Детали машин и основы конструирования: Основы расчета и проектирования соединений и передач

В.А. ЖУКОВ
ДЕТАЛИ МАШИН 
И ОСНОВЫ 
КОНСТРУИРОВАНИЯ
ОСНОВЫ РАСЧEТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
СОЕДИНЕНИЙ И ПЕРЕДАЧ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
2-е издание
Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки
«Технологические машины и оборудование»
(квалификация (степень) «бакалавр»)
Москва
ИНФРА-М
20

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11
УДК  621(075.8)
ББК  30.12:34.44я73
 
Ж86
Р е ц е н з е н т ы: 
П.М. Лысенков, д-р техн. наук, директор по научной работе предприятия 
«SIGMA Co.Ltd.»; 
С.А. Соколов, д-р техн. наук, профессор СПбГПУ
Жуков В.А.
Детали машин и основы конструирования: основы расчета 
Ж86
и проектирования соединений и передач : учебное пособие / 
В.А. Жуков. — 2-е изд. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 416 с. — 
(Высшее образование). — %0*
10.12737/7597. 
ISBN 978-5-16-018844-7 (print)
ISBN 978-5-16-106098-8 (online)
В первый раздел учебного пособия «Основы проектирования механизмов» 
включены учебные материалы, в основном соответствующие циклу лекций. Второй 
раздел «Механические передачи» рекомендуется для самостоятельного изучения 
при курсовом проектировании, в том числе по программам других специальных 
дисциплин.
Учебное пособие соответствует дисциплине «Детали машин и основы конструирования» согласно ФГОС подготовки бакалавров по направлениям: «Энергетическое 
машиностроение», «Металлургия», «Машиностроение», «Технология машиностроения и оборудование», «Прикладная механика», «Конструкторско-технологическое 
обеспечение машиностроительного производства», «Наземные транспортно-технологические комплексы».
УДК 621(075.8)
ББК 30.12:34.44я73
ISBN 978-5-16-018844-7 (print)
ISBN 978-5-16-106098-8 (online)
©  Жуков В.А., 2011
©  Жуков В.А., 2015, с изменениями
Подписано в печать 22.05.2023.
Формат 60 × 90/16. Бумага офсетная. Г
арнитура Newton. 
Усл. печ. л. 26,0.
ППТ20. Заказ № 00000.
ТК  342100-2067369-250215
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86.     Факс: (495) 280-36-29.
E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru

ВВЕДЕНИЕ 
 Целью учебной дисциплины «Детали машин и основы конструирования» является становление начального уровня компетентности в области 
проектирования машин и механизмов, а именно: 
- знание основ проектирования механизмов и методов оценки надёжности деталей и узлов; 
-  умение составлять расчётные схемы типовых деталей машин и проводить оценку их надёжности расчётными методами;  
-  опыт проектирования типовых механизмов; 
-  опыт профессионального взаимодействия.  
В данной дисциплине рассматриваются приложения законов механики, изучаемых в учебных дисциплинах «Теоретическая механика» и «Сопротивление материалов», а также знаний в области технологии конструкционных материалов к решению задач проектирования механизмов и типовых деталей машин.  
Согласно образовательной программе учебная дисциплина «Детали 
машин и основы конструирования» должна обеспечивать переход от умения решать учебные задачи к умению решать профессиональные задачи. 
Принципиальное отличие учебных задач от задач профессиональных состоит в следующем.  
1. Результат решения учебной задачи всегда однозначно определён. 
Так, результат решения алгебраического уравнения не зависит от того, кем 
оно решено. Напротив, результат решения профессиональной задачи многовариантен, обусловлен субъективными предпочтениями, опытом и всей 
системой знания, которое известно данному специалисту или группе специалистов к моменту завершения  решения данной задачи. Не исключено, 
что решение при сегодняшнем уровне развития техники и технологии вообще не существует. 
2. При решении учебной задачи используются готовые теоретические модели (расчётные схемы, формулы, вычислительные программы), 
которые считаются соответствующими поставленной задаче. Напротив, 
представление проектируемых объектов техники и технологии в форме 
моделей для последующего анализа и расчётов, как правило, является задачей разработчиков проекта. Далеко не всегда известна степень соответствия (адекватности) принятых моделей реальному объекту.  
3. Процесс решения учебной задачи можно представить алгоритмом, 
т.е. предписанием последовательности операций, выполнение которых 
приводит к одному и тому же конечному результату. Ход решения профессиональной задачи только в самом простейшем случае может быть указан 
последовательностью нескольких этапов. Информация, полученная на каждом предыдущем этапе, в том числе на основе субъективных предпочтений, используется в качестве исходной для последующих этапов решения. 
 
