Детали машин и основы конструирования: Основы расчета и проектирования соединений и передач

Жуков В. А.

Детали машин и основы конструирования: 

Основы расчета и проектирования 

соединений и передач

Учебное пособие

Москва

Инфра-М

2015

Жуков В. А.

Детали машин и основы конструирования: 

Основы расчета и проектирования 

соединений и передач

Учебное пособие

Москва

Инфра-М; Znanium.com

2015

Жуков В.А. Детали машин и основы конструирования: Основы расчета и 
проектирования соединений и передач: Учеб. пособие / В.А. Жуков. – М.: 
Инфра-М; Znanium.com, 2015. – 416 с.

ISBN 978-5-16-102545-1 (online)

Жуков В.А. Учебное пособие соответствует содержанию дисциплины «Детали машин и 
осно-вы конструирования», входящей в состав специальных дисциплин Федерального 
госу-дарственного образовательного стандарта подготовки бакалавров по направлениям: 
141100 – Энергетическое машиностроение, 150400 – Металлургия, 150700 – Машиностроение, 151000 – Технология машиностроения и оборудование, 151600 – Прикладная 
механика, 151900 – Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроитель-ного 
производства, 190100 – Наземные транспортно-технологические комплексы. Первый 
раздел пособия «Основы проектирования механизмов» содержит учебные материалы, 
соответствующие циклу лекций, читаемых студентам, не имеющим опыта анализа 
работоспособности деталей, механизмов и машин и опыта их проектирования. Изучение 
данного учебного материала сопровождается упражнениями и курсовой ра-ботой, 
завершается экзаменом. Во втором разделе «Механические передачи» представ-лены 
материалы, необходимые для самостоятельного ознакомления с теорией и расчѐ-тами 
отдельных видов передач при проектировании приводов по программе курсового 
проектирования дисциплины «Детали машин и основы конструирования», а также проектирования приводов по программе другим специальных дисциплинам. Второй раздел 
содержит примеры и соответствующие материалы, необходимые при определении основных параметров рассматриваемых передач. Учебное пособие предназначено для 
студентов высших учебных заведений, обу-чающихся по указанным выше направлениям 
подготовки бакалавров и специалистов.

ISBN 978-5-16-102545-1 (online)
Жуков В.А, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Целью учебной дисциплины «Детали машин и основы конструирова
ния» является становление начального уровня компетентности в области 
проектирования машин и механизмов, а именно:

– знание основ проектирования механизмов и методов оценки надѐж
ности деталей и узлов;

– умение составлять расчѐтные схемы типовых деталей машин и про
водить оценку их надѐжности расчѐтными методами; 

– опыт проектирования типовых механизмов;
– опыт профессионального взаимодействия. 
В данной дисциплине рассматриваются приложения законов механи
ки, изучаемых в учебных дисциплинах «Теоретическая механика» и «Сопротивление материалов», а также знаний в области технологии конструкционных материалов к решению задач проектирования механизмов и типовых деталей машин. 

Согласно образовательной программе учебная дисциплина «Детали 

машин и основы конструирования» должна обеспечивать переход от умения решать учебные задачи к умению решать профессиональные задачи. 
Принципиальное отличие учебных задач от задач профессиональных состоит в следующем. 

1. Результат решения учебной задачи всегда однозначно определѐн. 

Так, результат решения алгебраического уравнения не зависит от того, кем 
оно решено. Напротив, результат решения профессиональной задачи многовариантен, обусловлен субъективными предпочтениями, опытом и всей 
системой знания, которое известно данному специалисту или группе специалистов к моменту завершения  решения данной задачи. Не исключено, 
что решение при сегодняшнем уровне развития техники и технологии вообще не существует.

2. При решении учебной задачи используются готовые теорети
ческие модели (расчѐтные схемы, формулы, вычислительные программы), 
которые считаются соответствующими поставленной задаче. Напротив, 
представление проектируемых объектов техники и технологии в форме 
моделей для последующего анализа и расчѐтов, как правило, является задачей разработчиков проекта. Далеко не всегда известна степень соответствия (адекватности) принятых моделей реальному объекту. 

3. Процесс решения учебной задачи можно представить алгоритмом, 

т.е. предписанием последовательности операций, выполнение которых 
приводит к одному и тому же конечному результату. Ход решения профессиональной задачи только в самом простейшем случае может быть указан 
последовательностью нескольких этапов. Информация, полученная на каждом предыдущем этапе, в том числе на основе субъективных предпочтений, используется в качестве исходной для последующих этапов решения. 

