспринимаемой нагрузки:

a) Пружины сжатия рассчитаны на уменьшение длины под нагруз
кой. Витки таких пружин без нагрузки не касаются друг друга. 
Концевые витки поджимают к соседним и торцы пружины шлифуют. Длинные пружины сжатия, во избежание потери устойчивости, ставят на оправки или стаканы;

b) Пружины растяжения рассчитаны на увеличение длины под 

нагрузкой. В ненагруженном состоянии обычно имеют сомкнувшиеся витки. На концах для закрепления пружины на конструкции имеются крючки или кольца;

c) Пружины кручения могут быть двух видов: торсионные - стер
жень работающий на кручение (имеет большую длину, чем витая 
пружина) и витые пружины работающие на кручение;

d) Пружины изгиба.

Основные виды рессор:

a) Листовая рессора;
b) Эллиптическая;
c) Торсионная рессора;
d) Пружинная рессора.

2. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Качество машины определяется набором полезных функций, надежно
стью, экономичностью. Эти свойства в значительной степени определяются критериями работоспособности детали. Быть работоспособными - значит находиться в таком состоянии, в котором детали могут выполнять заданные функции в пределах технических требований. Без учета 
работоспособности детали нельзя говорить о её надежности.

Критерии:
1)прочность;
2)жесткость;
3)износостойкость;
4)теплостойкость;
5)вибрационная устойчивость.
Значение того или иного критерия возрастает или уменьшается в зависи
мости от функционального назначения детали. Например, для крепежных 
винтов - прочность, ходовых деталей - износостойкость. Работоспособность 
обеспечивают выбором соответствующего материала и расчетом детали по 
4 основным критериям работоспособности. В зависимости от функциональности выбирают один или несколько критериев работоспособности.

Прочность – это способность детали воспринимать нагрузки и соот
ветствующие им напряжения не разрушаясь.

В каждой отрасли машиностроения, основываясь на своем опыте, вы
бирают свои нормы запаса прочности для конкретных деталей. Эти нормы 
не являются стабильными. Их периодически корректируют по мере накопления опыта и роста уровня техники.

Нагрузки и напряжения могут быть:

постоянные;


переменные.

Машины могут работать в условиях:

постоянных режимов;

 переменных режимов.
Нагрузки могут прикладываться плавно или внезапно в виде ударов.

Обычно напряжения вызываемые данными видами нагружения приводят к 
уменьшению прочности деталей, но правильное их использование может 
привести к повышению прочности.

Расчет на прочность проводят тремя методами:
1.
Расчет по номинальным допускаемым напряжениям
 ;
k

 
max
[ ];
[ ]
k







 - действующее в опасном сечении напряжение;

 
 - допускаемые напряжения;

k -коэффициент безопасности
2.
По коэффициентам (безопасности) запаса прочности
 
k
k 
-действующий коэффициент сопоставляется допустимому.

T
k

 

3.
Метод по вероятности безотказной работы
Методика расчета:
1. Расчетная схема:

a) эскиз конструкции с силовыми факторами, действующими на эту 

конструкцию;

b)все силовые факторы приводят к элементу, расчет которого выпол
няется.

2. Условие прочности:

a) по известным материалам выбирают формулу;
b)выбирают материал;
c) допускаемое напряжение.
Вывод:
Жесткость – это способность детали сопротивляться изменению фор
мы и размера под действием сил.

Расчет на жесткость предусматривает ограничение упругих деформа
ций деталей в условиях эксплуатации.

[ ]
[ ]
[ ]

y
y

f
f








Условия эксплуатации:
1. Условие работы сопряженных деталей

Вал на подшипниках, если вал прогнется выше допустимого про
изойдет его заклинивание в подшипниках.
2. Технологические условия

Точность обработки на металлорежущих станках зависит от жесткости 

системы.
3. Условие динамической устойчивости, т.е. в процессе работы должен 

отсутствовать резонанс колебаний.

Потеря деталями устойчивости характеризуется тем, что находясь под 

нагрузкой, детали деформируются в пределах упругой деформации и не 
возвращаются в исходное положение после снятия нагрузки.

Нормы жесткости детали устанавливают на основе практики эксплуа
тации изделий аналогичного назначения.

На жесткость рассчитывают длинные и тонкие детали, работающие на 

сжатие. Рассчитывают полые тонкостенные валы, оболочки или сосуды 
подверженные давлению и другие детали.

Износ – это процесс постоянного изменения размеров и формы детали 

в результате трения.

Износостойкость – свойство деталей противостоять износу.
Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверх
ности твердого тела и накопление его остаточной деформации при трении.

Износ вызывает резкое увеличение стоимости эксплуатации машин в 

связи  необходимостью периодической их проверки  и ремонта, что связанно с простоями и издержками производства машин.

