Теория механизмов и машин

Теория механизмов и машин 
 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ 
МЕХАНИЗМОВ  И  МАШИН 
 
Рекомендовано федеральным государственным бюджетным 
образовательным учреждением высшего профессионального 
образования «Московский государственный технический 
университет имени Н. Э. Баумана» в качестве учебного 
пособия для студентов, обучающихся по направлению 
23.05.02 (19011.65) «Транспортные средства специального 
назначения» (№ 3031 21.05.2014 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

Введение 
 

2 

УДК 621.01(07) 
ББК 34.412я73 
        Т338 
 
 
А в т о р ы:  М. А. Мерко, А. В. Колотов,  
                     М. В. Меснянкин, А. А. Шаронов 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Т338       Теория механизмов и машин : учеб. пособие / М. А. Мерко, 
А. В. Колотов, М. В. Меснянкин, А. А. Шаронов. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2015. – 248 с. 
ISBN 978-5-7638-3362-1 
 
В учебном пособии изложены теоретические положения по основным 
разделам дисциплины и рассмотрены алгоритмы решения практических задач         
с использованием общих методов анализа и синтеза основных видов типовых 
механизмов. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 23.05.02 
(19011.65) «Транспортные средства специального назначения». 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.01(07) 
ББК 34.412я73 
 
ISBN 978-5-7638-3362-1                                                            © Сибирский федеральный  
                                                                                                          университет, 2015 

Теория механизмов и машин 
 

3 

  ВВЕДЕНИЕ 

Теория механизмов и машин (ТММ) – это дисциплина, в 
которой изучаются общие методы и алгоритмы анализа и синтеза механизмов 
и машин, а также более сложных технических систем, созданных на их основе. 
Дисциплина ТММ является одной из составляющих, закладывающих 
основы понятия об инженерном проектировании, которое несколько отличается от более общего понятия «проектирование». 
Инженерное проектирование – это процесс, в котором научная              
и техническая информация используется для создания новых или модернизации уже существующих механизмов и машин, приносящих обществу  
определенную пользу. 
Проектирование – это процесс составления описания, необходимого 
для создания еще несуществующего объекта путем устранения некорректности первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта 
и последовательного их представления. 
Дисциплина ТММ базируется на знаниях, полученных студентами при 
изучении таких дисциплин, как «Физика», «Математика», «Теоретическая механика», а также основных разделов дисциплин «Начертательная геометрия      
и инженерная графика» и «Информатика». Знания и навыки, приобретенные 
студентами при изучении дисциплины «Теория механизмов и машин», служат 
базой для изучения специальных дисциплин и дисциплин специализации. 
При изучении дисциплины «Теория механизмов и машин» довольно 
часто студенты испытывают затруднения, связанные с поиском методического материала, освещающего тот или иной ее раздел. Существующие 
учебники и учебные пособия по дисциплине «Теория механизмов и машин», разработанные сотрудниками разных высших учебных заведений 
Российской Федерации, не всегда позволяют разрешить возникшие затруднения. Неоднозначность трактовок основных понятий и терминов, 
приводимых разными авторами, еще более усугубляет данную проблему. 
В настоящем учебном пособии главное внимание уделено изложению основных положений дисциплины «Теория механизмов и машин», 
разработанных на базе обобщения существующих литературных источников 
с учетом накопленного сотрудниками кафедры «Прикладная механика» 
опыта, исходя из специфики преподавания дисциплины «Теория механизмов 
и машин» в ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет». 
Данное учебное пособие, наряду с фундаментальными учебниками      
и учебными пособиями, призвано оказать помощь студентам при изучении 
теоретического материала дисциплины «Теория механизмов и машин», необходимого для выполнения требуемых видов самостоятельной работы. 

Теория механизмов и машин 
 

4 

1    ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ   
  И  ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 
Специфика дисциплины «Теория механизмов и машин» 
заключается в том, что вместо общепринятых понятий, таких как исследование и проектирование, соответственно используются термины анализ           
и синтез. При этом под анализом подразумевается исследование или изучение, а под синтезом понимается проектирование или создание. 
Дисциплина «Теория механизмов и машин» включает три раздела: 
статику, кинематику и динамику. 
Статика – это раздел дисциплины, в котором изучаются методы и алгоритмы анализа и синтеза структуры механизмов и машин. 
Кинематика – это раздел дисциплины, в котором изучаются методы 
и алгоритмы анализа закономерностей изменения кинематических параметров механизмов и машин в функции времени. 
Динамика – это раздел дисциплины, в котором изучаются закономерности движения звеньев, содержащихся в структуре механизмов и машин, под действием приложенных к ним силовых факторов в функции 
времени. 
Цель дисциплины – анализ и синтез типовых механизмов и машин,         
а также более сложных технических систем, созданных на их основе. 
Общая задача дисциплины – разработка методов и алгоритмов анализа 
и синтеза структуры, кинематики и динамики типовых механизмов и машин, а также более сложных технических систем, созданных на их основе. 
 
