T E R R A M E C H A N I C A

УДК 621.81.001.66(075.8) ББК 34.42я73

Д83

Издание доступно в электронном виде по адресу https://press.bmstu.ru/catalog/item/8321/

Дунаев, П. Ф.

Д83 Конструирование узлов и деталей машин : учебное пособие / П. Ф. Дунаев, О. П. Леликов ; под ред. О. А. Ряховского — 15-е изд. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2024. — 564, [2] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-6425-8

Изложены основные принципы конструирования узлов и деталей машин, расчеты, позволяющие определить необходимые размеры узлов и деталей машин общемашиностроительного применения. Рекомендации по конструированию и монтажу сопровождаются анализом условий работы деталей в машинах. Рассмотрены современные лазерные приборы, разработанные фирмой SKF (Швеция), для точного измерения расцентровок валов соединяемых узлов в машинах и для выверки положения шкивов клиноременных передач. Описаны конструкция и методика подбора универсальной подводимой опоры, допускающей погрешности взаимного положения корпусов вдоль оси, нормальной к поверхности контакта и углового взаимного смещения соединяемых поверхностей. Приведены методические указания к выполнению чертежей типовых деталей машин и сборочных единиц, правила оформления учебной конструкторской документации. Представлены анализ результатов расчета передач на ЭВМ и рекомендации по выбору оптимального варианта для конструктивной проработки; учтены некоторые изменения в методиках расчетов передач, подшипников качения, конструирования корпусных деталей и др.

Для студентовроительвысшихучебных заведений, обучающихся по машиност ным направлениям подготовки специалистов, а также преподавателей и работников конструкторских бюро предприятий.

УДК 621.81.001.66(075.8) ББК 34.42я73

От Издателя

Подготовка конструкторов-машиностроителей – одна из важнейших задач инженерных вузов, поскольку проблема разработки и промышленного внедрения новых машин не перестает быть актуальной. Студенты в процессе обучения на кафедре «Основы конструирования деталей и узлов машин» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана получают навыки конструирования при выполнении своего первого конструкторского проекта. Знания и умения, необходимые при конструировании деталей и узлов машин, студенты получают на основе знаний, полученных при изучении предшествующих дисциплин: инженерной графики, теоретической механики, теории машин и механизмов, сопротивления материалов.

Учебное пособие «Конструирование узлов и деталей машин» П.Ф. Дунаева и О.П. Леликова является основным пособием, предназначенным для студентов, выполняющих курсовой проект. После выхода в свет в 2006 г. девятого переработанного и дополненного издания учебное пособие переиздавалось еще три раза без изменений (последнее в 2009 г. было выпущено Издательским центром «Академия»). В настоящее время возникла потребность в его переиздании, так как, наряду с другой литературой по конструированию узлов и деталей машин, оно необходимо для подготовки будущих конструкторов-машиностроителей. Поскольку пересмотра основ такой подготовки не произошло, Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана приняло решение подготовить переиздание этого популярного среди студентов и ставшего классическим учебного пособия.

Несмотря на то что последнее издание до сих пор востребовано и не потеряло своей актуальности, Издатель отдавал себе отчет в том, что возможности для совершенствования материала учебного пособия далеко не исчерпаны. Именно это явилось побудительной причиной начать работу над переизданием. К большому сожалению, авторов учебного пособия уже нет с нами, поэтому Издатель обратился к доктору технических наук, профессору кафедры «Основы конструирования деталей и узлов машин» МГТУ им. Н.Э. Баумана О.А. Ряховскому, которого с авторами связывали долгие годы плодотворной совместной работы, с просьбой помочь в подготовке нового издания, став его научным редактором.

В процессе работы научный редактор и Издатель сочли целесообразным сохранить выдержавшие испытание временем избранный стиль изложения, основное содержание и принятую схему структурирования материала. При этом постоянное внимание уделялось актуальности и современности излагаемого материала. Разделы, содержащие материал фундаментального характера, остались практически без изменений.

В настоящем издании учебного пособия подробно описана новая конструкция приборов для точного контроля возможных расцентровок соединяемых валов и способов компенсации расцентровок. Описан прибор для точного монтажа шкивов клиноременных передач и способы простого

перемещения шкивов вдоль оси вращения при регулировке. Представляет несомненный интерес описание конструкции подводимых опор, допускающих компенсацию взаимного осевого и углового смещения соединяемых поверхностей.

Новое издание учебного пособия потребовало провести ревизию представленного в нем графического материала и устранения закравшихся за долгие годы переизданий неизбежных неточностей.