3

Соответственно, в процессе решения профессиональной задачи не только 
привлекается новая, но и вырабатывается ранее неизвестная информация.  
4. Решение учебной задачи направляется известным учащимся научным знанием; а решение профессиональной задачи - поставленной целью, 
достижение которой позволило бы разрешить некоторую проблему общества, производства, Человека. При этом научное знание используется как 
одно из средств направления поиска и обоснования возможности достижения желаемого результата. 
Естественно, что в образовательном процессе не могут быть воспроизведены полностью условия формирования и принятия решений профессиональных задач. Поэтому 
профессионально ориентированные задачи, решаемые в образовательном процессе, 
обычно называют учебно-профессиональными. 
В процессе изучения учебной дисциплины «Детали машин и основы 
конструирования» задачи, предлагаемые для самостоятельного решения, 
усложняются, начиная с уровня учебных задач.  
Простейшая структура решения учебной задачи (рис. В1) такова: 
- принцип, закон или правило указывает 
Принцип 
преподаватель; 
- имеется набор учебных задач, которые 
З1 
З2 
З3 
Исходные   
   данные 
можно решить, используя данный закон или 
принцип; 
- структурную и расчётную модели, исМодель 
Д1 
пользуемые при решении таких задач (схемы, 
математические формулы, типовые алгоритмы), представляет преподаватель;  
Д2 
- преподаватель предъявляет и демонстПроцесс 
решения 
Дn 
рирует последовательность простых действий при решении задач на основе данной модели; 
Результат 
- учащиеся решают задачи, выполняя 
аналогичные действия. 
З1 
З2 
З3 
 
Пример задачи В.1. Определить движущую сиРис. В.1 
лу Fдв при подъёме груза весом Q по наклонной плоскости; угол наклона α, коэффициент трения  f.  
Fдв 
Принцип - условия равновесия материальной точки при наличии сил трения. 
Построение расчётной  модели:  
 
- указать активные силы, действующие на 
N 
α 
груз, находящийся на наклонной плоскости; 
Fдв 
Q 
 
- указать силы, действующие на груз со стороны 
наклонной плоскости при подъёме груза; 
α 
Fтр 
 
Q 
 
 
4

N 
Fдв 
х 
 
- указать координатные оси. 
у 
 
 
α 
Fтр 
О 
Q 
 
Процесс решения на основе выполнения простых действий: 
Д1 - составление системы уравнений равновесия груза под действием всех сил 
при постоянной скорости подъёма груза: Σ Fxi = 0 и Σ Fyi = 0. 
Д2 - замена Fтр в уравнениях равновесия груза по формуле Fтр= f N. 
Д3 - решение системы уравнений относительно Fдв  и выполнение проверки:  
                                                           Fдв = f Q  при α = 0 и  Fдв = Q  при α = 90ƒ. 
Примечание. Условия других задач отличаются, например направлением силы  Fдв 
при подъёме или спуске груза. 
Более сложной является структура решения учебных задач (рис. В.2) 
на основе одного принципа, но с использованием различных расчётных 
моделей, указанных преподавателем.  
Многообразие моделей не позволяет сфорПринцип 
З1 
З2 
Зn 
Исходные   
   данные 
Ɇ2 
Ɇn 
Ɇ1 
ОД1 
ОД2 
Процесс 
решения 
ОДт 
мировать схему решения, подобную показанной  на рис. В1. Преподаватель в этом случае формирует последовательность обобщённых действий. На примере одной - двух задач 
данного типа он демонстрирует развёртывание 
обобщённых действий в последовательность 
простых действий. В дальнейшем при самостоятельном решении других задач этого же 
типа учащиеся самостоятельно формируют последовательность простых действий в пределах 
каждого обобщённого действия.   
Развёртывание обобщённых действий в 
Результат 
простые и представляет основную трудность 
решения таких задач. 
Возможны несколько вариантов выполнеЗ1 
З2 
З3 
Рис. В.2 
ния обобщённых действий, поэтому путь решения одной и той же задачи не единственный. Но 
результат решения однозначен. 
Пример задачи В.2. Построить эпюры перерезывающей силы Qy и изгибающего 
момента Mz  для данной расчётной схемы балки (ось Ох направлена вдоль оси балки, 
ось Оу перпендикулярна оси балки). 
Принцип.  Перерезывающая сила Qy и изгибающий момент Mz - это результат 
действия внутренних сил в рассматриваемом сечении балки или стержня находящихся 
под действием внешних нагрузок. Значения силы Qy и момент Mz можно определить на 
основе условий равновесия мысленно отсечённой части балки. Следовательно, 
- перерезывающая сила Qy в данном сечении равна сумме проекций на ось Оу 
всех внешних сил, действующих справа (или слева) от данного сечения; 
 
