Детали машин: расчет и конструирование

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

П. Н. Плотников, Т. А. Недошивина

ДЕТАЛИ МАШИН:
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ
для студентов, обучающихся по направлению
13.03.03 «Энергетическое машиностроение»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 62-2(075.8)
ББК 34.44-02я73
          П39
Рецензенты:
Уральский государственный лесотехнический университет (заведующий 
кафедрой «Энергетика» проф., д-р техн. наук С. М. Шанчуров); главный 
конструктор ЗАО «Уральский турбинный завод» канд. техн. наук А. Ю. Култышев

Научный редактор проф., д-р техн. наук В. И. Брезгин

 
Плотников, П. Н.
П39    Детали машин: расчет и конструирование : учебное пособие / П. Н. Плотников, Т. А. Недошивина. — Екатеринбург : Изд-во урал. ун-та, 2016. — 
236 с.

ISBN 978-5-7996-1727-1

Приведены основные этапы проектирования и конструирования машин, требования, предъявляемые к проектируемым изделиям. Даны общие сведения о деталях машин, материалах, напряжениях, причинах выхода их из строя и критериях 
работоспособности. Изложены основы определения сил, действующих на детали, 
и расчета элементов конструкций по основным критериям работоспособности.
Учебное пособие составлено с учетом требований государственных стандартов и единой системы конструкторской документации.
Учебное пособие может быть использовано студентами очного и заочного обучения для самостоятельной работы, при выполнении контрольных заданий, курсовых проектов по деталям машин, а также при подготовке к экзаменам по курсу 
«Детали машин и основы конструирования».

Библиогр.: 17 назв. Рис. 111. Табл. 8.

УДК 62-2(075.8)
ББК 34.44-02я73

ISBN 978-5-7996-1727-1 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Предисловие

У

чебное пособие по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» предназначено для студентов, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение».
Изучение курса «Детали машин и основы конструирования» подразумевает использование большого числа литературных источников, в том числе ряда специфических, необходимых для более глубокого освоения материала применительно к направлению подготовки 
13.03.03 «Энергетическое машиностроение». В связи с этим в пособии 
рассмотрены как вопросы конструирования разного рода деталей, узлов, соединений общемашиностроительного назначения, так и вопросы конструирования узлов и соединений, применяющихся в энергомашиностроении. Приведены расчетные формулы, критерии расчета, 
выбор материалов деталей и т. д.
Для удобства использования учебное пособие разбито на отдельные главы в соответствии с программой курса. Каждая глава разбита 
на отдельные темы. Некоторые главы изложены достаточно сжато, что 
предполагает самостоятельное изучение части материала. В конце главы приводятся вопросы для самоконтроля по изученному материалу.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения для подготовки к лекциям, зачетам и экзаменам. В связи с использованием 
дистанционных технологий в обучении учебное пособие является дополнительным материалом для возможности электронного обучения 
студентов.

Словарь терминов

Деталь — изделие, выполненное из однородного по марке и наименованию материала, без применения сборочных операций.
Сборочная единица (узел) — совокупность деталей, объединенных 
общим назначением.
Механизм — система звеньев, преобразующая движение одних звеньев в требуемые движения других.
Машина — устройство, выполняющее механические движения с целью преобразования энергии, материалов или информации.
Прочность — способность детали выдерживать рабочие нагрузки 
без разрушения.
Жесткость — это способность системы сопротивляться действию 
внешних нагрузок с наименьшими деформациями либо с допустимыми деформациями, не приводящими к нарушению работоспособности системы.
Упругость — способность восстанавливать первоначальные форму 
и размеры детали после снятия нагрузки.
Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам 
и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, 
хранения и транспортирования.
Коррозия — процесс постоянного разрушения поверхностных слоев металла в результате его окисления.

1. Составные части проектирования. 
Принципы и методика конструирования

1.1. Проектирование и конструирование

Непрерывное развитие техники требует новых знаний от конструкторов и проектировщиков. Вместе с тем необходимо обладать обширными познаниями в области уже существующих проектов, материалов, технологий.
Конструировать — значит создавать конструкцию механизмов, машин, аппаратов. Конструктор — специалист, знающий не только порядок, способы и методы создания конструкции, но и способы и методы изготовления составных частей этой конструкции и материала, 
из которой она изготовляется.
Целью и результатом разработки новых изделий является само изделие. Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для 
удовлетворения требований производства и потребностей человека.
Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим 
персоналом путем проектирования и конструирования. Проектирование и конструирование являются процессами взаимосвязанными, 
дополняющими друг друга, но все же разными. Конструктивная форма объекта уточняется с помощью методов проектирования — произведением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации 
и т. д. В свою очередь, проектирование возможно при предварительно принятых вариантах конструктивного выполнения условного объекта. Часто эти два процесса не различают, поскольку выполняются, 
как правило, специалистами одной профессии — инженерами-конструкторами.
Проектирование предшествует конструированию и представляет собой поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и эконо