Издатель выражает искреннюю признательность всем, кто внес свою лепту в подготовку настоящего издания, в особенности Г.П. Леликовой, давшей разрешение на переиздание книги, и О.А. Ряховскому, взявшему на себя долгий и кропотливый труд по научному редактированию.

И, наконец, последнее, на что Издатель хотел бы акцентировать внимание читаностелейи. Настоящее издание при всей своей универсаль ориентировано прежде всего на студентов и преподавателей Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана – единственного технического вуза страны, за которым в отличие от других вузов, удостоенных статуса «национальный исследовательский университет», Указом Президента РФ № 732 от 1 июля 2009 года закреплено бессрочное право вести обучение по собственным образовательным стандартам.

Предисловие к 9-му изданию

Машиностроению принадлежит ведущая роль среди других отраслей экономики, так как основные производственные процессы выполняют машины. Поэтому и технический уровень многих отраслей в значительной мере обусловлен уровнем развития машиностроения.

Повышение эксплуатационных и качественных показателей, сокращение времени разработки и внедрения новых машин, повышение их надежностиноидолговечности- — основные задачи конструкторов-маши строителей. Одним из направлений решения этих задач является совершенствование конструкторской подготовки студентов высших технических учебных заведений.

Большие возможности для совершенствования труда конструкторов дает применение ЭВМ, позволяющее оптимизировать конструкции, автоматизировать значительную часть процесса проектирования. Представленные в книге различные конструктивные решения можно использовать для создания графической базы данных, применяемой при проектировании.

Выполнение курсового проекта по «Деталям машин» завершает общетехнический цикл подготовки студентов. Это их первая самостоятельная творческая инженерная работа, при выполнении которой студенты активно используют знания из ряда пройденных дисциплин: механики, сопротивления материалов, технологии металлов, взаимозаменяемости и др.

Объектами курсового проектирования являются обычно приводы различных машин и механизмов (например, ленточных и цепных конвейеров, испытательных стендов, индивидуальные), использующие большинство деталей и узлов общемашиностроительного применения.

Вкниге главное внимание уделено методике конструирования деталей

иузлов машин. Конструирование — процесс творческий. Известно, что каждая конструкторская задача может иметь несколько решений. Важно по определенным критериям сопоставить конкурирующие варианты и выбрать один из них — оптимальный для данных конкретных условий. Такой сравнительный анализ вариантов конструктивных исполнений широко представлен в книге.

Рекомендации по конструированию сопровождаются анализом условий работы узлов и деталей, их обработки и сборки. Излагаемый материал расположен в том порядке, в котором следует работать над проектом. Все сведения, необходимые для выполнения очередного этапа расчетов и конструирования, расположены в одном месте. Даны варианты типовых конструкций.

Рекомендации по конструированию и отдельные конструктивные ре-

шения отражают современный уровень как отечественного, так и зарубежного машиностроения. В последней главе даны справочные таблицы, необходимые при проектировании.

При выполнении курсового проекта студент последовательно проходит от выбора схемы механизма через многовариантность проектных решений до его воплощения в рабочих чертежах; приобщаясь к инженерному творчеству, осваивая предшествующий опыт, учится предвидеть новые идеи в создании машин, надежных и долговечных, экономичных в изготовлении и эксплуатации, удобных и безопасных в обслуживании.

Настоящее издание отличает от предыдущего следующее:

•переработаны главы по методике расчета передач (зубчатых цилиндрических и конических, червячных, планетарных и волновых);

•переработан подраздел по расчету геометрических параметров червячных цилиндрических передач (в соответствии с ГОСТ 19650–97);

•использованы данные и приведены выдержки из вновь введенных стандартов на общие допуски размеров (ГОСТ 30893.1–2002), общие допуски формы и расположения поверхностей (ГОСТ 30893.2–2002), общие технические условия на подшипники качения (ГОСТ 520–2002), а также изменения, внесенные в ГОСТ 2.309 на обозначения шероховатости поверхностей и в ГОСТ 2.420 на упрощенные изображения подшипников качения на сборочных чертежах;

•весь материал книги тщательно сверен с действующей нормативнотехнической документацией, вследствие чего внесены необходимые уточнения.

Учебное пособие «Конструирование узлов и деталей машин» вместе с учебниками и атласами деталей машин составляет необходимый комплект литературы для расчетно-конструкторской подготовки студентов маши-

преподавателям, работникам конструкторских отделов предприятий, про-

ектных и научно-исследовательских организаций.

