УДК 621.81(075)
ББК 34.44я73
С50
Смирнов, А. И.
С50
Детали машин : учебное пособие / А. И. Смирнов. — Москва : Директ-Медиа,
2022. — 676 с.
ISBN 978-5-4499-2763-7
В учебную программу технических вузов введены новые дисциплины, отражающие состояние
науки и техники. При ограниченном сроке обучения это привело к значительному
сокращению количества лекционных часов по курсу «Детали машин». Восполнить
появившийся недостаток в знаниях студентов можно за счет самостоятельного изучения
необходимых разделов курса по предлагаемому учебному пособию.
Учебное пособие состоит из трех основных частей: теории вопроса, примеров и задач.
В теоретической части по большинству механических передач в конце раздела приводится
алгоритм расчета. Все задачи пособия были предварительно решены, а к части из них
даны ответы. Соотношение примеров и задач 1 : 1,5 (при общем числе более трехсот).
Примеры и задачи носят практическую направленность. Некоторые примеры и предложенные
методы их решения представляют интерес и для специалистов в области проектирования
и конструирования деталей и узлов машин. Содержащийся в пособии
справочный материал является достаточным, и пользователю не придется тратить время
на поиск нужных данных.
При решении некоторых задач по сварным соединениям с консольно расположенными
нагрузками получаются биквадратные уравнения, которые не решаются в радикалах. Такие
задачи автор предложил (примеры в пособии) решать графическим способом. Метод
довольно прост, а точность результата расчетов всегда может быть согласована с точностью
исходных данных. Кроме того, в пособии на примерах показано как правильно работать
с числами.
Пособие предназначено для студентов машиностроительных специальностей, а также
начинающих конструкторов. Особенно оно окажется нужным студентам технических
учебных заведений дневной, вечерней и заочной форм обучения, выполняющим домашние,
контрольные задания и курсовой проект. Не исключаю, что окажется полезным всем,
чья деятельность в той или иной степени связана с деталями машин.
УДК 621.81(075)
ББК 34.44я73
ISBN 978-5-4499-2763-7
© Смирнов А. И., текст, 2022
© Издательство «Директ-Медиа», оформление, 2022
Стр.3
ОГЛАВЛЕНИЕ
От автора ........................................................................................................................................................................... 9
1. Расчет деталей при повторно-переменных напряжениях ........................................................... 10
1.1. Общие сведения о прочности деталей .......................................................................................... 10
1.2. Допускаемые напряжения материалов при статической нагрузке ............................. 12
1.3. Переменные напряжения ..................................................................................................................... 14
1.3.1. Циклы напряжений и их основные параметры ............................................................. 14
1.3.2. Расчет на прочность при линейном и сложном напряженных
состояниях ...................................................................................................................................................... 26
Примеры .................................................................................................................................................................. 33
Задачи ....................................................................................................................................................................... 46
2. Фрикционные передачи ................................................................................................................................... 51
2.1. Вращательное движение и его основные параметры .......................................................... 51
2.2. Общие сведения о фрикционных передачах ............................................................................. 53
2.3. Цилиндрическая фрикционная передача ................................................................................... 55
2.3.1. Основные геометрические и кинематические соотношения. Силы,
действующие в передаче ........................................................................................................................ 55
2.3.2. Расчет цилиндрической фрикционной передачи на контактную
выносливость ................................................................................................................................................ 56
2.3.3. Алгоритм расчета цилиндрической фрикционной передачи ............................... 59
2.4. Коническая фрикционная передача ............................................................................................... 60
2.4.1. Основные геометрические и кинематические соотношения. Силы,
действующие в передаче ........................................................................................................................ 60
2.4.2. Расчет конической фрикционной передачи на контактную
выносливость ................................................................................................................................................ 60
2.4.3. Алгоритм расчета конической фрикционной передачи .......................................... 62
2.5. Вариаторы ..................................................................................................................................................... 63
Примеры .................................................................................................................................................................. 66
Задачи ....................................................................................................................................................................... 81
3. Ременные передачи ............................................................................................................................................ 83
3.1. Общие сведения.......................................................................................................................................... 83
3.2. Передачи плоскими и клиновыми ремнями .............................................................................. 88
3.2.1. Кинематические и геометрические соотношения в плоскоременной
передаче ........................................................................................................................................................... 88
3.2.2. Расчет плоскоременной передачи по тяговой способности .................................. 91
3.2.3. Расчет клиноременной передачи по тяговой способности .................................... 96
3.2.4. Поликлиноременная передача и ее расчет ................................................................... 101
3.2.5. Алгоритм расчета поликлиноременной передачи ................................................... 103
3.3. Передача зубчатыми ремнями и ее расчет .............................................................................. 105
3
Стр.4
3.4. Шкивы ременных передач ................................................................................................................ 108