5

- изгибающий момент Mz в данном сечении равен сумме внешних моментов сил 
относительно оси Оz,  действующих справа (или слева) от данного сечения. 
Процесс решения на основе выполнения обобщённых действий: 
ОД1 - определение реакций опор. 
ОД2 - составление зависимости Qy(х) от расстояния х данного сечения до начала 
координат. 
ОД3 - составление зависимости Mz(х) от расстояния х данного сечения до начала 
координат.  
ОД4 - вычисление значений Qy(х) и Mz(х) в характерных сечениях. 
Значение Qy считается положительным, если сумма проекций сил слева от данного сечения  положительна. Значение Mz.считается положительным, если сумма моментов сил слева от данного сечения направлена по часовой стрелке.  
ОД5 -  построение эпюр Qy(х) и Mz(х) и выполнение проверки с применением 
дифференциальных зависимостей dMz /dx = Qy и dQy /dx = - q. 
Процесс решения учебной задачи 
Задача 
Пр1 
Прp 
Пр2 
существенно усложняется при наличии 
нескольких принципов и возможных расчётных моделей (рис. В.3). В этом случае 
необходимо 
Ɇ1 
Исходное   
   знание 
Ɇ2 
Ɇn 
- установить, какой принцип или 
принципы следует использовать; 
-  выбрать из известных моделей ту, 
     Прi 
Ɇj 
Ɇk 
Процесс 
решения 
ОД1 
которая в наибольшей степени соответствует условиям задачи, или построить новую, объединив несколько известных моделей; 
- составить план решения, т.е. из 
ОД2 
ОДт 
уже известных обобщённых действий 
самостоятельно разработать новую последовательность; 
Результат 
- развернуть обобщённые действия в 
простые действия. 
Рис. В.3 
Примечание. Примером учебных задач третьего типа могут служить конкурсные 
задачи по курсу физики и теоретической механики.  
Практическая составляющая учебной дисциплины «Детали машин и 
основы конструирования» ориентирована на формирование способности 
адаптивного проектирования, осуществляемого на основе использования 
моделей (схем, формул, чертежей конструкций и т.п.), соответствие которых реальным процессам и явлениям подтверждено практикой создания и 
эксплуатации аналогичных технических объектов. По существу задача 
проектирования в этом случае сводится к адаптации (приспособлению) 
имеющихся прототипов  механизмов, узлов и деталей к новым условиям 
эксплуатации, при которых известные модели считаются адекватными.  
 