Авторы выражают благодарность рецензентам книги — профессору, доктору технических наук Ю. Н. Дроздову; профессору, доктору технических наук С. В. Палочкину за полезные советы и замечания.

ГЛАВА 1

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Проектирование начинают с ознакомления с заданием на проект. Техническое задание на проектирование механизма или машины про-

ектная организация получает от предприятия-изготовителя. В техническом задании перечислены основные требования: силовые, габаритные, экономические, эргономические и др., которые должны быть выполнены при проектировании.

Задание на курсовой проект можно рассматривать как часть реального технического задания. Оно может, например, представлять собой кинематическую схему привода (включая схему редуктора) с исходными данными. Следует выполнить необходимые расчеты, выбрать наилучшие параметры схемы и разработать конструкторскую документацию (чертеж общего вида, чертежи сборочных единиц и деталей, пояснительную записку и др.), предназначенную для изготовления привода.

И с х о д н ы е д а н н ы е (рис. 1.1): F t — окружная сила на барабане ленточного или на звездочке цепного конвейера, H; v — скорость движения ленты или цепи, м/с; D б — диаметр барабана, мм; zзв — число зубьев; t зв — шаг тяговой звездочки, мм; Тв — вращающий момент, Н ·м ; п в — частота вращения выходного вала редуктора, мин–1.

ВыборДляэлектрвыборадвигателя. электродвигателя определяют требуемую его мощность и частоту вращения.

Потребляемую мощность, кВт, привода (мощность на выходе) находят по формуле

Pв = F tv/103.

Тогда требуемая мощность электродвигателя

P э.тр = Pв /η общ,

где ηобщ = η1 η2 η3 … ηn — КПД отдельных звеньев кинематической цепи, ориентировочные значения которых с учетом потерь в подшипниках можно принимать по табл. 1.1.

Если на данном этапе работы затруднительно определить передаточное число червячной передачи, то предварительно можно принять η = 0,8.

Далее по табл. 24.9 подбирают электродвигатель с мощностью Р , кВт, и частотой вращения n , мин–1 , ротора, ближайшими к Рэ.тр и пэ.тр. При подборе Р допускается перегрузка двигателя до 8 % при постоянной и до 12 % при переменной нагрузке.

Требуемая частота nэ. тр может стать равной примерно среднему значению между двумя стандартными. Тогда следует сравнить размеры обоих двигателей. Обозначения двигателей в табл. 24.7 содержат две или три цифры, после которых приведены буквы, например: 90L, 100S, 112M. Цифрами обозначен размер h — высота оси вала от опорной поверхности лапок двигателя. Эти цифры характеризуют также и другие размеры электродвигателя. Рекомендуют выбирать электродвигатель с меньшим числом в обозначении (с меньшей высотой h). Масса, размеры и стоимость такого двигателя меньше.

Если это число у обоих двигателей одинаковое, надо выбрать двигатель с меньшей частотой вращения вала. Масса, размеры и стоимость обоих двигателей примерно одинаковые, а передаточные числа и, следовательно, размеры передачи будут меньше.

Пример 1. Выбрать электродвигатель для привода ленточного конвейера

(рис. 1.2): Ft = 10 000 Н; v = 0,63 м/с; Dб = 500 мм.

Д

По табл. 1.1: ηц = 0,93; ηз = 0,97; ηм = 0,98; ηоп = 0,99.

Тогда

ηобщ = 0,93 · 0,972 · 0,98 · 0,99 = 0,849.

Требуемая мощность электродвигателя

Рэ.тр = Рв/η общ = 6,3/0,849 = 7,42 кВт.

Частота вращения приводного вала

пв= 6 · 104v/(π Dб) = 6 · 104 · 0,63/(3,14 · 500) = 24,1 мин–1.

Требуемую частоту вращения вала электродвигателя вычислим, подставляя в формулу для пэ.тр средние значения передаточных чисел из рекомендуемого диапазона для цепной передачи иц и двухступенчатого цилиндрического редуктора иред (см. табл. 1.2 и 1.3):

пэ.тр = пвициред = 24,1 · 2,25 · 22 = 1 193 мин–1.

По табл. 24.9 выбираем электродвигатель АИР132М6: Р = 7,5 кВт;

п = 960 мин–1.

Уточнение передаточных чисел привода. После выбора п определяют общее передаточное число привода:

иобщ = п/пв.