Соответственно, в процессе решения профессиональной задачи не только 
привлекается новая, но и вырабатывается ранее неизвестная информация. 

4. Решение учебной задачи направляется известным учащимся науч
ным знанием; а решение профессиональной задачи – поставленной целью, 
достижение которой позволило бы разрешить некоторую проблему общества, производства, Человека. При этом научное знание используется как 
одно из средств направления поиска и обоснования возможности достижения желаемого результата.

Естественно, что в образовательном процессе не могут быть воспроизведены пол
ностью условия формирования и принятия решений профессиональных задач. Поэтому 
профессионально ориентированные задачи, решаемые в образовательном процессе, 
обычно называют учебно-профессиональными.

В процессе изучения учебной дисциплины «Детали машин и основы 

конструирования» задачи, предлагаемые для самостоятельного решения, 
усложняются, начиная с уровня учебных задач. 

Простейшая структура решения учебной задачи (рис. В1) такова:

– принцип, закон или правило указывает 

преподаватель;

– имеется набор учебных задач, которые 

можно решить, используя данный закон или 
принцип;

– структурную и расчѐтную модели, ис
пользуемые при решении таких задач (схемы, 
математические формулы, типовые алгоритмы), представляет преподаватель; 

– преподаватель предъявляет и демонст
рирует последовательность простых действий при решении задач на основе данной модели;

– учащиеся решают задачи, выполняя 

аналогичные действия.

Пример задачи В.1. Определить движущую си
лу Fдв при подъѐме груза весом Q по наклонной плоскости; угол наклона , коэффициент трения  f. 

Принцип – условия равновесия материальной точки при наличии сил трения.
Построение расчѐтной модели: 

– указать активные силы, действующие на 

груз, находящийся на наклонной плоскости;

– указать силы, действующие на груз со стороны 

наклонной плоскости при подъѐме груза;

Принцип

З1
З2
З3

Модель

Результат

Исходные  

данные

Процесс 

решения

Д1

Д2

Дn

З1
З2
З3

Рис. В.1

N

Fдв

Q


Fтр

Fдв

Q



– указать координатные оси.

Процесс решения на основе выполнения простых действий:
Д1 – составление системы уравнений равновесия груза под действием всех сил 

при постоянной скорости подъѐма груза:  Fxi = 0 и  Fyi = 0.

Д2 – замена Fтр в уравнениях равновесия груза по формуле Fтр= f N.
Д3 – решение системы уравнений относительно Fдв  и выполнение проверки: 

Fдв = f Q при  = 0 и  Fдв = Q при  = 90°.

Примечание. Условия других задач отличаются, например направлением силы  Fдв

при подъѐме или спуске груза.

Более сложной является структура решения учебных задач (рис. В.2) 

на основе одного принципа, но с использованием различных расчѐтных 
моделей, указанных преподавателем. 

Многообразие моделей не позволяет сфор
мировать схему решения, подобную показанной  на рис. В1. Преподаватель в этом случае формирует последовательность обобщѐнных действий. На примере одной - двух задач 
данного типа он демонстрирует развѐртывание 
обобщѐнных действий в последовательность 
простых действий. В дальнейшем при самостоятельном решении других задач этого же 
типа учащиеся самостоятельно формируют последовательность простых действий в пределах 
каждого обобщѐнного действия.  

Развѐртывание обобщѐнных действий в 

простые и представляет основную трудность 
решения таких задач.

Возможны несколько вариантов выполне
ния обобщѐнных действий, поэтому путь решения одной и той же задачи не единственный. Но 
результат решения однозначен.

Пример задачи В.2. Построить эпюры перерезывающей силы Qy и изгибающего 

момента Mz для данной расчѐтной схемы балки (ось Ох направлена вдоль оси балки, 
ось Оу перпендикулярна оси балки).

Принцип.  Перерезывающая сила Qy и изгибающий момент Mz – это результат 

действия внутренних сил в рассматриваемом сечении балки или стержня находящихся 
под действием внешних нагрузок. Значения силы Qy и момент Mz можно определить на 
основе условий равновесия мысленно отсечѐнной части балки. Следовательно,

– перерезывающая сила Qy в данном сечении равна сумме проекций на ось Оу

всех внешних сил, действующих справа (или слева) от данного сечения;

Принцип

З1
З2
Зn

М1

Результат

Исходные  

данные

Процесс 

решения

ОД1

ОД2

ОДт

З1
З2
З3

Рис. В.2

М2
Мn

Q

N

Fдв


Fтр

х

у

О

– изгибающий момент Mz в данном сечении равен сумме внешних моментов сил 

относительно оси Оz,  действующих справа (или слева) от данного сечения.