Примеры ............................................................................................................................................................... 112
Задачи .................................................................................................................................................................... 123
4. Цепные передачи .............................................................................................................................................. 127
4.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 127
4.2. Цепи и звездочки .................................................................................................................................... 128
4.3. Основные геометрические и кинематические соотношения в передаче .............. 132
4.4. Силы в ветвях цепи ................................................................................................................................ 135
4.5. Подбор и проверка цепей на долговечность .......................................................................... 137
4.5.1. Роликовые (втулочные) цепи ............................................................................................... 137
4.5.2. Алгоритм расчета роликовой цепной передачи ........................................................ 138
4.6. Зубчатые цепи .......................................................................................................................................... 140
Примеры ............................................................................................................................................................... 142
Задачи .................................................................................................................................................................... 160
5. Резьбовые соединения ................................................................................................................................... 163
5.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 163
5.2. Материалы, классы прочности и допускаемые напряжения ........................................ 167
5.3. Силовые соотношения в кинематической паре «винт-гайка» ..................................... 168
5.4. Расчет резьбовых соединений ........................................................................................................ 170
5.4.1. Расчет крепежной резьбы ....................................................................................................... 170
5.4.2. Расчет болтовых соединении ............................................................................................... 171
5.4.3. Расчет клеммовых соединений ........................................................................................... 181
Примеры ............................................................................................................................................................... 183
Задачи .................................................................................................................................................................... 200
6. Заклепочные соединения ............................................................................................................................. 205
6.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 205
6.2. Работа заклепочного соединения при статической нагрузке ...................................... 206
6.3. Классификация заклепочных швов ............................................................................................. 207
6.4. Расчет прочных заклепочных швов соединения, нагруженных осевой силой ... 209
6.5. Работа заклепки на растяжение (отрыв головки) и при переменных
нагрузках ............................................................................................................................................................. 212
6.5.1. Отрыв головки заклепки при работе ее на растяжение ........................................ 212
6.5.2. Работа заклепочного соединения при переменных нагрузках ......................... 213
6.6. Особенности конструирования многорядных швов .......................................................... 213
6.7. Расчет соединений, нагруженных силой и моментом в плоскости стыка
соединяемых деталей ................................................................................................................................... 214
Примеры ............................................................................................................................................................... 216
Задачи .................................................................................................................................................................... 225
4
Стр.5
7. Сварные соединения ....................................................................................................................................... 228
7.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 228
7.2. Виды сварных соединений ............................................................................................................... 228
7.3. Выбор допускаемых напряжений ................................................................................................. 231
7.4. Расчет сварных соединений ............................................................................................................. 233
7.4.1. Расчет стыковых соединений ............................................................................................... 233
7.4.2. Расчет нахлесточных соединений ...................................................................................... 236
7.4.3. Расчет тавровых соединений ................................................................................................ 238
7.4.4. Расчет контактной сварки ...................................................................................................... 241
Примеры ............................................................................................................................................................... 241
Задачи .................................................................................................................................................................... 262
8. Шпоночные и шлицевые соединения ................................................................................................... 267
8.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 267
8.2. Расчет шпоночных и шлицевых соединений ......................................................................... 273
8.2.1. Расчет шпоночных соединений ........................................................................................... 273
8.2.2. Расчет шлицевых соединений .............................................................................................. 275
8.3. Выбор материала и допускаемых напряжений ..................................................................... 282
Примеры ............................................................................................................................................................... 283