Износ ограничивает работоспособность детали по показателям:
1. потеря точности (измерительный инструмент);
2. по снижению КПД и увеличению утечек;
3. по снижению прочности в следствии уменьшения размеров;
4. по возрастанию уровня шума;
5. по полному истиранию рабочих органов.

2.1. Виды изнашивания детали

1. Абразивный износ, в следствии царапающего действия сокращенных 

поверхностей деталей. Это изнашивание твердыми частицами, придвигающимися между трущимися поверхностями, а так же неровностями трущейся поверхности. 

Основные мероприятия по снижению абразивного износа:
a) уменьшение удельных давлений
b)смазка трущихся поверхностей
применение антифрикционных материалов
c) покрытие поверхности
увеличение точности сопряженных деталей
d)улучшение качества поверхности
защита от попадания грязи.
2. Износ при заедании.
При значительном удельном давлении возникает возрастание темпера
туры в точке, что может привести к сварке в этой точке и зуб колеса 
(например) с наваренными частицами может попасть в хорошую впадину, 
следовательно, заклинивание. 

Схватывание происходит в следствии действия молекулярных сил при 

трении. Наблюдается холодное схватывание, связанное с износом и выдавлением  случайной смазочной пленки при малых скоростях скольжения. 
Горячие схватывание, связанное с понижением вязкости масла из-за нагрева при больших скоростях; проявляется при местном сваривании с последующим выравнивании частиц.

3. Износ при коррозии.
Износ, при котором механическое изнашивание сопровождается хими
ческими или электрическим взаимодействием материала с внешней средой. Расчеты на износостойкость предусматривают обеспечение жидкостной смазки, для чего необходимо иметь толщину масленого слоя, превышающую сумму микронеровностей формы, При невозможности создания 
жидкостной смазки обеспечения требуемого ресурса необходимо назначением допустимых давлений проверенных практикой.

2.2. Теплостойкость

Работа любой машины сопровождается выделением тепла.
Чем ниже КПД, тем больше энергии уходит в тепло, следовательно, 

нагревается узел или деталь. Нагрев деталей приводит к следующим последствиям:


Понижение прочности материала. Для энергетических машин, у 

которых КПД низкий, проявляется свойство ползучести.


Понижение защитных способностей пленок смазки. Вязкость смаз
ки с повышением температуры падает, а следовательно, и смазывающее 
действие снижается.


Изменение зазоров в сопряженных деталях.


Изменение свойств трущихся поверхностей.


Понижение точности в следствии необратимых тепловых деформаций.

2.3. Виброустойчивость

Это способность конструкции работать в заданном диапазоне режимов. 

Без недопустимых колебаний. Собственные колебания и вынужденные колебания (вызваны внешними силами). Если собственные и вынужденные 
колебания совпадают, то возникает резонанс, резко возрастают амплитуды, 
что приводит к разрушению. Кроме резонансных колебаний вибрационная 
устойчивость характеризуется уровнем шума.

Мероприятия по снижению уровня шума.
1. Точность обработки детали.
2. Качество обработки поверхности.
3. Уменьшение ударных нагрузок конструктивными методами (напри
мер, применение муфт).

4. Применение материалов с повышенным внутренним трением (резина).
5. Применение демпфирующих устройств.

2.4. Надежность

Это свойство изделия выполнять заданные функции в течении срока 

службы в определенных условиях.

Надежность характеризуется:

1. Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в 

течение заданного срока службы, без вынужденных перерывов.

2. Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до 

предельного состояния (до физического износа) с перерывами для технических обслуживаний и ремонтов.

3. Ремонтопригодность – это приспособленность изделия к преду
преждению, обнаружению и устранению отказов путем ремонтов.

4. Сохраняемость – это свойство изделия сохранять свои функции по
сле установленного срока хранения и транспортировки.

Все основные мероприятия по надежности закладываются при кон
струировании машин.

На надежность оказывают влияние:


конструкторские мероприятия;


технологические мероприятия;


условия эксплуатации.

Для оценки надежности выбирают различные показатели, например, 

число отказов, средний срок службы в часах, количество  километров пробега.

Количественно надежность характеризуется коэффициентом надежности:

990 – количество изделий, выдержавших испытание
1000 – количество изделий, подвергшихся испытанию.
Для сложной системы, состоящей из последовательно расположенных 

элементов, коэффициент надежности равен произведению коэффициентов 
надежности элементов, входящих в эту систему.

Надежность сложной системы всегда меньше (ниже) надежности само
го надежного элемента. 

Чем больше элементов имеет система, тем ниже ее надежность.
Отказ – утрата работоспособности.
Отказы характеризуются интенсивностью (рис. 1).
1. Первый участок – период приработки. В этот период характерно по
явление дефектов производства, происходит приработанный износ, детали 
самоустанавливаются, устанавливаются нормальные зазоры, устраняются 
местные концентраторы нагрузок. Целесообразно – первый период производить на предприятие изготовителе.