6

Схема решения задачи адаптивного проектирования подобна схеме, 
представленной на рис. ВЗ. Но результат решения не однозначен. 
 Неоднозначность результата в данном случае обусловлена необходимостью самостоятельного ввода информации, не представленной в задании 
на проектирование. Дополнительная информация вводится с учётом рекомендаций стандартов, технической литературы, а в некоторых случаях на 
основе субъективных предпочтений разработчика проекта.  
Как правило, такой ввод осуществляется при выполнении практически любых обобщённых действий. Соответственно, возрастает число вариантов возможных направлений поиска решения.  
Существует две стратегии поиска решения задач проектирования.  
Согласно первой стратегии разрабатывается одно из направлений поиска до конечного результата, затем другое, третье и т.д. Из полученных вариантов решения выбирается наиболее рациональный согласно некоторым социальным и экономическим 
критериям. Эта стратегия приводит с значительным затратам труда и времени. По второй стратегией поиск и  выбор рационального варианта осуществляется на каждом этапе разработки проекта. Такая стратегия позволяет существенно сократить затраты времени и труда. Однако решения, рациональные поэтапно, могут привести к окончательному нерациональному результату. Поэтому на практике используются обе стратегии 
совместно. Разрабатывается несколько вариантов проекта, в большей или меньшей степени рациональных на каждом из этапов проектирования. Из них и выбирается вариант 
проекта для  последующей разработки рабочей документации. Но и в этом случае не 
исключено, что полученный вариант решения будет правильным, но не рациональным.  
По данным американского общества инженеров только один - два из 60 вариантов 
проекта доводятся до изготовления спроектированного изделия.    
Согласно ГОСТ 2.103 - 68 процесс проектирования, в том числе адаптивного проектирования представлен пятью этапами.  
Первый этап - разработка технического задания (ТЗ), в котором указаны наименование и назначение технического объекта, его технические  и 
иные показатели (производительности, надёжности и долговечности, экономичности и т.п.), определены условия эксплуатации, а также сроки выполнения и затраты на разработку проекта.  
В учебном процессе ТЗ разрабатывается преподавателем, который обычно указывает принцип действия проектируемого технического объекта, а также значения нагрузок, режим работы, требуемый ресурс технического объекта, вид производства и т.д. 
На основе ТЗ разрабатывается техническое предложение, результатом 
которого является оценка возможности разработки проекта и его целесообразности, обоснование выбора для дальнейшей разработки наиболее рационального варианта из нескольких возможных.  
В учебном проектировании выбор варианта выполняется  на основе критериев, 
указанных руководителем проекта или принятым самим студентом. Это могут быть ограничения по массе, габаритам, по используемым материалам и т.п.  
 
7

На этапе эскизного проекта создаются несколько вариантов основных 
узлов и общих видов технического объекта согласно проекту, принятому 
для разработки на основе анализа технического предложения.  
В учебном процессе студент разрабатывает несколько эскизов общих видов и основных узлов, предъявляет их руководителю с обоснованием выбора наиболее рационального варианта.  
На основе эскизного проекта, принятого для дальнейшей разработки, 
создаётся технический проект. На этапе технического проекта разрабатываются общие виды технического объекта, его узлов, дающие полное представление об устройстве проектируемого объекта. Выполняются проверочные расчёты и выбор материалов, уточняются основные параметры узлов и деталей, способы оценки и контроля качества функционирования 
всего объекта и его основных элементов, оценивается соответствие требованиям безопасной работы персонала и т.п. В состав технического проекта 
входят спецификации, сборочные чертежи с указанием требований к качеству сборки и пояснительная записка с необходимыми обоснованиями и 
расчётами.  
Создание технического объекта, не имеющего аналогов,  сопровождается, как 
правило, теоретическими и экспериментальными исследованиями (лабораторными, 
стендовыми, полигонными). Необходимость таких исследований определяется на этапе 
эскизного проектирования. По результатам исследований вносятся соответствующие 
коррективы на всех этапах создания нового технического объекта вплоть до принятия 
решения о серийном производстве этого объекта. 
Разработки рабочей документации обеспечивает создание документации, необходимой для изготовления проектируемого объекта (чертежи 
общих видов, узлов и деталей с указанием требований к точности изготовления и качеству материалов, спецификации и документация на изготовление, условия сборки, испытания и эксплуатации).  
Таким образом, в процессе проектирования содержание проекта развивается от постановки задачи создания технического объекта определённого назначения, обоснования принципа действия и разработки общих видов его конструкции к разработке конструкции отдельных узлов и деталей.   
Инженерная деятельность - это практическая деятельность. Её результат зависит во многом от достигнутого уровня развития науки, техники и технологии. Умение находить необходимую научно-техническую информацию и рационально использовать эту информацию является важнейшей составляющей как производственной, так и учебной проектной 
деятельности. 
 
