Техническая механика: расчет и конструирование механических передач

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ 
ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ 
СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ 
ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ 
ГПС МЧС РОССИИ 
 
 
   
 
Фадеев А.А., Снежко А.А. 
 
 
 
ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА: 
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ 
ПЕРЕДАЧ 
 
 
Учебное пособие 
 
Допущено Ученым советом ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная 
академия ГПС МЧС России в качестве учебного пособия для обучающихся по 
специальности 20.05.01 Пожарная безопасность и  
направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Железногорск  
2023 

УДК 621.8 
ББК 34.445 
 
 
Авторы: Фадеев Александр Александрович, канд. техн. наук 
Снежко Александра Александровна, канд. техн. наук 
 
Рецензенты:  
 
Мальцев Алексей Сергеевич, кандидат технических наук  
(Воронежский институт повышения квалификации сотрудников  
ГПС МЧС России) 
Гузанов Борис Николаевич, доктор технических наук 
(Российский профессионально-педагогический университет) 
 
 
 
Фадеев А.А., Снежко А.А. Техническая механика: расчет и 
конструирование механических передач [Текст]: учебное пособие / А.А. 
Фадеев, А.А. Снежко – Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарноспасательная академия ГПС МЧС России, 2023. – 230 с.: ил. 
 
 
Учебное пособие представляет собой систематизированное, логически 
последовательное изложение разделов дисциплины «Техническая механика. 
Надежность 
технических 
систем», 
связанных 
с 
проектированием 
механических передач и привода. В учебном пособии рассмотрены основные 
методы проектного и проверочного расчетов основных видов механических 
передач, 
показаны 
принципы 
и 
последовательность 
расчета, 
дана 
последовательность построения чертежа элемента передачи с помощью 
средств САПР, предложены задания для практических и самостоятельных 
работ. 
Учебное 
пособие 
предназначено 
для 
выполнения 
расчетнографических и самостоятельных работ по дисциплине «Техническая 
механика. 
Надежность 
технических 
систем» 
обучающимися 
по 
специальности 20.05.01 Пожарная безопасность и направлению подготовки 
20.03.01 
Техносферная 
безопасность 
и 
способствует 
формированию 
необходимых навыков работы по проектированию и расчету механических 
передач и привода для практической деятельности в области обеспечения 
пожарной безопасности 
 
© ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2023 
© Фадеев А.А., Снежко А.А., 2023 
 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение 
................................................................................................................... 6 
1. 
Общие сведения ............................................................................................. 9 
1.1. Основные термины и определения ......................................................... 9 
1.2. Основные кинематические и силовые соотношения в передачах ..... 15 
1.3. Зубчатая передача ................................................................................... 16 
1.4. Выбор материалов зубчатой передачи ................................................. 18 
1.5. Примеры 
использования 
механических 
передач 
в 
пожарноспасательной технике ........................................................................................... 21 
Контрольные вопросы и задания 
................................................................... 32 
2. 
Кинематический расчет привода ............................................................... 33 
2.1. Выбор электродвигателя. ....................................................................... 33 
2.2. Определение общего передаточного отношения и его разбивка по 
ступеням. ................................................................................................................ 37 
2.3. Определение кинематических и силовых параметров привода 
......... 38 
2.4. Пример кинематического расчета ......................................................... 40 
Контрольные вопросы и задания 
................................................................... 43 
3. 
Расчет зубчатых передач 
............................................................................. 44 
3.1. Определение допускаемых напряжений .............................................. 44 
3.2. Расчет закрытой цилиндрической передачи ........................................ 48 
3.2.1. 
Проектный расчет закрытой цилиндрической передачи ........ 48 
3.2.2. 
Проверочный расчет закрытой цилиндрической передачи .... 54 
3.2.3. 
Проектный расчет открытой цилиндрической передачи 
........ 61 
3.2.4. 
Пример расчета закрытой цилиндрической передачи ............ 62 
3.3. Расчет закрытой конической передачи 
................................................. 71 
3.3.1. 
Проектный расчет закрытой конической передачи 
................. 71 
3.3.2. 
Проверочный расчет закрытой конической передачи ............ 77 
3.3.3. 
Особенности расчета открытой конической передачи ........... 80 
3.3.4. 
Пример расчета закрытой конической передачи 
..................... 82 
3.4. Расчет червячной передачи 
.................................................................... 89 
3 

