Детали машин и оборудование: проектирование приводов

№ 2257 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

С.М. Горбатюк 
С.В. Албул 

Детали машин и оборудование

Проектирование приводов 

Методические указания к выполнению домашних заданий 
и курсовых проектов 

 

 

УДК 621.8 
 
Г67 

Р е ц е н з е н т  
проф. С.М. Ионов 

Горбатюк, С.М. 
Г67  
Детали машин и оборудование : проектирование приводов : метод. указ. к выполнению домашних заданий и курсовых проектов / С.М. Горбатюк, С.В. Албул. – М. : Изд. Дом 
МИСиС, 2013. – 94 с. 
 

Представлены варианты домашних заданий и курсовых проектов по общеинженерному курсу «Детали машин и основы конструирования», а также 
необходимые для их выполнения методические указания, содержащие как 
теоретические основы каждого из разделов курса, так и практические рекомендации по оформлению графической и расчетной частей работы. 
Предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Технологические машины и оборудование». 
 

 
© С.М. Горбатюк, 
С.В. Албул, 2013 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..........................................................................................................4
Домашнее задание 1. Расчет кинематических и энергосиловых 
параметров привода металлургической машины...........................................6
Домашнее задание 2. Проектный расчет зубчатой передачи.....................12
Домашнее задание 3. Проверочный расчет зубчатой передачи.................19
Домашнее задание 4. Конструирование прямого ступенчатого вала.......28
Домашнее задание 5. Конструирование узла тихоходного вала 
редуктора..............................................................................................................35
Курсовой проект по курсу «Детали машин и основы 
конструирования»...............................................................................................44
Библиографический список..............................................................................46
Приложение 1. Схемы редукторов..................................................................47
Приложение 2. Коэффициенты режима нагрузки........................................49
Приложение 3. Электродвигатели серии АИР..............................................50
Приложение 4. Материалы для зубчатых колес...........................................54
Приложение 5. Расчет червячной передачи...................................................57
Приложение 6. Расчет конической передачи ................................................67
Приложение 7. Муфты ......................................................................................72
Приложение 8. Шпоночные и шлицевые соединения.................................74
Приложение 9. Подшипники качения ............................................................78
Приложение 10. Манжеты резиновые армированные.................................88
Приложение 11. Смазочные материалы.........................................................89
Приложение 12. Нормальные линейные размеры........................................92

ПРЕДИСЛОВИЕ 
В методические указания включены варианты домашних заданий 
по общеинженерному курсу «Детали машин и основы конструирования», методические указания и рекомендации по их выполнению, а 
также основной справочный материал, необходимый для выполнения 
домашних заданий и курсового проекта. 
Наиболее сложным вопросом в учебном процессе является переход 
от теоретической подготовки студентов к реальному применению полученных знаний при решении конкретных инженерных задач. 
Целью данных методических указаний является развитие у студентов навыков последовательного решения ряда инженерных задач, 
взаимосвязанных общими исходными параметрами и конечным результатом, точность которого базируется на правильном и оптимальном решении каждого из этапов задания. 
Задания строятся по принципу «сквозного проектирования». Они 
объединены общими исходными данными в единый комплекс инженерных задач, максимально приближенных к реальному проектированию типовых технологических механизмов и взаимосвязаны последовательностью выполнения каждого из заданий на основе решения предыдущего с последующим переходом к курсовому проектированию. 
Использование результатов домашних заданий в курсовых проектах позволяет не только углубить теоретическую и общеинженерную 
подготовку студентов, но и ознакомить их с методическими приемами использования теоретических закономерностей в решении практических задач, развить навыки творческого мышления, технической 
эстетики и инженерной графики. 
Тематика некоторых заданий может получить развитие в специальном курсовом проектировании и войти в виде составной части в 
дипломный проект. 

Общие указания по выполнению заданий 

Каждый студент получает индивидуальное задание, зашифрованное пятизначным числовым индексом, например 12.02.15.04.06: 
– первый числовой индекс в пределах от 1 до 19 обозначает вид 
структурной схемы механизма; 
– второй индекс от 1 до 4 задает вариант численных значений исходных расчетных параметров; 
– третий индекс от 1 до 17 обозначает тип редуктора; 
– четвертый индекс от 1 до 9 определяет вид планетарного механизма; 
– пятый индекс от 1 до 6 задает расчетную схему кулачкового 
механизма. 
Каждое задание состоит из расчетной и графической частей. 
Расчетная часть оформляется в виде расчетно-пояснительной 
записки, которая содержит следующие разделы: 
1. Содержание. 
2. Введение. 
3. Исходные расчетные данные. 
4. Структурная расчетная схема. 
5. Основные теоретические расчеты. 
6. Заключение. 
7. Список использованных источников. 
Во введении должны быть кратко сформулированы цель выполняемой работы и основные предпосылки ее выполнения. 
В основных разделах излагается порядок расчета каждого задания: записываются расчетные формулы в буквенном выражении с расшифровкой каждого буквенного индекса; затем в формулу подставляются численные значения параметров и записывается результат вычислений с 
указанием размерности, например (мм). В разделы включаются необходимые пояснения и обоснования, ссылки на литературные источники, 
используемые при выборе формул и табличных коэффициентов, даются 
выводы и рекомендации по итогам расчетов. Окончательные результаты 
расчетов могут быть сведены в таблицы. Рисунки, таблицы и формулы 
должны быть пронумерованы и на них должны быть ссылки в тексте. 
Графическая часть задания может быть выполнена на миллиметровке 
или ватманских листах стандартного размера в оптимальном масштабе, в 
строгом соответствии с правилами ЕСКД. Рекомендуется выполнение 
отдельных элементов графической части проекта на компьютере с использованием соответствующих прикладных программ. 

Домашнее задание 1 

РАСЧЕТ КИНЕМАТИЧЕСКИХ 
И ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ 
ПРИВОДА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ МАШИНЫ 

Порядок выполнения задания 

1. Определить состав привода и конструктивные особенности элементов передач в соответствии с заданной схемой редуктора (прил. 1). 
2. Определить мощность и частоту вращения ротора электродвигателя. 
3. Рассчитать мощность, частоты вращения и крутящие моменты 
на валах привода. 

Методические рекомендации по выполнению 
задания 

1. Составить структурную схему привода заданной металлургической машины, содержащую электродвигатель и оптимальную систему механических передач. Следует обосновать выбор типа передач. 
Если передаточное число привода Uпр, равное отношению частоты 
вращения ротора двигателя к частоте вращения ведущего вала рабочей машины, не превышает пяти, то рекомендуется использовать одноступенчатый редуктор. При передаточном числе 5 < Uпр < 20 можно использовать двухступенчатый редуктор. Если 20 < Uпр < 100, то 
предпочтительной следует признать схему привода, состоящую из 
двухступенчатого цилиндрического редуктора и дополнительной понижающей передачи, либо ременной, либо открытой зубчатой. Ременную передачу следует использовать при более высоких частотах 
вращения кривошипа рабочей машины, открытую зубчатую – при 
более низких. При 16 < Uпр < 60 может быть использован одноступенчатый червячный редуктор с верхним червяком, если окружная 
скорость червяка νч > 4 м/c, и с нижним червяком, если νч ≤ 4 м/c. 
Если передаточное число привода превышает 60, следует использовать волновой редуктор 60 < Uвр  < 300. 
При предварительном выборе схемы привода, когда неизвестна 
частота вращения электродвигателя, а следовательно, и необходимое 

передаточное число привода, можно руководствоваться следующими 
рекомендациями. 
Если в составе привода используется только цилиндрический двухступенчатый редуктор, то частота вращения кривошипа рабочего механизма должна лежать в пределах 30 < nкр < 600. Если совместно с редуктором используется ременная передача, устанавливаемая между двигателем и редуктором, то 7,5 < nкр < 300. Если же вместе с редуктором используется открытая зубчатая передача, устанавливаемая между редуктором и 
рабочей машиной, то  частота вращения кривошипа должна лежать в 
пределах 6 < nкр < 300.  
Если в составе привода используется только червячный одноступенчатый редуктор, то частота вращения кривошипа ограничивается диапазоном 12 < nкр < 375. При схеме привода с ременной передачей 
3 < nкр < 185, а с открытой зубчатой – 2 < nкр < 185. 
Ременную передачу в составе привода следует предпочитать открытой 
зубчатой при небольших передаваемых мощностях, а также при больших 
частотах вращения кривошипа. 
2. Определить мощность электродвигателя Pдв, используя график 
мощности на кривошипе рабочей машины из расчетов в курсе «Теория 
механизмов и машин» [6]. 
Для этого вначале нужно определить эквивалентную мощность на 
кривошипе, т.е. условную постоянную мощность, приложенную к кривошипу в течение всего рабочего цикла и эквивалентную действию рабочей мощности, приложенной к кривошипу в течение лишь рабочего хода. 
Так как площади фигур, очерчиваемых графиками рабочей мощности и 
эквивалентной мощности, должны быть равны, то последняя определится 
по формуле 

 
экв
P

цкл
µ
Р
А
P
l
=
, 
 

где АР – площадь фигуры, очерченной графиком рабочей мощности, мм2; 
lцкл – длина рабочего цикла, отложенная по оси абсцисс, мм; 
μР – масштаб графика мощности, кВт/мм. 