Процесс решения на основе выполнения обобщѐнных действий:
ОД1 – определение реакций опор.
ОД2 – составление зависимости Qy(х) от расстояния х данного сечения до начала 

координат.

ОД3 – составление зависимости Mz(х) от расстояния х данного сечения до начала 

координат. 

ОД4 – вычисление значений Qy(х) и Mz(х) в характерных сечениях.
Значение Qy считается положительным, если сумма проекций сил слева от данно
го сечения  положительна. Значение Mz.считается положительным, если сумма моментов сил слева от данного сечения направлена по часовой стрелке. 

ОД5 –
построение эпюр Qy(х) и Mz(х) и выполнение проверки с применением 

дифференциальных зависимостей dMz /dx = Qy и dQy /dx = – q.

Процесс решения учебной задачи 

существенно усложняется при наличии 
нескольких принципов и возможных расчѐтных моделей (рис. В.3). В этом случае 
необходимо

– установить, какой принцип или 

принципы следует использовать;

– выбрать из известных моделей ту, 

которая в наибольшей степени соответствует условиям задачи, или построить новую, объединив несколько известных моделей;

– составить план решения, т.е. из 

уже известных обобщѐнных действий 
самостоятельно разработать новую последовательность;

– развернуть обобщѐнные действия в 

простые действия.

Примечание. Примером учебных задач третьего типа могут служить конкурсные 

задачи по курсу физики и теоретической механики. 

Практическая составляющая учебной дисциплины «Детали машин и 

основы конструирования» ориентирована на формирование способности 
адаптивного проектирования, осуществляемого на основе использования 
моделей (схем, формул, чертежей конструкций и т.п.), соответствие которых реальным процессам и явлениям подтверждено практикой создания и 
эксплуатации аналогичных технических объектов. По существу задача 
проектирования в этом случае сводится к адаптации (приспособлению) 
имеющихся прототипов  механизмов, узлов и деталей к новым условиям 
эксплуатации, при которых известные модели считаются адекватными. 

Пр1

Задача

М1

Результат

Исходное  

знание

Процесс 

решения

ОД1

ОД2

ОДт

Рис. В.3

М2
Мn

Прp
Пр2

Прi

Мj
Мk

Схема решения задачи адаптивного проектирования подобна схеме, 

представленной на рис. ВЗ. Но результат решения не однозначен.

Неоднозначность результата в данном случае обусловлена необходи
мостью самостоятельного ввода информации, не представленной в задании 
на проектирование. Дополнительная информация вводится с учѐтом рекомендаций стандартов, технической литературы, а в некоторых случаях на 
основе субъективных предпочтений разработчика проекта. 

Как правило, такой ввод осуществляется при выполнении практиче
ски любых обобщѐнных действий. Соответственно, возрастает число вариантов возможных направлений поиска решения. 

Существует две стратегии поиска решения задач проектирования. 
Согласно первой стратегии разрабатывается одно из направлений поиска до ко
нечного результата, затем другое, третье и т.д. Из полученных вариантов решения выбирается наиболее рациональный согласно некоторым социальным и экономическим 
критериям. Эта стратегия приводит с значительным затратам труда и времени. По второй стратегией поиск и выбор рационального варианта осуществляется на каждом этапе разработки проекта. Такая стратегия позволяет существенно сократить затраты времени и труда. Однако решения, рациональные поэтапно, могут привести к окончательному нерациональному результату. Поэтому на практике используются обе стратегии 
совместно. Разрабатывается несколько вариантов проекта, в большей или меньшей степени рациональных на каждом из этапов проектирования. Из них и выбирается вариант 
проекта для  последующей разработки рабочей документации. Но и в этом случае не 
исключено, что полученный вариант решения будет правильным, но не рациональным.

По данным американского общества инженеров только один - два из 60 вариантов 

проекта доводятся до изготовления спроектированного изделия.   

Согласно ГОСТ 2.103 – 68 процесс проектирования, в том числе адап
тивного проектирования представлен пятью этапами. 

Первый этап – разработка технического задания (ТЗ), в котором ука
заны наименование и назначение технического объекта, его технические  и 
иные показатели (производительности, надѐжности и долговечности, экономичности и т.п.), определены условия эксплуатации, а также сроки выполнения и затраты на разработку проекта. 

В учебном процессе ТЗ разрабатывается преподавателем, который обычно указы
вает принцип действия проектируемого технического объекта, а также значения нагрузок, режим работы, требуемый ресурс технического объекта, вид производства и т.д.

