Теория механизмов и машин. Ч. 1: Структура, кинематика и кинетостатика механизмов

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ

Ю.И. ЕВДОКИМОВ

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН

ЧАСТЬ 1

СТРУКТУРА, КИНЕМАТИКА

И КИНЕТОСТАТИКА МЕХАНИЗМОВ

Курс лекций

Новосибирск 2013

УДК 621.01
ББК 34.41

Кафедра теоретической и прикладной механики

Рецензент канд. техн. наук, проф. В. В. Коноводов

Евдокимов Ю. И. Теория механизмов и машин. Ч. 1: Струк
тура, кинематика и кинетостатика механизмов: курс лекций / Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т.– Новосибирск: Изд-во НГАУ, 
2013.– 136 с.

Курс лекций содержит основные положения курса «Теория механиз
мов и машин», изложенные в краткой конспективной форме. В первой части представлены теоретические положения разделов: структурный анализ 
и синтез, а также классификация механизмов; кинематический анализ и элементы геометрического синтеза плоских рычажных механизмов; силовое 
исследование плоских рычажных механизмов. Изложение дано на основе 
графических, аналитических и графоаналитических методов определения 
параметров механизмов.

По каждому разделу приведены примеры решения задач на основе 

рассмотренного теоретического материала.

Предназначен для студентов Инженерного института всех форм об
учения, обучающихся по следующим направлениям и профилям:

Направление 110800 – Агроинженерия. Профили: 110801.62 – Ма
шины и оборудование в агробизнесе; 110802.62 – Электрооборудование 
и электротехнологии в АПК; 110803.62 – Технологическое оборудование 
для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции; 110804.62 –
Технический сервис в агропромышленном комплексе.

Направление 051000 – Профессиональное обучение. Профиль 

051001.62 – Профессиональное обучение (сельское и рыбное хозяйство).

Направление 190600 – Эксплуатация транспортно-технологических 

машин и комплексов. Профиль 190601.62 – Автомобили и автомобильное 
хозяйство.

Направление 190700 – Технология транспортных процессов. Про
филь 190709.62 – Организация и безопасность движения.

Утверждён и рекомендован к изданию методической комиссией Ин
женерного института (протокол № 8 от 20 декабря 2012 г.).

©  Новосибирский государственный 

аграрный университет, 2013

©  Евдокимов Ю. И., 2013

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие сельского хозяйства и повышение про
изводительности труда невозможны без широкого применения механизации и автоматизации трудоёмких технологических процессов. Эффективная эксплуатация 
современной сложной сельскохозяйственной техники 
требует знания многих научных дисциплин, и в первую 
очередь теории механизмов и машин (ТММ). ТММ является базой для подготовки к освоению специальных 
курсов, на которых изучаются различные машины, применяемые в сельском хозяйстве.

Учебная дисциплина «Теория механизмов и ма
шин» базируется на механико-математической подготовке студентов, обеспечиваемой предшествующими курсами: «Физика», «Высшая математика», «Теоретическая 
механика».

Являясь научной основой специальных курсов 

по проектированию и эксплуатации машин отраслевого 
назначения, она ставит задачи научить студентов:

– общим методам исследования и проектирования 

механизмов и машин;

– пониманию общих принципов реализации движе
ния с помощью механизмов и взаимодействия механизмов в машине;

– определять основные кинематические и динами
ческие свойства различных механических систем;

– системному подходу к проектированию машин 

и механизмов, нахождению оптимальных параметров механизмов по заданным условиям работы.

ЛЕКЦИЯ 1

Введение

Теория механизмов и машин – наука об общих мето
дах анализа и синтеза механизмов и машин.

Анализ механизма состоит в исследовании кине
матических и динамических свойств механизма по заданной его схеме.

Синтез механизма заключается в проектировании 

схемы механизма по заданным его свойствам.

Машина есть устройство, выполняющее механиче
ские движения для преобразования энергии, материалов 
и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека.

Технологическая машина изменяет форму, разме
ры, свойства, состояние исходных материалов и заготовок.

Транспортные машины преобразуют только поло
жение материала в пространстве с требуемой скоростью.

Энергетическая машина предназначена для пре
образования одного вида энергии в другой.

Машина-двигатель преобразует какой-либо вид 

энергии в механическую.

Машина-генератор преобразует механическую 

энергию в другой вид энергии.

Рабочая машина предназначена для преобразова
ния материалов.

Информационная машина предназначена для по
лучения и преобразования информации.

Контрольно-управляющая машина предназначе
на для преобразования информации с целью управления 
энергетическими или рабочими машинами.

Математическая машина предназначена для по
лучения математических образов, соответствующих 
свойствам объекта.