8

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ 
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ 
1. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ, 
ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ, НАДЁЖНОСТЬ 
1.1.  КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 
Создание и эксплуатация любого технического объекта (далее ТО), в 
конечном счёте, направлены на преобразование среды жизнедеятельности 
людей, в том числе  производственной. 
Работоспособность (готовность по ГОСТ Р 53480-2009) - это состояние технического объекта, при котором он соответствует требуемому 
назначению (с целью удовлетворения общественных, производственных 
или индивидуальных потребностей) и сохраняет значения заданных параметров в условиях, предписанных нормативно-технической документацией 
(НТД). 
Определение понятия «работоспособность» включает в себя описание 
двух основных свойств ТО: 
- функциональности как свойство ТО соответствовать его назначению;  
-  надёжности как свойство сохранять требуемое состояние ТО при 
действии различных факторов в условиях эксплуатации и хранения. 
Исходным моментом анализа существующего ТО и анализа технического задания на проектирование ТО является описание его назначения и 
функций. Такой подход называется функциональным. Рассмотрим классификацию технических объектов согласно функциональному подходу. 
При создании любого технического объекта (автомобиля, атомной 
подводной лодки, доменной печи и т.п.) инженеры руководствуются  законом сохранения энергии.   
Энергия в физических, химических и технических науках - это физическая величина, являющаяся наиболее обобщённой количественной мерой всех известных форм движения. Согласно закону сохранения энергия 
изолированной группы объектов остаётся неизменной (инвариантной) при 
любых взаимодействиях между этими объектами.  
В курсе «Детали машин и основы конструирования» изучаются научные основы и способы обеспечения требуемого функционирования технических объектов с механическим взаимодействием этих объектов и их частей. Под механическим взаимодействием понимается такое взаимодействие, в результате которого могут измениться: 
-  положение  тел друг относительно друга; 
-  скорость относительного движения тел; 
-  размеры  и  форма взаимодействующих тел. 
 
9

Примечание. Термин «тело» в механике используется по отношению к макроскопическим объектам, т.е. к объектам, характеризуемым макроскопическими параметрами (плотность, давление, достаточная для восприятия невооружённым глазом протяжённость объекта и т.п.) 
Физическая величина, характеризующая ту часть движения, которая 
передаётся от одного тела к другому механическим взаимодействием, называется работой.  
При исследовании и проектировании технических объектов, изучаемых в курсе «Детали машин и основы конструирования», как правило, 
достаточно учитывать количественное изменение только трёх форм энергии, представленных I-ым законом термодинамики:  
                                           δU = δQ  δW,                                              (1.1) 
где δU - изменение внутренней энергии, т.е. той части энергии, которая характеризует все формы движения и взаимодействия внутри тел; 
δQ -  изменение энергии теплового движения, т.е. хаотического движения микрочастиц, из которых состоят тела (тепловой энергии); 
δW -  изменение энергии в форме работы (механической энергии), совершаемой телами изолированной группы при взаимодействии их друг с 
другом.   
Согласно закону сохранения энергии, представленному в виде (1.1) 
движение и взаимодействие в изолированной группе тел осуществляется 
так, что увеличение энергии любой формы движения происходит в результате уменьшения энергии хотя бы одной из остальных форм движения. 
Ниже приведена классификация ТО в зависимости от основной функции, которую, по замыслу создателей, выполняет данный ТО (рис. 1.1).  
1. Реакторы (тепловые, атомные, химические) - это ТО, основной 
функцией которых является высвобождение внутренней энергии вещества 
в форме теплоты (δU → δQ) или использование энергии в форме теплоты 
для изменения внутренней энергии вещества (δQ → δU).  
   Механизмы (W = idem, δQ → 0)
δU = δQ  δW 
(δQ      δU) Реакторы
Машины (δQ, δU      δW) 
 
 
 
 
 
     Связи (W → 0, δQ → 0)
 
   
 
  Сочленения (υ
υ
υ
υ ≠
≠
≠
≠0)
Соединения (υ
υ
υ
υ = 0) 
Рис. 1.1. Схема классификации технических объектов  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10