Детали машин и основы конструирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 

 
 

 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования
 

Детали машин
и основы конструирования 

Учебник 

Под редакцией профессора С.М. Горбатюка 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебника для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

 

Москва 2014 

УДК 621.8 
 
Д38 

Р е ц е н з е н т ы :  
д-р техн. наук, проф. Б.А. Романцев;  
д-р техн. наук, проф. Г.В. Ашихмин 
(ОАО «Институт Цветметобработка») 

Авторы: 
С.М. Горбатюк, А.Н. Веремеевич, С.В. Албул, 
И.Г. Морозова, М.Г. Наумова 

 Детали машин и основы конструирования : учеб. / С.М. Гор- 
Д38 батюк [и др.] ; под ред. С.М. Горбатюка. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2014. – 377 с. 
ISBN 978-5-87623-754-5 

В учебнике представлены основные теоретические и практические вопросы курса «Детали машин и основы конструирования»: критерии работоспособности деталей машин, машиностроительные материалы и их свойства 
с точки зрения эксплуатации деталей машин, разъемные и неразъемные соединения деталей машин, механические передачи, валы и опоры, муфты, 
смазывающие устройства, основы конструирования и современного автоматизированного проектирования деталей и узлов машин. 
Приведены необходимые расчеты узлов, соединений и отдельных деталей машин. 
Предназначен для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 
«Металлургия». 
УДК 621.8 

В оформлении учебника использована иллюстрация Peter Tamas, 
представленная на ресурсе www.grabcad.com 

ISBN 978-5-87623-754-5 
© Коллектив авторов, 2014 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН ...............................................8 

1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА ДЕТАЛЕЙ МАШИН......................8 
1.1. Общие положения. Надежность.............................................................. 8 
1.2. Прочность ............................................................................................... 10 
1.3. Жесткость................................................................................................ 17 
1.4. Износостойкость .................................................................................... 20 
1.5. Теплостойкость....................................................................................... 22 
1.6. Виброустойчивость................................................................................ 23 
Контрольные вопросы .................................................................................. 24 

2. МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ...........................................................25 
2.1. Общие сведения...................................................................................... 25 
2.2. Чугуны..................................................................................................... 26 
2.3. Стали ....................................................................................................... 32 
2.4. Упрочнение сталей................................................................................. 43 
2.5. Цветные металлы и сплавы ................................................................... 48 
2.6. Композиционные и неметаллические материалы ............................... 54 
Контрольные вопросы .................................................................................. 56 

3. ДОПУСКИ РАЗМЕРОВ. ПОСАДКИ......................................................................57 
3.1. Общие сведения...................................................................................... 57 
3.2. Основные понятия о размерах и отклонениях..................................... 58 
3.3. Соединения и посадки. Допуск посадки .............................................. 61 
3.4. Квалитет. Обозначение поля допуска .................................................. 65 
3.5. Назначение посадок ............................................................................... 67 
Контрольные вопросы .................................................................................. 72 

4. ОТКЛОНЕНИЯ ФОРМЫ И РАСПОЛОЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ.............................73 
4.1. Общие сведения...................................................................................... 73 
4.2. Отклонения формы и расположения поверхностей............................ 74 
4.3. Указание на чертежах допусков формы и расположения 
поверхностей ................................................................................................. 81 
4.4. Зависимые и независимые допуски...................................................... 84 
Контрольные вопросы .................................................................................. 88 

5. ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ....................................................................89 
5.1. Общие сведения...................................................................................... 89 
5.2. Обозначение шероховатости на чертежах ........................................... 91 
Контрольные вопросы .................................................................................. 93 

II. СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН.........................................................94 

6. НЕРАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ..........................................................................94 
6.1. Сварные соединения .............................................................................. 94 
6.2. Заклепочные соединения ..................................................................... 105 
6.3. Паяные соединения .............................................................................. 117 
6.4. Клеевые соединения............................................................................. 127 
Контрольные вопросы................................................................................. 138 

7. РАЗЪЕМНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.............................................................................139 
7.1. Резьбовые соединения.......................................................................... 139 
7.2. Шпоночные соединения ...................................................................... 151 
7.3. Шлицевые соединения......................................................................... 154 
7.4. Штифтовые соединения....................................................................... 156 
7.5. Клеммовые соединения........................................................................ 158 
Контрольные вопросы................................................................................. 161 

III. МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ ..............................................................162 

8. ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ.....................................................................................164 
8.1. Виды зубчатых передач ....................................................................... 165 
8.2. Классификация зубчатых передач ...................................................... 168 
8.3. Цилиндрические зубчатые передачи .................................................. 171 
8.4. Модификация профилей зацепления.................................................. 177 
8.5. Параметры передач и конструкции зубчатых колес ......................... 179 
8.6. Точность зубчатых передач................................................................. 184 
8.7. Выбор материалов для зубчатых колес .............................................. 185 
8.8. Виды разрушения зубьев и критерии работоспособности зубчатых 
передач ......................................................................................................... 188 
8.9. Силы в зацеплении цилиндрических передач.................................... 192 
8.10. Расчет зубьев цилиндрических передач на прочность  
при изгибе .................................................................................................... 198 
8.11. Допускаемые напряжения.................................................................. 203 
8.12. Планетарные передачи....................................................................... 204 
8.13. Передачи с зацеплением Новикова и их модификации .................. 207 
Контрольные вопросы................................................................................. 210 

9. ВИНТОВЫЕ И ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ.............................................................211 
9.1. Винтовые зубчатые передачи.............................................................. 211 
9.2. Гипоидные передачи............................................................................ 212 
9.3. Червячные передачи............................................................................. 214 
9.4. Конструктивные особенности червячной передачи.......................... 235 
Контрольные вопросы................................................................................. 241 
 

10. ВОЛНОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ..................................................................................242 
10.1. Общие сведения .................................................................................242 
10.2. Волновые передачи с промежуточными звеньями .........................244 
Контрольные вопросы................................................................................247 

11. ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ И ВАРИАТОРЫ....................................................248 
11.1. Виды фрикционных передач и вариаторов......................................248 
11.2. Материалы рабочих тел фрикционных передач..............................252 
11.3. Критерии работоспособности передачи...........................................253 
Контрольные вопросы................................................................................254 

12. РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ ..................................................................................255 
Контрольные вопросы................................................................................259 

13. ЦЕПНЫЕ ПЕРЕДАЧИ.......................................................................................260 
13.1. Применение цепных передач............................................................260 
13.2. Типы цепей.........................................................................................261 
13.3. Зубчатые цепи ....................................................................................263 
Контрольные вопросы................................................................................266 

14. ПЕРЕДАЧА ВИНТ – ГАЙКА.............................................................................267 
14.1. Строение передачи винт – гайка.......................................................267 
14.2. Механика и кинематика передачи винт – гайка..............................269 
14.3. Расчеты несущей способности элементов передачи скольжения..270 
14.4. Передачи винт – гайка качения.........................................................273 
14.5. Шарико-винтовые и ролико-винтовые передачи............................275 
Контрольные вопросы................................................................................279 

IV. ВАЛЫ, ОПОРЫ, МУФТЫ ........................................................................280 

15. ВАЛЫ И ОСИ..................................................................................................280 
15.1. Основные определения, классификация и критерии  
работоспособности .....................................................................................280 
15.2. Материалы и обработка валов и осей...............................................286 
15.3. Расчеты валов и осей на прочность..................................................287 
15.4. Выбор смазочного материала и системы смазки ............................290 
Контрольные вопросы................................................................................296 

16. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ .......................................................................297 
16.1. Конструкция подшипников скольжения..........................................297 
16.2. Расчет подшипников скольжения.....................................................304 
Контрольные вопросы................................................................................310 

17. ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ ..............................................................................311 
17.1. Конструкция и классификация подшипников качения ..................311 
17.2. Условные обозначения подшипников..............................................314 

17.3. Материалы подшипников качения .................................................. 316 
17.4. Критерии работоспособности подшипников качения ................... 317 
17.5. Расчет подшипников качения .......................................................... 319 
Контрольные вопросы ............................................................................... 322 