3.4.1. 
Выбор материалов для червячных передач и определение 
допускаемых напряжений 
................................................................................. 89 
3.4.2. 
Проектный расчет закрытой червячной передачи .................. 93 
3.4.3. 
Проверочный расчет закрытой червячной передачи ............ 100 
3.4.4. 
Тепловой расчет червячной передачи .................................... 103 
3.4.5. 
Расчет червяка на жесткость 
................................................... 104 
3.4.6. 
Пример расчета червячной передачи ..................................... 105 
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 112 
4. 
Расчет открытых механических передач 
................................................. 113 
4.1. Расчет плоскоременной передачи ....................................................... 113 
4.1.1. 
Проектный расчет плоскоременной передачи 
....................... 113 
4.1.2. 
Пример расчета плоскоременной передачи 
........................... 123 
4.2. Расчет клиноременной и поликлиноременной передачи 
.................. 127 
4.2.1. 
Проектный расчет клиноременной передачи ........................ 128 
4.2.2. 
Пример расчета клиноременной передачи ............................ 137 
4.2.3. 
Проектный расчет передачи поликлиновым ремнем 
............ 141 
4.3. Расчет передачи зубчатым ремнем 
...................................................... 148 
4.3.1. 
Проектный расчет зубчато-ременной передачи .................... 148 
4.3.2. 
Пример расчета зубчато-ременной передачи ........................ 157 
4.4. Расчет передачи втулочно-роликовой цепью..................................... 160 
4.4.1. 
Проектный расчет цепной передачи ...................................... 163 
4.4.2. 
Пример расчета цепной передачи 
........................................... 168 
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 173 
5. 
Построение 
чертежа 
колеса 
передачи 
с 
помощью 
системы 
автоматизированного проектирования КОМПАС 
........................................... 175 
5.1. Этапы построения чертежа зубчатого колеса цилиндрической 
передачи................................................................................................................ 175 
5.2. Этапы построения чертежа зубчатого колеса червячной передачи 190 
Контрольные вопросы и задания ................................................................. 207 
6. 
Варианты заданий для выполнения самостоятельной работы 
.............. 208 
4 

Заключение .......................................................................................................... 217 
Библиографический список ............................................................................... 218 
Приложения ......................................................................................................... 220 
5 

Введение 
 
Одним из современных требованием к специалистам пожарной и 
техносферной безопасности 
является 
повышение 
уровня 
умений и 
компетенций и в области эксплуатации пожарной и спасательной техники. 
Особенность использования такой техники заключается не только в 
необходимости обеспечения ее высокой работоспособности и надежности 
при чрезвычайных ситуациях, но и в умении прогнозирования и расчета 
рисков, возникающих при эксплуатации, на весь период жизненного цикла. 
Обеспечение 
этих 
условий 
предполагает 
помимо 
глубоких 
профессиональных 
узкоспециализированных 
знаний 
обладание 
специалистами еще и общетехнических знаний, связанных с разработкой и 
эксплуатацией специальной техники. 
Одним из общеинженерных курсов, позволяющих получить такие 
знания 
является 
дисциплина 
«Техническая 
механика. 
Надежность 
технических систем». В рамках данной дисциплины рассматриваются такие 
важные вопросы: теория прочности конструкций, проектирование и 
конструирование узлов и деталей машин. Освоение данных разделов 
повышает общетехнический уровень образованности специалистов по 
пожарной и техносферной безопасности, позволяет им более эффективно 
решать задачи по эксплуатации (модернизации) техники.  
Рассматривая непрерывность образовательного процесса необходимо 
отметить, что материал дисциплины «Техническая механика. Надежность 
технических систем» (в области проектирования и конструирования узлов и 
деталей машин) может использоваться для практического закрепления в 
рамках дисциплин «Пожарная и спасательная техника, базовые машины», 
«Пожарная техника (НПП)». 
В соответствии с рабочей программы дисциплины «Техническая 
механика. Надежность технических систем» (в части раздела «Детали 
машин») в рамках данного учебного пособия рассматривается тема 
6 