На основе ТЗ разрабатывается техническое предложение, результатом 

которого является оценка возможности разработки проекта и его целесообразности, обоснование выбора для дальнейшей разработки наиболее рационального варианта из нескольких возможных. 

В учебном проектировании выбор варианта выполняется  на основе критериев, 

указанных руководителем проекта или принятым самим студентом. Это могут быть ограничения по массе, габаритам, по используемым материалам и т.п. 

На этапе эскизного проекта создаются несколько вариантов основных 

узлов и общих видов технического объекта согласно проекту, принятому 
для разработки на основе анализа технического предложения. 

В учебном процессе студент разрабатывает несколько эскизов общих видов и ос
новных узлов, предъявляет их руководителю с обоснованием выбора наиболее рационального варианта. 

На основе эскизного проекта, принятого для дальнейшей разработки, 

создаѐтся технический проект. На этапе технического проекта разрабатываются общие виды технического объекта, его узлов, дающие полное представление об устройстве проектируемого объекта. Выполняются проверочные расчѐты и выбор материалов, уточняются основные параметры узлов и деталей, способы оценки и контроля качества функционирования 
всего объекта и его основных элементов, оценивается соответствие требованиям безопасной работы персонала и т.п. В состав технического проекта 
входят спецификации, сборочные чертежи с указанием требований к качеству сборки и пояснительная записка с необходимыми обоснованиями и 
расчѐтами. 

Создание технического объекта, не имеющего аналогов,  сопровождается, как 

правило, теоретическими и экспериментальными исследованиями (лабораторными, 
стендовыми, полигонными). Необходимость таких исследований определяется на этапе 
эскизного проектирования. По результатам исследований вносятся соответствующие 
коррективы на всех этапах создания нового технического объекта вплоть до принятия 
решения о серийном производстве этого объекта.

Разработки рабочей документации обеспечивает создание докумен
тации, необходимой для изготовления проектируемого объекта (чертежи 
общих видов, узлов и деталей с указанием требований к точности изготовления и качеству материалов, спецификации и документация на изготовление, условия сборки, испытания и эксплуатации). 

Таким образом, в процессе проектирования содержание проекта раз
вивается от постановки задачи создания технического объекта определѐнного назначения, обоснования принципа действия и разработки общих видов его конструкции к разработке конструкции отдельных узлов и деталей.  

Инженерная деятельность – это практическая деятельность. Еѐ ре
зультат зависит во многом от достигнутого уровня развития науки, техники и технологии. Умение находить необходимую научно-техническую информацию и рационально использовать эту информацию является важнейшей составляющей как производственной, так и учебной проектной 
деятельности.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ

1. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ,

ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ, НАДЁЖНОСТЬ

1.1.  КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Создание и эксплуатация любого технического объекта (далее ТО), в 

конечном счѐте, направлены на преобразование среды жизнедеятельности 
людей, в том числе  производственной.

Работоспособность (готовность по ГОСТ Р 53480-2009) – это со
стояние технического объекта, при котором он соответствует требуемому 
назначению (с целью удовлетворения общественных, производственных 
или индивидуальных потребностей) и сохраняет значения заданных параметров.в условиях, предписанных нормативно-технической документацией 
(НТД).

Определение понятия «работоспособность» включает в себя описание 

двух основных свойств ТО:

– функциональности как свойство ТО соответствовать его назначе
нию; 

– надѐжности как свойство сохранять требуемое состояние ТО при 

действии различных факторов в условиях эксплуатации и хранения.

Исходным моментом анализа существующего ТО и технического за
дания на проектирование ТО является описание его назначения, функций. 
Такой подход называется функциональным. Рассмотрим классификацию 
технических объектов согласно функциональному подходу.

При создании любого технического объекта (автомобиля, атомной 

подводной лодки, доменной печи и т.п.) инженеры руководствуются  законом сохранения энергии.  

Энергия в физических, химических и технических науках – это физи
ческая величина, являющаяся наиболее обобщѐнной количественной мерой всех известных форм движения. Согласно закону сохранения энергия
изолированной группы объектов остаѐтся неизменной (инвариантной) при 
любых взаимодействиях между этими объектами.

В курсе «Детали машин и основы конструирования» изучаются науч
ные основы и способы обеспечения требуемого функционирования технических объектов с механическим взаимодействием этих объектов и их частей. Под механическим взаимодействием понимается такое взаимодействие, в результате которого могут измениться:

– положением тел друг относительно друга;
– скорость относительного движения тел;
– размеры и  форма взаимодействующих тел.