Кибернетическая машина предназначена для 

имитации или замены человека в процессах деятельности, присущих только ему или объектам живой природы, 
и обладающая элементами искусственного интеллекта.

Машинный агрегат – техническая система, со
стоящая из одной или нескольких машин, соединённых 
последовательно или параллельно между собой, и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых 
функций.

Машина осуществляет свой рабочий процесс по
средством выполнения закономерных механических движений. Носителем этих движений является механизм. 
Следовательно, механизм есть система твердых тел, подвижно связанных путем соприкосновения и движущихся 
определенным, требуемым образом относительно одного 
из них, принятого за неподвижное. Очень многие механизмы выполняют функцию преобразования механического движения твердых тел.

Краткий исторический очерк

Простейшие механизмы (рычажные, зубчатые и др.) 

были известны с давних времен; постепенно шел процесс их исследования, совершенствования и внедрения 
в практику с целью облегчить труд человека, повысить 
производительность труда.

Так, известно, что выдающийся деятель культуры 

эпохи Возрождения и ученый Леонардо да Винчи (1452–
1519) разработал проекты конструкций механизмов ткацких станков, печатных и деревообрабатывающих машин, 
им сделана попытка определить экспериментальным путем коэффициент трения. Итальянский врач и математик 
Д. Кардан (1501–1576) изучал движение механизмов ча

сов и мельниц. Французские ученые Г. Амонтон (1663–
1705) и Ш. Кулон (1736–1806) первыми предложили формулы для определения силы трения покоя и скольжения.

Выдающийся математик и механик Л. Эйлер (1707–

1783), швейцарец по происхождению, 30 лет жил и работал в России, профессор, а затем действительный член 
Петербургской академии наук, автор 850 научных трудов, 
решил ряд задач по кинематике и динамике твердого тела, 
исследовал колебания и устойчивость упругих тел, занимался и вопросами практической механики, исследовал, 
в частности, различные профили зубьев зубчатых колес 
и пришел к выводу о том, что наиболее перспективный 
профиль – эвольвентный.

Известный 
русский 
механик 
и 
изобретатель 

И. И. Ползунов (1728–1766) впервые разработал проект 
механизма двухцилиндрового парового двигателя (осуществить который ему, к сожалению, не удалось), сконструировал автоматический регулятор питания котла 
водой, устройство для подачи воды и пара и другие механизмы. Выдающийся механик И. И. Кулибин (1735–1818) 
создал знаменитые часы в форме яйца, представляющие 
собой сложнейший по тем временам механизм автоматического действия.

В связи с развитием машиностроения как отрасли 

промышленности появилась потребность в разработке 
общих научных методов исследования и проектирования механизмов, входящих в состав машин. Эти методы 
способствовали созданию наиболее совершенных для 
своего времени машин, выполняющих наилучшим образом определенные требуемые функции. Известно, что 
машиностроение как отрасль промышленности начала 
складываться еще в XVIII в., а в XIX в. она стала быстро 
развиваться, особенно в Англии и США.

В России первые машиностроительные заводы 

появились в XVIII в.; в 1861 г. их было уже свыше ста, 
а в 1900 г. примерно 1417.

Высокоразвитое отечественное машиностроение 

было одним из факторов, обеспечивших победу в Великой Отечественной войне; в настоящее время машиностроение в числе других отраслей народного хозяйства 
успешно решает задачи ускорения научно-технического 
прогресса страны.

Как наука теория механизмов и машин под названи
ем «Прикладная механика» начала формироваться в начале XIX в., причем тогда разрабатывались в основном 
методы структурного, кинематического и динамического 
анализа механизмов. И лишь с середины XIX в. в теории 
механизмов и машин получают развитие общие методы 
синтеза механизмов. Так, знаменитый русский ученый,
математик и механик академик П. Л. Чебышев (1821–
1894) опубликовал 15 работ по структуре и синтезу рычажных механизмов, при этом на основе разработанных 
методов он изобрел и построил свыше 40 различных новых механизмов, осуществляющих заданную траекторию, останов некоторых звеньев при движении других 
и т. д.; структурная формула плоских механизмов называется сейчас формулой Чебышева.

Немецкий ученый Ф. Грасгоф (1826–1893) дал мате
матическую формулировку условия проворачиваемости 
звена плоского рычажного механизма, которое необходимо при его синтезе. Английские математики Д. Сильвестр (1814–1897) и С. Робертс (1827–1913) разработали 
теорию рычажных механизмов для преобразования кривых (пантографов).