проектирования привода общего и специального назначения, включающая 
кинематический 
расчет 
(с 
определением 
основных 
силовых 
и 
кинематических параметров), а также механических передач (это проектный 
расчет передачи с определением основных геометрических размеров и 
проверочный расчет по критериям работоспособности).  
При разработке учебного пособия в качестве основных источников 
использовались учебники [1,2] и учебные пособия [3,4]. 
Целями учебного пособия являются: 
– изучение и закрепление некоторых вопросов технической механики 
раздела детали машин; 
– приобретение 
практического 
опыта 
проектировочного 
и 
проверочного расчета основных типов механических передач; 
– приобретение практического опыта оптимизации выбора вариантов 
проектных решений, исходя из  целей и задач проектирования привода; 
– приобретение 
практического 
опыта 
выполнения 
отдельных 
элементов конструкторской документации на  основе расчетных данных 
средствами САПР.  
Первая глава дает общие сведения, термины и определения по разделу 
детали машин. Дается общая классификация механических передач и 
привода,  а также, их условное обозначение и правила построения. 
Во второй главе приведена методика кинематического расчета привода 
рабочей машины. Исходя из начальных данных, проводится определение 
основных кинематических и силовых параметров привода. Для понимания 
логики и  последовательности расчета приведен пример.  
Третья и четвертая главы посвящены расчету основных типов 
механических передач: цилиндрическая, коническая, червячная, ременная и 
цепная. Расчет проводится в 2 этапа: проектный расчет с определением 
основных геометрических параметров и проверочный расчет по критериям 
работоспособности. 
Пятая глава посвящена выполнению чертежа (на примере) одного из 
7 

элементов передачи с использованием САПР Компас 3D. 
Решения задач во второй, третьей, четвертой и пятой главах – 
многовариантны. Поэтому на каждом этапе расчета решается задача 
оптимизации по выбору параметров и  критериев  привода и передач, исходя 
из начальных данных и предполагаемых условий эксплуатации. 
В приложении изложен материал, включающий расчетно-графическую 
часть работы, пример оформления расчетно-пояснительной записки, 
справочные материалы для использования в расчетах, а также даны варианты 
заданий на самостоятельную работу. 
Данное учебное пособие предназначено для выполнения расчетнографических и самостоятельных работ обучающимися по специальности 
20.05.01 Пожарная безопасность и направлению подготовки 20.03.01 
Техносферная безопасность очной и заочной форм обучения. 
 
8 

1. Общие сведения 
1.1. Основные термины и определения 
Передача – механизм для передачи непрерывного вращательного 
движения или преобразования его в непрерывное поступательное движение 
[5]. 
В 
зависимости 
от 
вида 
передаваемой 
энергии 
передачи 
классифицируются: механические, гидравлические (пневматические) и 
электрические. 
Механические передачи – механизмы для передачи энергии от 
двигателя к рабочей машине (инструменту), как правило, с преобразованием 
скоростей и моментов, а иногда — с преобразованием видов (например, 
вращательное в поступательное) и законов движения. 
Механические передачи классифицируются: 
По принципу передачи движения: 
− передачи трением; 
− зацеплением; 
По способу соединения деталей: 
− передачи с непосредственным контактом тел вращения; 
− передачи с гибкой связью. 
В табл. 1.1 показаны виды передач согласно классификации. 
 