18. МУФТЫ ........................................................................................................ 323 
18.1. Классификация муфт ........................................................................ 323 
18.2. Муфты неуправляемые..................................................................... 325 
18.3. Компенсирующие жесткие муфты .................................................. 326 
18.4. Компенсирующие муфты с упругими металлическими  
элементами.................................................................................................. 332 
18.5. Компенсирующие муфты с упругим неметаллическим  
элементом ................................................................................................... 333 
18.6. Предохранительные муфты.............................................................. 336 
Контрольные вопросы ............................................................................... 340 

V. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН ............................... 341 

19. ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ........................................ 341 
19.1. Основные положения........................................................................ 341 
19.2. Критерии оптимизации деталей машин.......................................... 343 
19.3. Технологичность деталей................................................................. 344 
Контрольные вопросы ............................................................................... 346 

20. МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ.................................................................. 347 
20.1. Основная задача конструирования.................................................. 347 
20.2. Этапы конструирования ................................................................... 348 
Контрольные вопросы ............................................................................... 350 

21. ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ .............................. 351 
21.1. Общие сведения................................................................................. 351 
21.2. Жизненный цикл проекта................................................................. 352 
21.3. Компоновка редуктора...................................................................... 357 
21.4. Конструирование корпуса редуктора.............................................. 364 
21.5. Моделирование редуктора в CAD-системе .................................... 368 
Контрольные вопросы ............................................................................... 374 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 376 

Введение 
 
Машина – это устройство, выполняющее механические движения 
для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. 
Любая машина состоит из деталей. 
Деталь – это такая часть машины, которая изготовлена без сборочных операций. Детали частично или полностью объединяют в 
узлы. Узел – это сборочная единица, состоящая из ряда деталей, 
имеющих общее функциональное назначение, например: подшипник 
качения, муфта, редуктор и т.п. Сложные узлы могут включать несколько простых узлов (подузлов); например, редуктор включает 
подшипники, валы с насаженными на них зубчатыми колесами и т.п. 
Среди большого разнообразия деталей и узлов машин выделяют 
такие, которые применяют почти во всех машинах: болты, валы, 
муфты, механические передачи и т.п. Эти детали (узлы) называют 
деталями общего назначения и изучают в курсе «Детали машин и 
основы конструирования». Все другие детали, такие как поршни, лопатки турбин, гребные винты и т.п., относят к деталям специального 
назначения и изучают в специальных курсах. 
Детали общего назначения применяют в машиностроении в очень 
больших количествах. Поэтому любое усовершенствование методов 
расчета и конструкции этих деталей, позволяющее уменьшить затраты материала, понизить стоимость производства, повысить долговечность, приносит большой экономический эффект. 

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДЕТАЛЯХ МАШИН 

1. КРИТЕРИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И РАСЧЕТА 

ДЕТАЛЕЙ МАШИН 

1.1. Общие положения. Надежность 

Детали машин должны удовлетворять условию надежности и условию экономичности, т.е. иметь минимальную необходимую стоимость. Обеспечение надежности в технике регламентировано системой ГОСТов, в частности термины и определения, относящиеся к 
надежности, установлены ГОСТ 27.002–89. Рассмотрим основные 
положения теории надежности. 
Работоспособность – состояние объекта, при котором значения 
всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные 
функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и 
(или) конструкторской (проектной) документации. 
Работоспособность объекта характеризуется определенными критериями – свойствами, при отсутствии или недостаточном проявлении которых изделие будет неработоспособным. Основными критериями работоспособности машин являются прочность, жесткость, 
износостойкость, теплостойкость и виброустойчивость. По одному или нескольким из этих критериев ведут расчет, цель которого – 
определение размеров и материалов деталей машин. Часть критериев 
удовлетворяется заведомо и не требует проверки. 
Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения 
может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность 
и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств. 
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной 
системе технического обслуживания и ремонта. Основные показатели долговечности: а) средний ресурс, т.е. средняя наработка до пре

дельного состояния; б) гамма-процентный ресурс, который обеспечивается у заданного числа γ процентов изделий, например 95 %. 
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного 
состояния путем технического обслуживания и ремонта. 
Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта 
выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) 
транспортирования. 
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. 
Основным показателем безотказности является вероятность P(t) безотказной работы в течение заданного времени или наработки. Экспериментально или на основе наблюдений при эксплуатации оценка 
вероятности P(t) безотказной работы определяется как отношение 
числа образцов, сохранивших работоспособность, к общему числу 
испытанных образцов; при этом выполняется соотношение 

P(t) + Q(t) = 1, 

где 
( )
( )

0
d

t
Q t
f t
t
=ò
 – вероятность отказа за время t;  

f(t) – плотность вероятности отказов. 

Вероятность безотказной работы системы объектов равна произведению вероятностей безотказной работы независимых элементов: 

Pст(t) = P1(t) P2(t)… Pn(t). 

Если, как обычно, вероятность безотказной работы элементов достаточно высокая, то, выразив предыдущие формулы через вероятность 
отказов и отбросив произведения малых величин, можно записать: 

Pст(t) ≈ 1 – [Q1(t) + Q2(t) +…+ Qn(t)]. 

В период нормальной эксплуатации машин постепенные отказы 
еще не проявляются и надежность характеризуется внезапными отказами. Эти отказы вызываются неблагоприятным стечением обстоятельств и имеют постоянную интенсивность, не зависящую от продолжительности предшествующей эксплуатации изделия. Вероятность безотказной работы в этом случае 

P(t) = e–λt , 

где λ – постоянная интенсивность отказов, λ = 1/tср; 
здесь tср – средняя наработка до отказа. 

Если, как обычно, λt ≤ 0,1, то P(t) ≈ 1 – λt. 

1.2. Прочность 

Прочностью называется способность материала детали воспринимать внешнюю нагрузку не разрушаясь и без недопустимых остаточных деформаций. 
Внешние нагрузки делят на статические – мало изменяющиеся во 
времени, и динамические – изменяющиеся во времени и вызывающие появление колебаний. По характеру приложения внешние нагрузки могут быть сосредоточенными или распределенными, а напряжения, возникающие в деталях, – основными, начальными, исчезающими и остаточными. 
Начальные напряжения возникают в процессе сборки узлов. Исчезающие напряжения возникают из-за неравномерного нагрева в процессе работы; исчезают при остановке роста или выравнивании температуры. Остаточные напряжения вызываются неравномерным остыванием, 
пластической деформацией, поверхностной закалкой и т.д. 
Обычно эти напряжения приводят к уменьшению прочности деталей, но могут вызвать и ее повышение. К методам повышения прочности относят: 
− предварительное напряжение в соединениях; 
− поверхностный наклеп; 
− химико-термическую обработку поверхностных слоев; 
− поверхностную закалку, которая может создать на поверхности 
значительные напряжения сжатия, что повысит усталостную прочность, а также износостойкость. 
Основные напряжения возникают от действия внешних сил, которые в зависимости от условий приложения могут быть постоянными 
или переменными во времени. 
Детали, подверженные постоянным напряжениям в чистом виде, в 
машинах почти не встречаются. Однако некоторые детали работают с 
мало изменяющимися напряжениями, которые при расчете можно принимать за постоянные. Это детали с большими нагрузками от силы тяжести (в транспортных и подъемно-транспортных машинах), детали с 

большой начальной затяжкой (заклепки, часть крепежных винтов и 
пружин) и детали с малым общим числом плавных нагружений. 
Переменные напряжения возникают при динамической нагрузке, 
при появлении колебаний, а также при постоянной нагрузке, если сечение (точка) тела изменяет свое положение во времени относительно 
статичной нагрузки. Переменные напряжения характеризуются циклами изменения напряжений (рис. 1.1), для которых принят синусоидальный закон колебаний. Основные параметры, характеризующие цикл: 
− наибольшее σmax и наименьшее σmin напряжения цикла, являются 
величинами алгебраическими (со знаками); 
− коэффициент асимметрии цикла r = σmin /σmax ; 
− среднее напряжение цикла σm = (σmax + σmin)/2 = 0,5(1 + r)σmax – 
постоянная составляющая цикла; 
− амплитудное напряжение цикла σa = (σmax – σmin)/2 = 0,5(1 – 
– r)σmax – переменная составляющая цикла, наиболее «опасная» для 
прочности, показывающая размах колебаний относительно среднего 
уровня. 
Все вышеуказанные формулы справедливы и для касательных напряжений τ. 
Различают следующие основные типы циклов: 