И. А. Вышнеградский (1831–1895), известный как 

один из основоположников теории автоматического ре

гулирования, сконструировал ряд машин и механизмов 
(автоматический пресс, подъемные машины, регулятор 
насоса) и, будучи профессором Петербургского технологического института, создал научную школу конструирования машин.

Методы синтеза зубчатых механизмов, широко 

применяемых в различных машинах, отличаются определенной сложностью. Многие ученые работали в этой 
области. Французский геометр Т. Оливье (1793–1858) 
обосновал метод синтеза сопряженных поверхностей 
в плоских и пространственных зацеплениях с помощью 
производящей поверхности. Английский ученый Р. Виллис (1800–1875) доказал основную теорему плоского 
зацепления и предложил аналитический метод исследования планетарных зубчатых механизмов. Немецкий машиновед Ф. Рело (1829–1905) разработал графический 
метод синтеза сопряженных профилей, известный в настоящее время как «метод нормалей». Рело также является автором работ по структуре (строению) и кинематике 
механизмов. Русский ученый X. И. Гохман (1851–1916) 
одним из первых опубликовал работу по аналитической 
теории зацепления.

Значительный вклад в динамику машин внес сво
ими трудами «отец русской авиации» Н. Е. Жуковский 
(1847–1921). Он был не только основоположником современной аэродинамики, но и автором целого ряда работ 
по прикладной механике и теории регулирования хода 
машин.

Развитию механики машин способствовали ра
боты Н. П. Петрова (1836–1920), заложившего основы гидродинамической теории смазки, В. П. Горячкина 
(1868–1935), который разработал теоретические основы 
расчета и построения сельскохозяйственных машин, вся 

сложность расчета которых заключается в том, что их исполнительные механизмы должны воспроизводить движения руки человека.

Русский ученый Л. В. Ассур (1878–1920) открыл 

общую закономерность в структуре многозвенных плоских механизмов, применяемую и сейчас при их анализе 
и синтезе. Он же разработал метод «особых точек» для 
кинематического анализа сложных рычажных механизмов. А. П. Малышев (1879–1962) предложил теорию 
структурного анализа и синтеза применительно к сложным плоским и пространственным механизмам.

Существенный вклад в становление механики ма
шин как цельной теории машиностроения внес И. И. Артоболевский (1905–1977). Он является организатором 
советской школы теории механизмов и машин; им написаны многочисленные труды по структуре, кинематике 
и синтезу механизмов, динамике машин и теории машинавтоматов, а также учебники, получившие всеобщее признание.

Ученики и последователи И. И. Артоболевского – 

А. П. Бессонов, Вяч. А. Зиновьев (1899–1975), Н. И. Левитский, Н. В. Умнов, С. А. Черкудинов и многие другие – своими работами в области динамики машин (в том 
числе акустической и неголономной), оптимизационного 
синтеза механизмов, теории машин-автоматов и в других областях теории механизмов и машин содействовали 
дальнейшему ее развитию.

В 30-е и последующие годы большой вклад в тео
рию механизмов и машин внесли своими исследованиями Н. Г. Бруевич, один из создателей теории точности 
механизмов, Г. Г. Баранов (1899–1968), автор трудов 
по кинематике пространственных механизмов, С, Н. Кожевников, разработавший общие методы динамического 

анализа механизмов с упругими звеньями и механизмов 
тяжелонагруженных машин.

Следует отметить труды наших отечественных 

ученых: Н. И. Мерцалов (1866–1948) дополнил кинематическое исследование плоских механизмов теорией 
пространственных механизмов и разработал простой 
и надежный метод расчета маховика; Л. П. Смирнов 
(1877–1954) привел в строгую единую систему графические методы исследования кинематики механизмов и динамики машин; В. А. Гавриленко (1899–1977) разработал 
теорию эвольвентных зубчатых передач; Л. Н. Решетов 
развил теорию кулачковых механизмов и положил начало 
теории самоустанавливающихся механизмов.

Структура механизмов.

Кинематические пары и их классификация

Механизм является системой твердых тел. Поэтому 

механизмы имеют как весьма простое, так и достаточно 
сложное и разнообразное строение (структуру). Строением механизма определяются такие его важнейшие 
характеристики, как виды осуществляемых движений, 
способы их преобразования, число степеней свободы. 
Формирование механизма, т. е. соединение отдельных 
его частей в единую систему, сопровождается наложением связей. Правильное их распределение в строении 
механизма в сильной степени предопределяет его надежную эксплуатацию. Поэтому при проектировании нужно 
из множества разнообразных механизмов выбрать самый 
подходящий и правильно подобрать его основные структурные элементы. А для этого прежде всего надо знать 
основные виды современных механизмов, их структурные характеристики, закономерности их строения.