Задачи .................................................................................................................................................................... 292
9. Соединения деталей с натягом ................................................................................................................. 295
9.1. Общие сведения....................................................................................................................................... 295
9.2. Расчет на прочность соединений с натягом и подбор посадки ................................... 296
Примеры ............................................................................................................................................................... 305
Задачи .................................................................................................................................................................... 318
10. Зубчатые передачи ........................................................................................................................................ 321
10.1. Общие сведения .................................................................................................................................... 321
10.2. Основы теории зубчатого эвольвентного зацепления .................................................. 321
10.3. Геометрия цилиндрической зубчатой передачи с эвольвентным
зацеплением....................................................................................................................................................... 326
10.4. Корригирование зубчатых колес ............................................................................................... 327
10.5. Силы, действующие в зацеплении ............................................................................................. 331
10.6. Расчет цилиндрической прямозубой передачи на контактную
выносливость .................................................................................................................................................... 332
10.7. Расчет цилиндрической прямозубой передачи на изгибную
выносливость .................................................................................................................................................... 334
10.8. Основные параметры и коэффициенты ................................................................................. 335
10.9. Материалы зубчатых колес и термообработка .................................................................. 338
10.10. Расчет допускаемых напряжений ............................................................................................ 339
10.10.1. Расчет допускаемых напряжений на контактную выносливость .............. 339
5
Стр.6
10.10.2. Расчет допускаемых напряжений на изгибную выносливость ................... 342
10.11. Непрямозубые цилиндрические передачи ........................................................................ 343
10.11.1. Особенности косозубого зацепления ......................................................................... 343
10.11.2. Основные геометрические и кинематические соотношения
в косозубых и шевронных передачах ........................................................................................... 345
10.11.3. Силы, действующие в зацеплении ............................................................................... 346
10.11.4. Расчет косозубой передачи на контактную выносливость ........................... 347
10.11.5. Расчет косозубой передачи на изгибную выносливость ................................. 348
10.12. Конические зубчатые передачи ............................................................................................... 350
10.12.1. Особенности конических передач ................................................................................ 350
10.12.2. Геометрия конических передач с прямыми и кривыми зубьями .............. 351
10.12.3. Силы в зацеплении ................................................................................................................ 356
10.12.4. Расчет конических зубчатых передач ........................................................................ 358
Примеры ............................................................................................................................................................... 361
Задачи .................................................................................................................................................................... 396
11. Червячные передачи .................................................................................................................................... 399
11.1. Общие сведения .................................................................................................................................... 399
11.2. Основные геометрические и кинематические соотношения в червячной
передаче ............................................................................................................................................................... 400
11.3. Расчет червячных передач ............................................................................................................. 405
11.3.1. Силы, действующие в зацеплении, показаны на рис. 11.5 ................................. 405
11.3.2. Проектировочный расчет передачи на контактную выносливость ........... 406
11.3.3. Проверочный расчет передачи на контактную выносливость ...................... 407
11.3.4. Проектировочный и проверочный расчеты передачи на изгибную
выносливость ............................................................................................................................................. 407
11.4. Материалы червяка и червячного колеса. Конструкции червячных колес ....... 408
11.5. Допускаемые напряжения .............................................................................................................. 412
11.5.1. Допускаемые напряжения на контактную выносливость ................................ 412
11.5.2. Допускаемые напряжения на изгибную выносливость ..................................... 413
11.6. Рекомендации по подбору основных расчетных параметров червячной
передачи ............................................................................................................................................................... 413
11.7. Проверка тела червяка на прочность и жесткость ........................................................... 414
11.8. Расчет червячной передачи на нагрев .................................................................................... 416
Примеры ............................................................................................................................................................... 418
Задачи .................................................................................................................................................................... 456
12. Оси и валы .......................................................................................................................................................... 461