1. Отнулевой пульсирующий цикл (рис. 1.1, а), в котором напряжения меняются от нуля до максимума. Такой цикл характерен для 
зубьев зубчатых колес, работающих в одну сторону, штоков, толкателей и шатунов тихоходных механизмов, слабонагруженных при 
обратном ходе, и т.п. 
Параметры цикла: r = 0; σmin = 0; σa = σm = σmax/2. 

2. Симметричный знакопеременный цикл (рис. 1.1, б), в котором напряжения меняются от отрицательного до такого же положительного значения. Такой цикл характерен для напряжений изгиба во 
вращающихся валах и осях. 
Параметры цикла: r = –1; σa = σmax = – σmin; σm = 0. 

3. Асимметричный знакопеременный цикл (рис. 1.1, в), в котором напряжения меняются от отрицательного до некоторого положительного значения. 
Параметры цикла: r < 0; σmin < 0; σmax > 0. 

Рис. 1.1. Графики циклов напряжений 

4. Асимметричный знакопостоянный цикл (рис. 1.1, г), в котором наибольшее и наименьшее напряжения имеют одинаковый знак. 
Такой цикл характерен для работы винтов, пружин и т.п. 
Параметры цикла: r > 0; |σm| > |σa|. 
Основными критериями прочности материала являются предел 
прочности, предел текучести (рис. 1.2) и предел выносливости (рис. 1.3). 
Предел прочности σв, также называемый временным сопротивлением разрушению, – это напряжение, соответствующее наибольшему 
усилию, предшествующему разрыву образца при статических механических испытаниях. На рис. 1.2 представлена диаграмма статического растяжения стального образца с указанием характерных значений напряжения. 

 

Рис. 1.2. Диаграмма растяжения стального образца 

Предел текучести σт – это напряжение, соответствующее наименьшему напряжению площадки текучести, когда образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки. Если площадка 
текучести отсутствует, что характерно, например, для хрупких материалов, то определяется условный предел текучести, соответствующий остаточной деформации, составляющей 0,2 % от первоначальной длины образца, – σ0,2. 
Предел выносливости σr, также называемый пределом усталости, 
характеризует сопротивление материала усталости – процессу по

степенного накопления повреждений под действием переменных 
(циклических) напряжений, приводящему к изменению свойств материала, образованию трещин, их развитию и разрушению материала 
за указанное время. 
Коэффициент r в обозначении предела прочности является коэффициентом асимметрии цикла. Таким образом, предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения (изгиба) обозначают как σ–1, а в случае пульсационных циклов (растяжение) – как σ0. 
В общем случае предел выносливости обозначают также как σlim. 
Для оценки сопротивления материала усталости проводят испытания партии стандартных образцов и по результатам испытаний 
строят кривые усталости (см. рис. 1.3), показывающие зависимость 
между числом циклов нагружения N образцов до разрушения и действующими напряжениями – максимальным σmax или амплитудой σa. 
Уравнение кривой усталости σj
q · Nj = C, где С – постоянная, соответствующая условиям проведения эксперимента; q = 4…20 – показатель степени, зависящий от материала, термообработки, вида напряжений и т.д. Таким образом, предел выносливости – это максимальное напряжение, которое образец выдерживает в течение практически неограниченного числа циклов нагружения. 

 

Рис. 1.3. График усталости материалов (кривая Веллера): 
1 – сталь; 2 – алюминий 

Для большинства сталей при невысокой температуре окружающей среды кривая усталости после N0 ≈ 106…107 циклов имеет пере