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

мически целесообразных решений. Результатом проектирования является проект разрабатываемого объекта. Проектирование — выбор 
некоторого способа действия, позволяющего решать поставленную 
задачу при определенных условиях и ограничениях.
Конструированием создается однозначная, конкретная конструкция изделия. Конструкция — это устройство, взаимное расположение 
частей и элементов какого-либо предмета, машины, прибора, определяющееся его назначением. Конструкция предусматривает способ 
соединения, взаимодействие частей, а также материал, из которого 
отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе 
конструирования создаются изображения и виды изделия, рассчитывается комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается соответствующий материал, устанавливаются требования к шероховатости поверхностей, технические требования к изделию и его 
частям, создается техническая документация. Конструирование опирается на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, принятые при проектировании.
С одной стороны, конструирование машин — процесс творческий, 
независим от того, выполняется он студентом или опытным инженером. Каждая конструкторская задача имеет много решений. Опираясь на имеющиеся теоретические знания и практический опыт, 
конструктор должен выбрать из многих возможных решений одно — 
наилучшее. При этом ему приходится принимать во внимание часто 
противоречивые технологические и эксплуатационные требования, 
предъявляемые к проектируемому изделию. Нередко правильное решение может быть принято только после проведения сравнительных 
технико-экономических расчетов по конкурирующим конструктивным вариантам.
При конструировании одновременно должны решаться две основные задачи создания:
— машина должна в полной мере отвечать эксплуатационным требованиям;
— быть наиболее экономичной в изготовлении и обслуживании 
во время эксплуатации.
При конструировании изделия конструктор должен предусмотреть 
возможный метод получения заготовок каждой детали. В ряде случаев конструктор принимает во внимание специфические требования 
технологии термической обработки, а также требования технологии 

1.1. Проектирование и конструирование

окраски деталей. При конструировании изделия и его деталей учитывают также особенности механической обработки деталей и сборки.
Все перечисленные и другие требования технологии оказывают 
вполне определенное влияние на конструкцию изделия и его деталей. 
Поэтому общепризнанной является связь между конструкцией изделия и технологией его изготовления. С другой стороны, известно, что 
технологический процесс любого вида (получение заготовок, механическая обработка, сборка) зависит не только от конструкции изделия, 
но и от объема выпуска изделия. При единичном и мелкосерийном 
выпуске экономически оправдано выполнение пригоночных операций при сборке — подрубка, припиловка, шабрение. В крупносерийном и массовом производстве пригоночные операции нежелательны.
При единичном производстве широкое применение находят сварные детали простой формы и поковки, полученные ковкой. При массовом производстве широко применяют разные виды точного литья, 
а также горячую и холодную штамповку, чеканку, штампосварку и т. д.
Механическую обработку деталей изделия единичного производства 
выполняют на универсальном оборудовании простейшим инструментом и без специальных приспособлений.
В мелкосерийном производстве все шире применяются станки с программным управлением, в том числе «обрабатывающие центры», которые предъявляют определенные требования к конструкции деталей.
При крупносерийном и массовом производстве широкое применение находят специальное оборудование, а также специальные приспособления и инструмент, которые предъявляют свои специфические 
требования к конструкции изделия. Поэтому изделия единичного или 
мелкосерийного производства конструктивно отличаются от изделий 
массового выпуска. Следовательно, объем выпуска, технология и конструкция изделия находятся в тесной взаимосвязи.
Очевидно, что в современных условиях для создания технически 
грамотной конструкции изделия необходимо при его конструировании одновременно обеспечивать высокие эксплуатационные показатели и высокую степень технологичности конструкции.
Основные технологические требования к проекту:
1. Обоснование применения каждого механизма, каждой детали 
механизма, каждого элемента конструируемой детали.

2. Учет основных требований технологии сборки и разборки:
 
а) удобство сборки и регулировки;

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

б) удобство разборки, уменьшение объема ручных пригоночных 
операций на сборке;
в) уменьшение цикла сборки.

3. Соответствие конструктивных форм детали условиям технологии получения заготовки и технологии механической ее обработки при заданном объеме выпуска.

