Детали машин: расчет и конструирование

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

П. Н. Плотников, Т. А. Недошивина

ДЕТАЛИ МАШИН:
РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ
для студентов, обучающихся по направлению
13.03.03 «Энергетическое машиностроение»

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 62-2(075.8)
ББК 34.44-02я73
          П39
Рецензенты:
Уральский государственный лесотехнический университет (заведующий 
кафедрой «Энергетика» проф., д-р техн. наук С. М. Шанчуров); главный 
конструктор ЗАО «Уральский турбинный завод» канд. техн. наук А. Ю. Кул-
тышев

Научный редактор проф., д-р техн. наук В. И. Брезгин

 
Плотников, П. Н.
П39    Детали машин: расчет и конструирование : учебное пособие / П. Н. Плотников, 
Т. А. Недошивина. — Екатеринбург : Изд-во урал. ун-та, 2016. — 
236 с.

ISBN 978-5-7996-1727-1

Приведены основные этапы проектирования и конструирования машин, требования, 
предъявляемые к проектируемым изделиям. Даны общие сведения о де-
талях машин, материалах, напряжениях, причинах выхода их из строя и критериях 
работоспособности. Изложены основы определения сил, действующих на детали, 
и расчета элементов конструкций по основным критериям работоспособности.
Учебное пособие составлено с учетом требований государственных стандар-
тов и единой системы конструкторской документации.
Учебное пособие может быть использовано студентами очного и заочного об-
учения для самостоятельной работы, при выполнении контрольных заданий, кур-
совых проектов по деталям машин, а также при подготовке к экзаменам по курсу 
«Детали машин и основы конструирования».

Библиогр.: 17 назв. Рис. 111. Табл. 8.

УДК 62-2(075.8)
ББК 34.44-02я73

ISBN 978-5-7996-1727-1 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Предисловие

У

чебное пособие по дисциплине «Детали машин и основы кон-
струирования» предназначено для студентов, обучающихся 
по направлению подготовки 13.03.03 «Энергетическое ма-
шиностроение».
Изучение курса «Детали машин и основы конструирования» под-
разумевает использование большого числа литературных источни-
ков, в том числе ряда специфических, необходимых для более глубо-
кого освоения материала применительно к направлению подготовки 
13.03.03 «Энергетическое машиностроение». В связи с этим в пособии 
рассмотрены как вопросы конструирования разного рода деталей, уз-
лов, соединений общемашиностроительного назначения, так и вопро-
сы конструирования узлов и соединений, применяющихся в энерго-
машиностроении. Приведены расчетные формулы, критерии расчета, 
выбор материалов деталей и т. д.
Для удобства использования учебное пособие разбито на отдель-
ные главы в соответствии с программой курса. Каждая глава разбита 
на отдельные темы. Некоторые главы изложены достаточно сжато, что 
предполагает самостоятельное изучение части материала. В конце гла-
вы приводятся вопросы для самоконтроля по изученному материалу.
Пособие предназначено для студентов всех форм обучения для под-
готовки к лекциям, зачетам и экзаменам. В связи с использованием 
дистанционных технологий в обучении учебное пособие является до-
полнительным материалом для возможности электронного обучения 
студентов.

Словарь терминов

Деталь — изделие, выполненное из однородного по марке и наиме-
нованию материала, без применения сборочных операций.
Сборочная единица (узел) — совокупность деталей, объединенных 
общим назначением.
Механизм — система звеньев, преобразующая движение одних звеньев 
в требуемые движения других.
Машина — устройство, выполняющее механические движения с целью 
преобразования энергии, материалов или информации.
Прочность — способность детали выдерживать рабочие нагрузки 
без разрушения.
Жесткость — это способность системы сопротивляться действию 
внешних нагрузок с наименьшими деформациями либо с допустимыми 
деформациями, не приводящими к нарушению работоспособности 
системы.
Упругость — способность восстанавливать первоначальные форму 
и размеры детали после снятия нагрузки.
Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя 
во времени значения установленных эксплуатационных показателей 
в определенных пределах, соответствующих заданным режимам 
и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, 
хранения и транспортирования.
Коррозия — процесс постоянного разрушения поверхностных слоев 
металла в результате его окисления.