Расчетная потребная мощность на кривошипе Pр будет равна произведению эквивалентной мощности Pэкв и коэффициента запаса Kзап. 
Если отношение времени рабочего хода механизма ко времени рабочего цикла меньше 0,15, следует принять Kзап = 5. Если это отношение 
больше 0,4, следует принять Kзап = 1,2. В остальных случаях при определении коэффициента запаса прибегнуть к линейной интерполяции. 

Мощность электродвигателя Pдв будет равна расчетной мощности 
на кривошипе Pр с учетом потерь в механических передачах привода 

 

р

дв
пр

P
P = η
, 
 

где ηпр – КПД привода, равный произведению КПД отдельных его узлов: 

 
ηпр = η1η2η3… 
 

Ориентировочные значения КПД узлов и элементов привода: 
ηзз = 0,95…0,97 – КПД закрытого зубчатого зацепления; 
ηозп = 0,93…0,95 – КПД открытого зубчатого зацепления; 
ηчз = 0,7…0,75 – КПД червячного зацепления (Uред > 28); 
ηчз = 0,75…0,82 – КПД червячного зацепления (Uред = 16…28); 
ηчз = 0,82…0,87 – КПД червячного зацепления (Uред = 8…16);  
ηрп = 0,95…0,96 – КПД ременной передачи; 
ηм = 0,95…0,999 – КПД муфты; 
ηпк = 0,99…0,995 – КПД подшипников качения; 
ηпс = 0,92…0,95 – КПД подшипников скольжения. 
Для каждой конкретной структурной схемы определить свой КПД 
в зависимости от состава элементов привода. 
3. Определив требуемую мощность электродвигателя, следует из 
каталога (прил. 3) выбрать стандартный асинхронный электродвигатель серии АИР, ориентируясь на ближайшее большее значение 
мощности. Допустимый перегруз – 5 %. 
Следует обратить внимание, что для одной мощности в каталоге 
присутствуют четыре типоразмера двигателей, отличающихся друг 
от друга частотой вращения ротора. 
Ввиду того, что передаточные числа редукторов и их ступеней регламентированы ГОСТом, для схемы привода, в которой передаточная 
часть состоит только из редуктора, оптимальным нужно считать двигатель, дающий минимальную погрешность передаточного числа. 
Для оптимизации расчетов удобно составить табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Выбор электродвигателя для 1-й схемы привода 

Типоразмер 
nсинхр 
s, % 
nасинхр 
Uпр 
Uред 
ΔU, % 

АИР… 
3000 
 
 
 
 
 

АИР… 
750 
 
 
 
 
 

nсинхр – синхронная частота вращения ротора двигателя, об/мин, 
принимающая значения 3000, 1500, 1000 и 750; 
s – относительное скольжение, %, указываемое в каталоге для каждого типоразмера двигателя; 
nасинхр – асинхронная (реальная) частота вращения ротора двигателя, об/мин, вычисляемая по формуле 

 
nасинхр = nсинхр(100 – s)/100; 
 

Uпр – потребное передаточное число привода, определяемое по 
формуле 

 
Uпр = nасинхр/nкр; 
 

Uред – передаточное число редуктора, выбираемое из единого ряда, 
наиболее близкое к потребному Uпр; 
ΔU – погрешность передаточного числа, %, вычисляемая по формуле 

 

пр
ред

ред
Δ
100.
U
U
U
U

−
=
⋅
 

Недопустимой считается погрешность передаточного числа, превышающая 4 %. 
Ниже представлен единый ряд передаточных чисел редукторов и 
их ступеней: 
U = 1; 1,12; 1,25; 1,4; 1,6; 1,8; 2; 2,24; 2,5; 2,8; 3,15; 3,55; 4; 4,5; 5; 5,6; 
6,3; 7,1; 8; 9; 10; 11,2; 12,5; 14; 16; 18; 20; 22,4; 25; 28; 31,5; 35,5; 40; 45; 50; 
56; 63; 71; 80; 90; 100; 112; 125; 140; 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315 и т.д. 
При схеме привода, включающей помимо редуктора дополнительные понижающие передачи, критерий выбора оптимального двигателя заключается в обеспечении примерной равновеликости электродвигателя и редуктора, а также оптимальности передаточных чисел всех ступеней привода. 
Для оценки этого критерия удобно использовать табл. 1.2. 