4. Экономное расходование материалов, особенно металла.
5. Широкое использование стандартных узлов и деталей.
6. Надежность смазки всех трущихся поверхностей деталей.
7. Обеспечение достаточных расстояний между деталями.
Таким образом, задача конструктора состоит в создании машин, 
отвечающих требованиям потребителя, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями. К ним относятся высокая производительность, экономичность, прочность, надежность, 
малая масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высокий ресурс долговечности и степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.
Помимо вышеперечисленных показателей при конструировании 
должны соблюдаться требования технической эстетики — машины должны иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку. Удельный 
вес каждого из перечисленных факторов зависит от назначения машины.
Таким образом, чтобы перечисленные требования к конструируемым машинам и механизмам и их показатели претворялись в жизнь, 
необходимо научиться конструировать активно, а именно: во-первых, 
не слепо копировать существующие образцы, а осмысленно, выбирая 
из всего многообразия существующих конструктивных решений наиболее целесообразные в данных условиях; во-вторых, уметь сочетать 
различные конструктивные решения и находить новые, улучшенные, 
т. е. конструировать с творческой инициативой; в-третьих, стремиться непрерывно улучшать показатели машин; в-четвертых, необходимо учитывать динамику развития промышленности и не создавать морально устаревшие машины.
Особое внимание следует уделять вопросам надежности и долговечности. Увеличение надежности и долговечности машин обычно 
связывают в первую очередь с переходом на новые высококачественные материалы, с совершенствованием технологии обработки деталей, 

1.1. Проектирование и конструирование

применением различных средств, способствующих уменьшению изнашивания. Однако основные качества новой машины или механизма закладываются в них на самой первой стадии проектирования, когда выбирается структурная схема и главные параметры.
Стоимость проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта машин значительно снижается благодаря стандартизации и унификации деталей машин.
Стандартизация играет большую роль в развитии человечества. 
Если бы не было стандартизации, то при проектировании новой машины пришлось бы большую часть деталей машин (болты, гайки, подшипники качения и др.) изготовлять при индивидуальном или мелкосерийном производстве. Вместо испытаний материалов стандартных 
марок потребовалось бы гораздо больше исследований, что осложнило бы кооперацию между предприятиями, отраслями и странами. 
Стандартизация принципиально сокращает необходимый типаж машин и других изделий.
Сложившаяся практика стандартизации деталей машин показывает, 
что выбор и обоснование объектов стандартизации из числа деталей 
не могут выполняться раздельно. Выбор детали должен быть обоснованным, а степень убедительности обоснования характеризует правильность выбора. Решение о рациональности выбора основывается 
на результате технико-экономических расчетов и исследований, проведение которых следует считать обязательным. Тем самым будут сведены к минимуму случаи непроизводительных затрат на отраслевую 
унификацию и стандартизацию.
Унификация — это многократное применение в машинах одних 
и тех же элементов конструкции, деталей и узлов. В результате унификации растет объем производства одних и тех же деталей, снижается стоимость их изготовления и уменьшается номенклатура запасных 
частей. Появляется возможность организации специализированного 
производства деталей и узлов двигателей.
Стандартизация, так же как нормализация и унификация, имеет целью повышение массовости, серийности производства машин и оборудования. Вместе с тем основная задача стандартизации — повышение качества машин и механизмов. Стандартизация — это система 
мероприятий по обеспечению единообразных обязательных свойств 
изделий и их частей. Стандартизованными могут быть также материалы, производственные процессы, методы испытаний и единицы из

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

мерений, конструкторская документация и пр. В России выпускаются национальные, государственные общесоюзные стандарты, а также 
межотраслевые, отраслевые и заводские нормы. Под нормализацией понимается стандартизация, проводимая в масштабе одной или 
нескольких отраслей либо предприятия.
Распространение стандартизации на группы машин потребовало 
разработки типажа машин с взаимной увязкой их основных параметров (в частности, мощности электродвигателей, грузоподъемности 
грузовых автомобилей и т. п.).
Стандартизация и унификация деталей упрощают машину, ускоряют проектирование новых машин, создают возможность массового или 
крупносерийного производства стандартных деталей с применением 
наиболее прогрессивных методов, снижают трудоемкость изготовления деталей, сокращают количество станков, инструментов, моделей, 
дают возможность использовать стандартный инструмент, уменьшают 
расход машиностроительных материалов и запасных частей, облегчают и ускоряют ремонт машин.

1.2. Основные критерии работоспособности  
деталей машин

Прочность. Является главным критерием работоспособности большинства деталей. Разрушение деталей и частей машины вследствие 
потери прочности приводит не только к простоям, но и к несчастным случаям.
При оценке прочности все нагрузки разделяют на постоянно действующие и переменные. К постоянным можно отнести нагрузку 
от действия силы тяжести, например от начальной затяжки болтов. 
При этом они также могут быть переменными: при вращении вала 
часть волокна растягивается, часть сжимается. Чисто переменные напряжения вызываются спецификой работы деталей и узлов (поршни 
ДВС, газодинамика потока в турбине и т. д.).
Различают разрушение деталей из-за потери статической прочности 
или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел