Детали машин

ДЕТАЛИ МАШИН

УЧЕБНИК

МОСКВА

КУРС 

ИНФРА-М 

Н.Г. Куклин, Г.С. Куклина, В.К. Житков

УДК 
621.81(075.8)

ББК 
34.44я73

 
К89

Куклин Н.Г., Куклина Г.С., Житков В.К.
Детали машин: Учебник. 9-е изд., перераб. и доп. / Н.Г. Куклин, 

Г.С. Куклина, В.К. 
.
— 

512 с.: ил.

ISBN 978-5-905554-84-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-010637-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103302-9 (ИНФРА-М, online)

Изложены основы теории, расчета и принципы конструирования деталей 

и узлов машин общего назначения. Приведены примеры расчетов с подробными 
решениями и методическими указаниями.

Учебник предназначен для обучающихся по специальностям технического 

профиля среднего профессионального образования (колледжей, техникумов), 
а также может быть полезен студентам вузов и инженерно-техническим 
работникам.

  
УДК 621.81(075.8)

 
ББК 34.44я73

К89

 
©  Куклин Н.Г.,  

 
     Куклина Г.С.,  

 
     Житков В.К. 

 
©  КУРС, 2015

ISBN 978-5-905554-84-1 (КУРС)
ISBN 978-5-16-010637-3 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103302-9 (ИНФРА-М, online)

ФЗ

№ 436-ф3

Издание не подлежит маркировке
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Р е ц е н з е н т :
И.Н. Сафонова (Королёвский колледж космического 
машиностроения и технологии)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник соответствует программе дисциплины «Детали машин»
для специальностей технического профиля всех форм обучения.
Предлагаемое издание охватывает основы теории, расчета и
конструирования деталей и узлов общемашиностроительного применения (наиболее распространенных типов соединений, передач,
валов, осей, подшипников, муфт и др.).
Выводы расчетных зависимостей даны подробно без сокращений и выполнены по единой методике, в основу которой положены
главные критерии работоспособности.
В каждой главе приведены примеры с подробными решениями
и методическими указаниями для выполнения расчетов при курсовом проектировании по деталям машин. Для этого большинство
приведенных примеров является составной частью одного комплексного расчета привода конвейера, включающего редуктор, ременную и цепную передачи.
В книге принята единая система физических величин (СИ) со
следующими отклонениями, допущенными в стандартах на расчеты
деталей машин: размеры деталей машин выражаются в мм и соответственно напряжения в Н/мм2 (МПа), а моменты сохранены в
Н ⋅ м. Поэтому в формулы, включающие вращающие Т, изгибающие М или крутящие Мк моменты, введены множители 103 (перевод
метров в миллиметры).
В конце каждой главы приведены рекомендации по конструированию и контрольные вопросы для самопроверки.
Авторы выражают благодарность Н.В. Рогановой за помощь при
подготовке рукописи к печати.

Авторы

Ч А С Т Ь П Е Р В А Я

ОСНОВЫ РАСЧЕТА
И ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН

Г л а в а 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

§ 1.1. Общие сведения

Курс «Детали машин» рассматривает основы расчета и конструирования деталей и узлов общего назначения, встречающихся в
различных механизмах и машинах.
Механизмом называют систему твердых тел, предназначенную
для преобразования движения одного или нескольких тел в требуемые движения других тел (редуктор, коробка передач и др.).
Машиной называют механизм или устройство, выполняющее
механические движения, служащие для преобразования энергии,
материалов или информации с целью облегчения или замены физического или умственного труда человека и повышения его производительности.
Все машины состоят из деталей, которые объединяются в узлы
(сборочные единицы).
Деталью называют часть машины, изготовленную без применения сборочных операций (шпонка, вал и др.).
Узлом называют сборочную единицу, состоящую из деталей, имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, вал в
сборе с подшипниками и зубчатыми колесами, муфта и др.). Узел является составной частью изделия (редуктора, привода, машины).
В машиностроении различают детали и узлы общего и специального назначения.
К деталям и узлам общего назначения относят такие, которые
встречаются во многих видах изделий (болты, валы, подшипники,
зубчатые колеса, муфты приводов и др.). Они составляют подавляющее большинство в конструкциях, многие из них являются

4

стандартными (крепежные изделия, приводные ремни и цепи, подшипники качения и др.).
Детали и узлы общего назначения изучают в курсе «Детали машин».
К деталям и узлам специального назначения относят такие, которые
встречаются только в одном или нескольких типах машин (шпиндели
станков, поршни, коленчатые валы и др.). Их изучают в специальных
курсах («Металлорежущие станки», «Компрессоры» и др.).
По функциональному признаку все детали и узлы общего назначения делятся на три основные группы, которые и рассматриваются далее.
1. Соединения
деталей. Различают соединения неразъемные
(сварные, паяные и др.) и разъемные (резьбовые, шпоночные и др.).
2. Механические передачи (зубчатые, червячные, ременные и др.).
3. Детали и узлы, обслуживающие механические передачи (валы,
подшипники, муфты и др.).
Корпусные конструкции (корпусы, рамы, плиты) рассматриваются в различных учебных изданиях ([3], [5] и др.).
Целью курса является изучение основ расчета и конструирования
деталей и узлов общего назначения с учетом режима работы и требуемого ресурса машины. При этом рассматриваются вопросы выбора
материала и вида его термической обработки, получения рациональной формы деталей, их технологичности и необходимой точности изготовления.
Детали машин зачастую имеют сложную конфигурацию, работают
при разных режимах нагружения в различных производственных условиях, и не всегда можно получить точную формулу для их расчета.
При расчетах деталей машин часто применяют различные приближенные и эмпирические формулы, в которые вводят поправочные
коэффициенты, определяемые опытным путем и подтверждаемые
практикой конструирования и эксплуатации машин.
Детали и узлы общего назначения изготовляют ежегодно в
больших количествах (в одном легковом автомобиле более пяти тысяч типодеталей), поэтому любое усовершенствование методов,
требований и норм проектирования очень важно и дает большой
экономический эффект.

§ 1.2. Современные направления в развитии
машиностроения

Эффективное развитие всех отраслей экономики страны в решающей мере зависит от машиностроения. Именно в машиностроении в первую очередь материализуются передовые научно5

технические идеи, создаются новые машины, обеспечивающие
прогресс в других отраслях экономики.
Для современного машиностроения характерно повышение требований к техническому уровню, качеству и надежности изделий,
сокращение сроков морального старения средств техники. Это приводит к необходимости постоянного сокращения сроков проектирования при одновременном совершенствовании конструкций машин
и технологии их изготовления, требует внедрения новых материалов, более точных методов расчета.
Характерным является применение материало, трудои энергосберегающих технологий, станков с программным управлением,
гибких производственных систем, в которых технологическое оборудование и системы его обеспечения функционируют в автоматическом режиме и обладают свойством автоматизированной переналадки в пределах установленного класса изделий и диапазонов их
характеристик.
Применение промышленных роботов позволяет повысить производительность оборудования, улучшить условия и безопасность
труда рабочих, повысить качество продукции за счет оптимизации
и автоматизации технологических процессов.
Дальнейшее повышение техникоэкономического уровня и качества
машиностроительной продукции зависит от того, насколько успешно будут решены следующие задачи:
1) расширение областей применения компьютерного проектирования;
2) повышение надежности машин;
3) уменьшение материалоемкости конструкций;
4) уменьшение энергозатрат, повышение КПД механизмов.

§ 1.3. Требования к машинам и деталям

В соответствии с современными тенденциями к большинству
проектируемых машин предъявляют следующие общие требования:
высокая производительность;
необходимые точность и надежность;
экономичность изготовления и эксплуатации;
удобство и безопасность обслуживания;
транспортабельность;
современный дизайн.
При расчетах, конструировании и изготовлении машин должны
строго соблюдаться стандарты: государственные (ГОСТы), отраслевые (ОСТы), предприятий (СТП).

6

Стандартизация в области деталей машин охватывает материалы, геометрические параметры (предпочтительные ряды размеров,
форму и размеры резьб, шлицевых, шпоночных соединений, исходные контуры зацепления и др.), нормы точности, последовательность разработки и виды конструкторской документации, требования к оформлению чертежей и т. д.
Стандарты России в максимально возможной степени основываются на стандартах Международной организации по стандартизации (ISO).
Применение в машинах стандартных деталей и узлов уменьшает
количество их типоразмеров, обеспечивает взаимозаменяемость,
позволяет быстрее и с меньшими затратами изготовлять новые машины, облегчает ремонт в период эксплуатации.
Стандартные детали и узлы машин изготовляют на специализированных заводах или цехах, что повышает их качество и снижает
стоимость.
Стандартизация изделий, узлов и деталей предполагает их унификацию.
Унификация — приведение изделий одинакового функционального назначения к единообразию, включающее обеспечение преемственности при изготовлении и эксплуатации.
Показателем уровня стандартизации и унификации является коэффициент применяемости по типоразмерам деталей, определяемый
как отношение разности общего числа типоразмеров деталей и числа типоразмеров впервые разработанных деталей к общему числу
типоразмеров деталей в изделии.
Одним из главных требований, предъявляемых к машинам и их деталям, является технологичность конструкции, которая существенно влияет на стоимость машины.
Технологичной называют такую конструкцию, которая характерна наименьшими затратами при производстве, эксплуатации и ремонте.
Технологичность конструкции характеризуется:
1) применением в машине деталей, изготовляемых с минимальной механической обработкой. С этой целью широко используют
штамповку, точное литье, фасонный прокат, сварку;
2) унификацией деталей, т. е. применением одинаковых деталей
в различных узлах машины;
3) максимальным применением стандартных конструктивных
элементов деталей (резьб, канавок, пазов, фасок и др.), а также
стандартных допусков и посадок;
4) применением деталей и узлов, ранее освоенных в производстве;

7

5) учетом количества выпускаемых изделий (серийности), условий изготовления и технологической целесообразности;
6) снижением трудоемкости сборочных операций, удобной компоновкой с легко доступными местами крепления, возможностью
применения сборочных автоматов, роботов;
7) возможностью «сращивания» систем автоматизированного
проектирования и производства.
Показатели стандартизации и технологичности характеризуют
качество изделия.

§ 1.4. Надежность машин

Показателями совершенства конструкции детали являются ее
надежность и экономичность.
Надежность — свойство изделия сохранять во времени способность к выполнению требуемых функций в заданных режимах применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Надежность определяется работоспособностью изделия.
Работоспособность — состояние изделия, при котором оно способно нормально выполнять заданные функции.
Полная или частичная утрата работоспособности изделия называется отказом.
Классификация отказов по различным признакам приводится в
технической литературе ([9] и др.).
Показателями качества изделия по надежности являются безотказность, долговечность и ремонтопригодность.
Безотказность — свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение заданного времени.
Долговечность — свойство изделия длительно сохранять работоспособность при соблюдении норм эксплуатации до наступления
предельного состояния.
Под предельным понимают такое состояние изделия, при котором
его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.
Ремонтопригодность — свойство изделия, заключающееся в
приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособности путем технического обслуживания и ремонта.
Временными понятиями надежности являются наработка, ресурс и срок службы.
Наработка — продолжительность или объем работы изделия
(в часах, километрах пробега, числах циклов нагружения).
Ресурс — суммарная наработка изделия от начала эксплуатации до
перехода в предельное состояние (в часах, километрах пробега и др.).

8

Срок службы — календарная продолжительность эксплуатации
изделия от начала до перехода в предельное состояние. Выражается
обычно в годах. Срок службы включает наработку изделия и время
простоев.
Основными показателями надежности являются:
по безотказности — вероятность безотказной работы и интенсивность отказов;
по долговечности — средний и гаммапроцентный ресурсы;
по ремонтопригодности — вероятность восстановления.
Для деталей машин в качестве показателя долговечности используют или средний ресурс (математическое ожидание ресурса в часах
работы, километрах пробега, миллионах оборотов), или гаммапроцентный ресурс (суммарная наработка, в течение которой изделие не
достигает предельного состояния с вероятностью γ, выраженной в
процентах). Для изделий серийного и массового производства наиболее часто используют гаммапроцентный ресурс: для подшипников
качения, например, 90 %й ресурс.
Под вероятностью Р(t) безотказной работы (или коэффициентом надежности) понимают вероятность того, что в заданном интервале времени не произойдет отказа изделия.
Если за время t наработки из числа N одинаковых изделий были
изъяты изза отказов n изделий, то вероятность безотказной работы
изделия

P(t) = (N – n)/N = 1 – n/N.

Пример 1.1. Если по результатам испытания в одинаковых условиях
партии изделий, состоящей из N = 1000 шт., после наработки t = 5000 ч
произошли отказы у n = 100 изделий, то вероятность безотказной работы
этих изделий

P(5000) = 1 – 100/1000 = 0,9.

Вероятность безотказной работы сложного изделия равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных его элементов:

P(t) = P1(t)P2(t)…Pn(t).

Если P1(t) = P2(t) = … = Pn(t), то

P(t) = P n
1(t).

Отсюда следует, что чем больше элементов имеет изделие, тем
меньше его надежность.

9

Пример 1.2. Если изделие состоит из n = 10 элементов с вероятностью
безотказной работы каждого элемента P1(t) = 0,9 (как в подшипниках качения), то общая вероятность безотказной работы Р(t) = P n
1(t) = 0,910 = 0,35.
Эксплуатация изделия с таким низким показателем Р(t) нецелесообразна.

Интенсивность отказов
(t). В разные периоды эксплуатации или
испытаний изделий число отказов в единицу времени различно.
Интенсивность отказов λ(t) — отношение числа отказавших в
единицу времени изделий к числу изделий (N – n), исправно работающих в данный отрезок времени при условии, что отказавшие
изделия не восстанавливают и не заменяют новыми:

(t) = n/[(N – n)t].

Пример 1.3. В примере 1.1 при испытании N = 1000 изделий в интервале времени от 0 до t = 5000 ч произошли отказы у n = 100 изделий. Это
значит, что число исправно работающих изделий равно 1000 – 100. Согласно определению, интенсивность отказов:

λ(5000) = 100/[(1000 – 100) ⋅ 5000] = 0,000022 = 22 ⋅ 10–6 1/ч.

Средние значения интенсивностей отказов составляют: для подшипников качения — λ(t) = 1,5 ⋅ 10–6 1/ч; для ременных передач —
λ(t) = 15 ⋅ 10–6 1/ч.
Вероятность безотказной работы можно оценить по интенсивности отказов

Р(t)
1 –
(t)
t.

Пример 1.4. Если назначенный ресурс ременной передачи составляет
t = 2000 ч, а интенсивность отказов λ(t) = 15 ⋅ 10–6 1/ч, то вероятность безотказной работы ременной передачи

Р(2000) = 1 – 15 ⋅ 10–6 ⋅ 2000 = 0,97.

Под вероятностью восстановления понимают вероятность того,
что время восстановления работоспособного состояния изделия не
превысит заданное значение.
Основы надежности закладывает конструктор при проектировании
изделия (например, точностью составления расчетной схемы и др.).
Показатели надежности определяют методами теории вероятностей, их используют при выборе оптимальных вариантов конструкций. Надежность зависит также от качества изготовления (неточности влияют на распределение нагрузок в зоне силового взаимодействия) и от соблюдения норм эксплуатации.

10