Таблица 1.1 
Классификация механических передач 
 
По принципу передачи движения 
Передача зацеплением 
Передача трением 
Непосредственный 
Цилиндрическая, коническая, 
червячная, планетарная, 
контакт тел 
Фрикционная 
вращения 
волновая, винт-гайка 
деталей 
По способу 
соединения 
Гибкая связь 
Цепная, зубчато-ременная 
Ременная 
 
По характеру изменения скорости: 
9 

− Редуктор (от лат. reducere - приводить обратно, отодвигать назад, 
возвращать) — понижающая передача, включающая в себя систему 
взаимодействующих звеньев, заключенных в единый корпус.  
− Мультипликатор – повышающая передача, включающая в себя 
систему взаимодействующих колес, заключенных в единый корпус. 
− регулируемые (со ступенчатым регулированием и бесступенчатым 
(плавным) регулированием); 
− нерегулируемые; 
По взаимному расположению осей валов в пространстве (рис.1.1): 
− с параллельными осями; 
− с пересекающими осями; 
− с перекрещивающимися осями; 
− соосными. 
 
  
 
а) 
 
 
 
 
 
б)  
 
 
 
 
в) 
 
 
 
 
 
г)   
 
Рис.1.1 Классификация механических передач по взаимному расположению осей 
валов в пространстве: а – с параллельными осями; б – с пересекающимися осями; в – с 
перекрещивающимися осями; г – соосные 
10 

По характеру изменения передаточного отношения (числа): 
− передачи с постоянным передаточным отношением; 
− передачи с переменным (изменяемым по величине и/или  
направлению) передаточным отношением. 
По характеру движения валов: 
− простые передачи, в которых валы вращаются лишь вокруг своих 
осей, а оси валов и сопряженные с ними детали остаются в 
пространстве неподвижными; 
− планетарные передачи, в которых оси и сопряженные с ними 
детали (сателлиты) перемещаются в пространстве. Разновидность 
планетарных передач – волновые передачи. 
По подвижности осей и валов: 
− передачи с неподвижными осями валов – рядовые (коробки 
скоростей, редукторы); 
− передачи с подвижными осями валов (планетарные передачи, 
вариаторы с поворотными роликами). 
По числу ступеней (отдельных передач, связанных и одновременно 
участвующих в передаче и преобразовании движения) (рис.1.2): 
− одноступенчатые; 
− многоступенчатые. 
 
 
 
а)  
 
 
 
 
 
б) 
Рис.1.2 Классификация механических передач по числу ступеней: а – 
одноступенчатые; б – двухступенчатые.  
11 

По конструктивному оформлению: 
− открытые (не имеют общего закрывающего их корпуса); 
− полузакрытые, смонтированные в легкий защитный кожух, который 
не выполняет силовых функций; 
− закрытые, заключенные в общий прочный и жесткий корпус, 
объединяющий 
все 
подшипниковые 
узлы 
и 
выполняющий 
герметизацию и постоянную смазку передачи. 
Обозначения 
элементов 
привода 
и 
механических 
передач 
в 
кинематических схемах показаны в табл. 1.2. 
 
Таблица 1.2 
Обозначения элементов привода и механических передач 
Наименование 
Обозначение 
Электродвигатель 
 
Муфта (без уточнения типа) 
 
Подшипник (без уточнения типа) 
 
Цилиндрическая передача: 
а) прямозубая, б) косозубая, в) 
шевронная 
 
а)                    б)                    в) 
Коническая передача 
 
 
12 

Окончание таблицы 1.2 
Наименование 
Обозначение 
Червячная передача 
 
Ременная передача 
а) плоскоременная,  
б) клиноременная 
 
Цепная передача 
 
 
Необходимость использования механических передач  диктуется 
следующими соображениями: 
1) требуемые скорости движения рабочих органов машин, как правило, 
не совпадают с наивыгоднейшими скоростями двигателя; 
2) в большинстве машин необходимо регулировать скорость движения, 
между тем регулирование скорости двигателя не всегда возможно и 
целесообразно; 
3) вал двигателя совершает вращательное движение обычно с 
постоянной скоростью, а в машинах часто требуются еще возвратнопоступательные, винтовые и другие движения; 
4) иногда непосредственно соединить валы двигателя и рабочие 
машины нельзя по соображениям безопасности, удобства обслуживания или 
заданных габаритов. 
13