1. Составные части проектирования. 
Принципы и методика конструирования

1.1. Проектирование и конструирование

Непрерывное развитие техники требует новых знаний от конструк-
торов и проектировщиков. Вместе с тем необходимо обладать обшир-
ными познаниями в области уже существующих проектов, материа-
лов, технологий.
Конструировать — значит создавать конструкцию механизмов, ма-
шин, аппаратов. Конструктор — специалист, знающий не только по-
рядок, способы и методы создания конструкции, но и способы и ме-
тоды изготовления составных частей этой конструкции и материала, 
из которой она изготовляется.
Целью и результатом разработки новых изделий является само изде-
лие. Изделие относится к сфере материальных объектов и служит для 
удовлетворения требований производства и потребностей человека.
Разработка новых изделий осуществляется инженерно-техническим 
персоналом путем проектирования и конструирования. Проектиро-
вание и конструирование являются процессами взаимосвязанными, 
дополняющими друг друга, но все же разными. Конструктивная фор-
ма объекта уточняется с помощью методов проектирования — произ-
ведением расчетов параметров, прочностных расчетов, оптимизации 
и т. д. В свою очередь, проектирование возможно при предваритель-
но принятых вариантах конструктивного выполнения условного объ-
екта. Часто эти два процесса не различают, поскольку выполняются, 
как правило, специалистами одной профессии — инженерами-кон-
структорами.
Проектирование предшествует конструированию и представляет со-
бой поиск научно-обоснованных, технически осуществимых и эконо-

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

мически целесообразных решений. Результатом проектирования яв-
ляется проект разрабатываемого объекта. Проектирование — выбор 
некоторого способа действия, позволяющего решать поставленную 
задачу при определенных условиях и ограничениях.
Конструированием создается однозначная, конкретная конструк-
ция изделия. Конструкция — это устройство, взаимное расположение 
частей и элементов какого-либо предмета, машины, прибора, опре-
деляющееся его назначением. Конструкция предусматривает способ 
соединения, взаимодействие частей, а также материал, из которого 
отдельные части (элементы) должны быть изготовлены. В процессе 
конструирования создаются изображения и виды изделия, рассчитывается 
комплекс размеров с допускаемыми отклонениями, выбирается 
соответствующий материал, устанавливаются требования к шероховатости 
поверхностей, технические требования к изделию и его 
частям, создается техническая документация. Конструирование опирается 
на результаты проектирования и уточняет все инженерные решения, 
принятые при проектировании.
С одной стороны, конструирование машин — процесс творческий, 
независим от того, выполняется он студентом или опытным инженером. 
Каждая конструкторская задача имеет много решений. Опираясь 
на имеющиеся теоретические знания и практический опыт, 
конструктор должен выбрать из многих возможных решений одно — 
наилучшее. При этом ему приходится принимать во внимание часто 
противоречивые технологические и эксплуатационные требования, 
предъявляемые к проектируемому изделию. Нередко правильное решение 
может быть принято только после проведения сравнительных 
технико-экономических расчетов по конкурирующим конструктив-
ным вариантам.
При конструировании одновременно должны решаться две основные 
задачи создания:
— машина должна в полной мере отвечать эксплуатационным требованиям;
— 
быть наиболее экономичной в изготовлении и обслуживании 
во время эксплуатации.
При конструировании изделия конструктор должен предусмотреть 
возможный метод получения заготовок каждой детали. В ряде случаев 
конструктор принимает во внимание специфические требования 
технологии термической обработки, а также требования технологии 

