Детали машин. Основы теории, расчета и конструирования

ДЕТАЛИ МАШИН

ОСНОВЫ ТЕОРИИ, 

РАСЧЕТА И КОНСТРУИРОВАНИЯ

В.П. Олофинская

Рекомендовано в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 

15.03.01 «Машиностроение», 15.03.03 «Прикладная механика», 

15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение 

машиностроительных производств»
(квалификация (степень) «бакалавр»)

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2022

ИНФРА-М

УДК 621.81(075.8)
ББК 34.44я73
 
О55

Олофинская В.П.
О55  
Детали машин. Основы теории, расчета и конструирования : учебное пособие / В.П. Олофинская. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 
2022. — 72 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 978-5-00091-641-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014543-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104823-8 (ИНФРА-М, online)

В учебном пособии изложены основы теории, расчета и конструирования деталей и сборочных единиц машин и механизмов общего назначения.
Предназначено студентам технических специальностей вузов. Пособие 
может быть полезно студентам образовательных учреждений среднего профессионального образования при самостоятельном изучении курса и для 
подготовки к экзаменам.

УДК 621.81(075.8)
ББК 34.44я73

Р е ц е н з е н т ы:
Сафонова И.Н. — председатель комиссии общетехнических дисциплин Технологического университета; 
Соломатина Е.М. — преподаватель технической механики колледжа 
Русского университета инноваций

ISBN 978-5-00091-641-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014543-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104823-8 (ИНФРА-М, online)
© 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