Полученное расчетом общее передаточное число распределяют между редуктором и другими передачами, между отдельными ступенями редуктора.

Если в кинематической схеме кроме редуктора (коробки передач) имеется цепная или ременная передача, то предварительно назначенное передаточное число передачи ип не изменяют и уточняют передаточное число редуктора:

иред = иобщ/и п.

Если в схеме привода отсутствует ременная или цепная передача, то передаточное число редуктора

иред = иобщ.

Передаточные числа иб быстроходной и ит тихоходной ступеней двухступенчатых редукторов определяют по соотношениям табл. 1.4.

uб

Частîты вращения выходного вала коробки передач представляют геометрическую прогрессию со знаменателем ϕ. Если минимальная частота вращения вала п1, то частîты вращения на других передачах: n2 = n 1ϕ;

n3 = n1 ϕ 2 = n2 ϕ; n4 = n1 ϕ 3 = n3 ϕ и т. д.

В общем виде

ni = n1 ϕ i–1 = ni–1 ϕ.

Наиболее употребительны значения ϕ = 1,41; 1,34; 1,25; 1,18.

Пример 2. Уточнить передаточные числа привода по результатам примера 1 (см. рис. 1.2).

Решение. Имеем пв = 24,1 мин–1, п = 960 мин–1. Тогда

иобщ = п/пв = 960/24,1 = 39,83.

Передаточное число цепной передачи иц = 2,25, тогда передаточное число редуктора

иред = иобщ /иц = 39,83/2,25 = 17,70.

По формулам из табл. 1.4 имеем:

uт = 0,88 uред = 0,88 17,70 = 3,7;

иб = иред/и т = 17,70/3,7 = 4,78.

Определение вращающих моментов на валах привода. После определения передаточных чисел ступеней редуктора (коробки передач) вычисляют частоты вращения и вращающие моменты на валах передачи.

Частота вращения вала колеса тихоходной ступени редуктора

п2т = пв и п.

Если в заданной схеме отсутствует ременная или цепная передача, то

п2т = пв.

Частота вращения вала шестерни тихоходной ступени (вала колеса быстроходной ступени двухступенчатого редуктора)

п1т (п2б) = п2т = и т.

Частота вращения вала шестерни быстроходной ступени

п1б = п 2б иб.

Вращающий момент , Н · м , на приводном валу

Тв = 10–3/F tDб/2 или Т в = 10–3/F tDзв/2.

Момент на валу колеса тихоходной ступени редуктора

Т2т = Тв/(η оп ηр ир) или Т2т = Тв /(η опηц иц),

где ηоп — КПД опор приводного вала; ηр, ηц и ир, иц — соответственно КПД и передаточное число ременной и цепной передач.

При отсутствии этих передач в схеме привода (здесь им — КПД муфты)

Т2т = Тв /(ηмηоп).

Вращающий момент на валу шестерни тихоходной ступени (на валу колеса быстроходной ступени редуктора)

Т1т(Т 2б) = Т2т/(ηз.т ит),

где ηз.т — КПД зубчатой передачи тихоходной ступени редуктора. Момент на валу шестерни быстроходной ступени

Т1б = Т2б / (η з.б иб),

где ηз.б — КПД зубчатой передачи быстроходной ступени редуктора.

ГЛ А В А 2

РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ И ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ

После определения вращающих моментов и частот вращения валов выполняют основной проектный расчет передач.

2.1. РАСЧЕТ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ*

Исходные данные: Т1 — вращающий момент на шестерне, Н·м; n1 — частота вращения шестерни, мин–1; и — передаточное число; схема передачи; Lh — время работы передачи (ресурс), ч.

Выбор твердости, термической обработки и материала колес. В зависи-

мости от вида изделия, условий его эксплуатации и требований к габаритным размерам выбирают необходимую твердость колес и материалы для их изготовления.

Для силовых передач чаще всего применяют сталь. Передачи со стальными зубчатыми колесами имеют минимальную массу и габариты, тем меньшие, чем выше твердость рабочих поверхностей зубьев, которая зависит от марки стали и варианта термической обработки (табл. 2.1).

* Подробнее, с учетом ГОСТ 21354–87, расчет зубчатых передач изложен в работах

[8, 17].

насыщение углеродом) с последующей закалкой наряду с большой твердостью поверхностных слоев обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб. Марки стали одинаковы для колеса и шестерни: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12XH3A, 25ХГР и др.