1.1. Проектирование и конструирование

окраски деталей. При конструировании изделия и его деталей учитывают 
также особенности механической обработки деталей и сборки.
Все перечисленные и другие требования технологии оказывают 
вполне определенное влияние на конструкцию изделия и его деталей. 
Поэтому общепризнанной является связь между конструкцией изделия 
и технологией его изготовления. С другой стороны, известно, что 
технологический процесс любого вида (получение заготовок, механическая 
обработка, сборка) зависит не только от конструкции изделия, 
но и от объема выпуска изделия. При единичном и мелкосерийном 
выпуске экономически оправдано выполнение пригоночных опера-
ций при сборке — подрубка, припиловка, шабрение. В крупносерий-
ном и массовом производстве пригоночные операции нежелательны.
При единичном производстве широкое применение находят свар-
ные детали простой формы и поковки, полученные ковкой. При мас-
совом производстве широко применяют разные виды точного литья, 
а также горячую и холодную штамповку, чеканку, штампосварку и т. д.
Механическую обработку деталей изделия единичного производства 
выполняют на универсальном оборудовании простейшим инструмен-
том и без специальных приспособлений.
В мелкосерийном производстве все шире применяются станки с про-
граммным управлением, в том числе «обрабатывающие центры», ко-
торые предъявляют определенные требования к конструкции деталей.
При крупносерийном и массовом производстве широкое примене-
ние находят специальное оборудование, а также специальные приспо-
собления и инструмент, которые предъявляют свои специфические 
требования к конструкции изделия. Поэтому изделия единичного или 
мелкосерийного производства конструктивно отличаются от изделий 
массового выпуска. Следовательно, объем выпуска, технология и кон-
струкция изделия находятся в тесной взаимосвязи.
Очевидно, что в современных условиях для создания технически 
грамотной конструкции изделия необходимо при его конструирова-
нии одновременно обеспечивать высокие эксплуатационные показа-
тели и высокую степень технологичности конструкции.
Основные технологические требования к проекту:
1. Обоснование применения каждого механизма, каждой детали 
механизма, каждого элемента конструируемой детали.

2. Учет основных требований технологии сборки и разборки:
 
а) удобство сборки и регулировки;

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

б) удобство разборки, уменьшение объема ручных пригоночных 
операций на сборке;
в) уменьшение цикла сборки.

3. Соответствие конструктивных форм детали условиям техноло-
гии получения заготовки и технологии механической ее обра-
ботки при заданном объеме выпуска.

4. Экономное расходование материалов, особенно металла.
5. Широкое использование стандартных узлов и деталей.
6. Надежность смазки всех трущихся поверхностей деталей.
7. Обеспечение достаточных расстояний между деталями.
Таким образом, задача конструктора состоит в создании машин, 
отвечающих требованиям потребителя, дающих наибольший экономический 
эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими 
и эксплуатационными показателями. К ним относятся высокая 
производительность, экономичность, прочность, надежность, 
малая масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость 
ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высокий 
ресурс долговечности и степень автоматизации, простота и безопасность 
обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.
Помимо вышеперечисленных показателей при конструировании 
должны соблюдаться требования технической эстетики — машины должны 
иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку. Удельный 
вес каждого из перечисленных факторов зависит от назначения машины.
Таким образом, чтобы перечисленные требования к конструируемым 
машинам и механизмам и их показатели претворялись в жизнь, 
необходимо научиться конструировать активно, а именно: во-первых, 
не слепо копировать существующие образцы, а осмысленно, выбирая 
из всего многообразия существующих конструктивных решений наи-
более целесообразные в данных условиях; во-вторых, уметь сочетать 
различные конструктивные решения и находить новые, улучшенные, 
т. е. конструировать с творческой инициативой; в-третьих, стремить-
ся непрерывно улучшать показатели машин; в-четвертых, необходи-
мо учитывать динамику развития промышленности и не создавать мо-
рально устаревшие машины.
Особое внимание следует уделять вопросам надежности и долго-
вечности. Увеличение надежности и долговечности машин обычно 
связывают в первую очередь с переходом на новые высококачествен-
ные материалы, с совершенствованием технологии обработки деталей, 