12.1. Общие понятия и классификация .............................................................................................. 461
12.2. Расчет осей ............................................................................................................................................... 468
12.3. Предварительный расчет и конструирование валов ..................................................... 471
6
Стр.7
12.4. Расчет валов на прочность и жесткость ................................................................................. 474
12.4.1. Нагрузки на валы и расчетные схемы ........................................................................... 474
12.4.2. Расчет валов и осей на статическую прочность ...................................................... 475
12.4.3. Расчет валов и осей на жесткость .................................................................................... 478
12.5. Расчет валов на сопротивление усталости ........................................................................... 481
12.6. Расчет валов на колебания ............................................................................................................. 485
Примеры ............................................................................................................................................................... 489
Задачи .................................................................................................................................................................... 533
13. Подшипники скольжения .......................................................................................................................... 539
13.1. Общие сведения .................................................................................................................................... 539
13.2. Расчет подшипников, работающих в режиме граничного
и полужидкостного трения ....................................................................................................................... 542
13.3. Основные условия возникновения гидродинамической смазки ............................. 546
13.4. Характеристики режима работы подшипников скольжения .................................... 549
13.5. Трение в подшипниках скольжения ......................................................................................... 553
13.6. Определение диаметра подшипника и выбор отношения l/d................................... 555
13.7. Эксплуатационный режим работы подшипников скольжения ................................ 557
13.8. Тепловой расчет подшипников ................................................................................................... 558
13.9. Алгоритм проектировочного расчета подшипника скольжения
с оптимальным значением ξ = 0,3 .......................................................................................................... 560
Примеры ............................................................................................................................................................... 560
Задачи .................................................................................................................................................................... 569
14. Подшипники качения .................................................................................................................................. 571
14.1. Общие сведения .................................................................................................................................... 571
14.2. Классификация подшипников качения и их маркировка ............................................ 573
14.3. Характеристика основных типов подшипников качения ............................................ 574
14.4. Конструктивные соотношения подшипников качения ................................................ 578
14.5. Статика подшипника качения...................................................................................................... 580
14.6. Статическая грузоподъемность подшипника ..................................................................... 581
14.7. Кинематика подшипников качения ......................................................................................... 585
14.8. Выбор и расчет подшипников ...................................................................................................... 586
14.9. Сдвоенные и строенные радиально-упорные шариковые подшипники
и их применение .............................................................................................................................................. 594
14.10. Расчет подшипников при повышенной надежности и типовых режимах
нагружения ......................................................................................................................................................... 597
14.11. Схемы установки подшипников качения ............................................................................ 599
Примеры ............................................................................................................................................................... 606
Задачи .................................................................................................................................................................... 630
7
Стр.8
15. Детали аппаратуры, работающей под давлением ....................................................................... 645
15.1. Общие сведения .................................................................................................................................... 645
15.2. Расчет основных размеров сосуда ............................................................................................. 645
15.3. Некоторые положения по расчету тонкостенных оболочек ...................................... 647
15.4. Тонкая цилиндрическая стенка под внутренним давлением ................................... 648
15.5. Цилиндрическая стенка под наружным давлением ........................................................ 651
15.6. Конструктивные формы и расчет днищ ................................................................................. 652
15.7. Конические днища .............................................................................................................................. 654
15.8. Фланцевые соединения и их расчет ......................................................................................... 657
15.9. Требования правил безопасности .............................................................................................. 663
Примеры ............................................................................................................................................................... 664
Задачи .................................................................................................................................................................... 669
Библиографический список ............................................................................................................................. 672
Стр.9