Кроме цементации применяют также нитроцементацию (твердость поверхности 56...63 HRC, стали марок 25ХГР, 30ХГТ) и азотирование (твердость поверхности 58...67 HRC, стали марок 38Х2МЮА, 40ХН2МА). При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Несущая способность зубчатых передач no контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Поэтому целесообразно

применение поверхностного термического или химико-термического упрочнения. Эти виды упрочнения позволяют в несколько раз повысить нагрузочную способность передачи по сравнению с улучшаемыми сталями. Например, допускаемые контактные напряжения [σ] H цементованных зубчатых колес в 2 раза превышают значения [σ] H колес, подвергнутых термическому улучшению, что позволяет уменьшить массу в 4 раза.

Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев сле-

дует иметь в виду, что большей твердости соответствует более сложная технология изготовления зубчатых колес и малые размеры передачи (что может привести к трудностям при конструктивной разработке узла).

Допускаемые контактные напряжения [σ]Н1 для шестерни и [σ] Н2 для колеса определяют по общей зависимости (но с подстановкой соответствующих параметров для шестерни и колеса), учитывая влияние на контактную прочность долговечности (ресурса), шероховатости сопрягаемых поверхностей зубьев и окружной скорости:

[σ]Н = σН lim ZN ZR Zv /SH.

Предел контактной выносливости σН lim вычисляют по эмпирическим формулам в зависимости от материала и способа термической обработки зубчатого колеса и средней твердости (НВср или HRCcp) на поверхности зубьев (табл. 2.2).

Меньшие значения соответствуют твердым передачам, работающим при малых окружных скоростях (v ≤ 5 м/с). При более высоких значениях окружной скорости возникают лучшие условия для создания надежного масляного слоя между контактирующими поверхностями зубьев, что позволяет повысить допускаемые напряжения:

Zv = 0,85v 0,1 ≥ 1 при Н ≤ 350 НВ; Zv = 0,925v 0,05 ≥ 1 при Н > 350 НВ.

Допускаемое напряжение [σ]H для цилиндрических и конических передач с прямыми зубьями равно меньшему из допускаемых напряжений шестерни

[σ]H1 и колеса [σ]H2 .

Для цилиндрических передач с непрямыми зубьями в связи с расположением линии контакта под углом к полюсной линии допускаемые напряжения можно повысить до значения

[σ ]H = 0,5([σ]2H 1 +[σ]2H 2 )

при выполнении условия [σ] H ≤ 1,2 [σ]H min.

Для конических передач с непрямыми зубьями [σ]H = [σ] H min, где

— меньшее из двух: [σ]H1 , [σ]H2 .

Допускаемые напряжения изгиба зубьев шестерни [σ] F1 и колеса [σ] F2

определяют по общей зависимости (но с подстановкой соответствующих параметров для шестерни и колеса), учитывая влияние на сопротивление усталости при изгибе долговечности (ресурса), шероховатости поверхности выкружки (переходной поверхности между смежными зубьями) и реверса (двустороннего приложения) нагрузки:

[σ]F = sF limYNYRYA /S F.

Применение некоторых способов упрочнения (обдувка дробью, накатка или чеканка впадины, электрополирование) позволяет повысить изломную прочность приблизительно на 25 %.

Предел выносливости σF lim при отнулевом цикле напряжений вычисляют по эмпирическим формулам (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Минимальные значения коэффициента запаса прочности: SF = 1,55 —

для цементованныхS и нитроцементованных зубчатых колес; F =1,7 — для остальных.

Коэффициент долговечности YN учитывает влияние ресурса:

где YN max = 4 и q = 6 — для улучшенных зубчатых колес; YN max = 2,5 и q = 9 для закаленных и поверхностно-упрочненных зубьев.

В соответствии с кривой усталости напряжения σF не могут иметь

Второй знак неравенства ограничивает допускаемые напряжения по условию предотвращения пластической деформации или хрупкого разрушения зуба.

Коэффициент YR, учитывающий влияние шероховатости переходной поверхности между зубьями, принимают: YR = 1 при шлифовании и зубофрезеровании с параметром шероховатости Rz ≤ 40 мкм; YR = 1,05...1,2 при полировании (большие значения при улучшении и после закалки

(реверса). При одностороннем приложении нагрузки YA= 1. При реверсивном нагружении, одинаковых нагрузке и количестве циклов нагружения в прямом и обратном направлении (например, зубья сателлита в планетарной передаче): YA = 0,65 — для нормализованных и улучшенных марок стали; YА = 0,75 — для закаленных и цементованных; YA = 0,9 — для азотированных.