1.1. Проектирование и конструирование

применением различных средств, способствующих уменьшению из-
нашивания. Однако основные качества новой машины или механиз-
ма закладываются в них на самой первой стадии проектирования, ког-
да выбирается структурная схема и главные параметры.
Стоимость проектирования, изготовления, эксплуатации и ремон-
та машин значительно снижается благодаря стандартизации и унифи-
кации деталей машин.
Стандартизация играет большую роль в развитии человечества. 
Если бы не было стандартизации, то при проектировании новой ма-
шины пришлось бы большую часть деталей машин (болты, гайки, под-
шипники качения и др.) изготовлять при индивидуальном или мелко-
серийном производстве. Вместо испытаний материалов стандартных 
марок потребовалось бы гораздо больше исследований, что ослож-
нило бы кооперацию между предприятиями, отраслями и странами. 
Стандартизация принципиально сокращает необходимый типаж ма-
шин и других изделий.
Сложившаяся практика стандартизации деталей машин показывает, 
что выбор и обоснование объектов стандартизации из числа деталей 
не могут выполняться раздельно. Выбор детали должен быть обосно-
ванным, а степень убедительности обоснования характеризует пра-
вильность выбора. Решение о рациональности выбора основывается 
на результате технико-экономических расчетов и исследований, про-
ведение которых следует считать обязательным. Тем самым будут све-
дены к минимуму случаи непроизводительных затрат на отраслевую 
унификацию и стандартизацию.
Унификация — это многократное применение в машинах одних 
и тех же элементов конструкции, деталей и узлов. В результате уни-
фикации растет объем производства одних и тех же деталей, снижает-
ся стоимость их изготовления и уменьшается номенклатура запасных 
частей. Появляется возможность организации специализированного 
производства деталей и узлов двигателей.
Стандартизация, так же как нормализация и унификация, имеет це-
лью повышение массовости, серийности производства машин и обо-
рудования. Вместе с тем основная задача стандартизации — повыше-
ние качества машин и механизмов. Стандартизация — это система 
мероприятий по обеспечению единообразных обязательных свойств 
изделий и их частей. Стандартизованными могут быть также матери-
алы, производственные процессы, методы испытаний и единицы из-

1. Составные части проектирования. Принципы и методика конструирования

мерений, конструкторская документация и пр. В России выпускают-
ся национальные, государственные общесоюзные стандарты, а также 
межотраслевые, отраслевые и заводские нормы. Под нормализаци-
ей понимается стандартизация, проводимая в масштабе одной или 
нескольких отраслей либо предприятия.
Распространение стандартизации на группы машин потребовало 
разработки типажа машин с взаимной увязкой их основных параме-
тров (в частности, мощности электродвигателей, грузоподъемности 
грузовых автомобилей и т. п.).
Стандартизация и унификация деталей упрощают машину, ускоря-
ют проектирование новых машин, создают возможность массового или 
крупносерийного производства стандартных деталей с применением 
наиболее прогрессивных методов, снижают трудоемкость изготовле-
ния деталей, сокращают количество станков, инструментов, моделей, 
дают возможность использовать стандартный инструмент, уменьшают 
расход машиностроительных материалов и запасных частей, облегча-
ют и ускоряют ремонт машин.

1.2. Основные критерии работоспособности  
деталей машин

Прочность. Является главным критерием работоспособности боль-
шинства деталей. Разрушение деталей и частей машины вследствие 
потери прочности приводит не только к простоям, но и к несчаст-
ным случаям.
При оценке прочности все нагрузки разделяют на постоянно действующие 
и переменные. К постоянным можно отнести нагрузку 
от действия силы тяжести, например от начальной затяжки болтов. 
При этом они также могут быть переменными: при вращении вала 
часть волокна растягивается, часть сжимается. Чисто переменные напряжения 
вызываются спецификой работы деталей и узлов (поршни 
ДВС, газодинамика потока в турбине и т. д.).
Различают разрушение деталей из-за потери статической прочности 
или сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит 
тогда, когда значение рабочих напряжений превышает предел