Таблица 1.2 

Выбор электродвигателя для 2-й и 3-й схемы привода 

Типоразмер 
nсинхр 
s, % 
nасинхр 
Uпр 
Uред 
Uдоп 

АИР… 
3000 
 
 
 
 
 

АИР… 
750 
 
 
 
 
 

Столбцы nсинхр, s и nасинхр аналогичны рассмотренным в табл. 1.1, а 
значения Uред и Uдоп должны удовлетворять условию 

 
UредUдоп = Uпр, 
 

где Uред – передаточное число редуктора, выбираемое из единого ряда; 
Uдоп – передаточное число дополнительной понижающей передачи, ременной или открытой зубчатой. 

Значения Uред и Uдоп следует принимать такими, чтобы они пропорционально укладывались в рекомендуемый диапазон передаточных чисел (табл. 1.3). 
Оптимальным можно принять тот двигатель, при котором передаточные числа всех ступеней привода окажутся примерно в середине 
рекомендуемого диапазона значений. 

Таблица 1.3 

Рекомендуемые значения передаточных чисел 

Вид передачи 
U 

Зубчатая цилиндрическая 
2…6,3 

– тихоходная ступень в редукторах 
2…5 

– быстроходная ступень в несоосных редукторах 
2,5…5 

– быстроходная ступень в соосных редукторах 
3,15…6,3 

Зубчатая коническая 
1…4 

Червячная передача 
8…63 

Цепная передача 
1,5…4 

Ременная передача 
2…4 

 
4. Для последующего проектного силового расчета редуктора необходимо определить кинематические (частота вращения) и энергосиловые (мощность, крутящий момент) параметры на валах привода. 
На ведущем (быстроходном) валу редуктора: 
мощность Р1 = Рдвηпредш, 
где ηпредш – КПД предшествующих редуктору механизмов, муфты 
или ременной передачи; 
Рдв – потребная мощность двигателя (но не паспортная); 

частота вращения n1 = nдв/Uпредш, 
где nдв – асинхронная частота вращения ротора двигателя; 
Uпредш – КПД предшествующей редуктору передачи, если она 
имеется. В противном случае Uпредш = 1; 

крутящий момент Т1 = 9550P1/n1. 

На промежуточном валу редуктора (для двухступенчатых редукторов): 
мощность Р2 = Р1η1ст, 
где η1ст – КПД первой (быстроходной) ступени, равный произведению 
КПД входящих в нее зубчатых зацеплений и подшипниковых пар; 

частота вращения n2 = n1/U1ст, 
где U1ст – передаточное число первой ступени для многоступенчатого 
редуктора. 

Разбивку передаточного числа редуктора по ступеням следует 
производить с соблюдением следующих правил: 
– для 
цилиндрических 
горизонтальных 
редукторов 

1ст
ред
(1,1...1,2)
U
U
=
; 

– для цилиндрических вертикальных и коническо-цилиндрических 
редукторов 
1ст
ред
(0,8...0,9)
U
U
=
; 

– для соосных редукторов 
1ст
2ст
ред
U
U
U
=
=
. 

Полученное значение U1ст необходимо округлить до ближайшего 
стандартного и уточнить n2. 
крутящий момент Т2 = 9550P2/n2. 
На выходном (тихоходном) валу редуктора: 
мощность Р3 = Р2η2ст, 
где η2ст – КПД второй (тихоходной) ступени, равный отношению 
КПД редуктора к КПД первой ступени; 

частота вращения n3 = n2/U2ст,  
где U2ст – передаточное число второй ступени, равное отношению 
Uред к U1ст; полученное значение U2ст необходимо округлить до 
ближайшего стандартного и уточнить n3. 

крутящий момент Т3 = 9550P3/n3. 
На кривошипе рабочей машины: 
мощность Ркр = Р3ηпосл, 
где ηпосл – произведение КПД элементов привода, находящихся между редуктором и валом рабочей машины; 

частота вращения nкр = n3/Uпосл, 
где Uпосл – передаточное число последующей за редуктором передачи, 
если она имеется. В противном случае Uпосл = 1; 

крутящий момент Т = 9550Pкр/nкр.