 
1.1. Техническая система и ее модель 
 
При решении задач анализа и синтеза любые механизмы 
или машины принято рассматривать в виде технических систем. 
Техническая система – это ограниченная область реальной действительности, осуществляющая взаимодействие с окружающей средой. Под 
окружающей средой понимается совокупность внешних объектов, осуществляющих взаимодействие с технической системой. 
Каждая техническая система предназначена для выполнения определенных функций и обладает собственной структурой, которая состоит из 
деталей, узлов, звеньев и типовых механизмов. 
Деталь – это элемент структуры технической системы, не имеющий 
внутренних связей. 

1. Основные понятия и определения 
 

5 

Узел – это совокупность нескольких деталей, конструктивно или 
функционально связанных между собой. 
Определения понятий типового механизма и звена будут представлены в п. 1.5 и 1.6 данного учебного пособия. 
Анализ и синтез технических систем осуществляется при помощи 
заменяющих образов или моделей. 
Модель – это устройство (или образ) какого-либо объекта или явления, адекватно отражающее его свойства. 
Модели подразделяются: 
1) по форме представления информации: 
● на физические, 
● математические; 
2) по методу анализа или синтеза: 
● на графические, 
● аналитические, 
● графоаналитические, 
● энергетические или функциональные, 
● кинетостатические, 
● динамические, 
● расчетные, 
● экспериментальные. 
Модель технической системы любого вида составляется по критериям 
подобия. Критерии подобия являются допустимыми отличиями (ошибками) 
от реального механизма или машины, которые формулируются в зависимости от принятых допущений и позволяют упростить решение задач анализа или синтеза. 
Общие критерии подобия для каждого раздела дисциплины ТММ 
следующие: 
1. Все звенья механизмов и машин являются абсолютно твердыми        
и жесткими телами, т. е. звенья не подвержены деформациям никакого рода, 
следовательно, размеры (длины) звеньев являются величинами постоянными, что позволяет не учитывать в дальнейшем отклонения размеров             
и поля допусков. 
2. Контактирующие поверхности звеньев считаются абсолютно гладкими, т. е. поверхности звеньев не имеют микронеровностей, что даёт возможность не учитывать чистоту обработки поверхностей звенья и свойства 
материалов, из которых они изготовлены, а также пренебречь силами трения при решении задач анализа или синтеза. 
3. Все механизмы и машины предназначены только для преобразования 
движения и силовых факторов, что позволяет не учитывать особенности 
служебного назначения и дальнейшей эксплуатации. 

Теория механизмов и машин 
 

6 

В зависимости от требуемой точности получаемых результатов          
количество критериев или допущений для каждого раздела дисциплины 
может увеличиваться или уменьшаться. 
Наиболее распространенным видом моделей технических систем  
является схемный образ, или схема. Для одного и того же механизма или 
машины различают несколько видов схем, основными из которых являются: 
функциональная, структурная, геометрическая, кинематическая, силовая, 
динамическая, расчетная и экспериментальная. 
Исходя из вышесказанного, можно заключить, что в соответствии           
с названием дисциплины «Теория машин и механизмов» основными понятиями являются машина и механизм. 
 
 
1.2. Машины и их виды 
 
Машина – это 
техническая 
система, 
выполняющая          
механическое движение для преобразования, обработки, передачи и использования энергии, объектов, материалов или информации. 
Все машины предназначены для облегчения физического и умственного труда человека, т. е. для повышения его качеств и производительности. 
В более широком представлении на современном этапе развития науки        
и техники на смену понятию «машина» постепенно приходит другое понятие 
«технический объект». 
Технический объект – это техническая система, обладающая структурой, состоящей из взаимосвязанных деталей, узлов, устройств и механизмов, использующих энергию для выполнения служебного назначения. 
В этом случае техническая система, являющаяся машиной, может не 
совершать механического движения, однако она обладает возможностью 
обеспечения преобразования энергии, объектов, материалов или информации (например, компьютер, трансформатор, ускоритель частиц и др.). 
Машины подразделяются: 
1) на энергетические – это машины, преобразующие энергию одного 
вида в энергию другого вида. 
К ним относятся: 
● двигатели – энергетические машины, преобразующие любой вид 
энергии в механическую энергию (например, электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую энергию; двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию расширения газов в механическую 
энергию движения звеньев); 
● генераторы – энергетические машины, преобразующие механическую энергию в энергию другого вида (например, электрогенераторы преобразует механическую энергию турбины в электрическую энергию); 

1. Основные понятия и определения 
 

7 

2) на рабочие – это машины, использующие механическую энергию 
для совершения работы по перемещению и преобразованию объектов или 
материалов. 
К ним относятся: 
● машины транспортные, использующие механическую энергию для 
изменения положения объектов или материалов; 
● машины технологические, использующие механическую энергию 
для преобразования формы, свойств, размеров или состояния объектов или 
материалов; 
3) на информационные – это машины, предназначенные для обработки и преобразования информации. 
К ним относятся: 
● машины математические, преобразующие входную информацию           
в математическую модель объектов или материалов; 
● машины контрольно-управляющие, преобразующие входящую  
информацию в сигналы управления машинами других видов; 
4) на кибернетические – это машины, управляющие машинами других видов, которые способны изменять программу своих действий в зависимости от состояния окружающей среды. 
К машинам данного вида относятся любые машины, обладающие 
элементами искусственного интеллекта. 
 

1.3. Привод, машинный агрегат   
и машина-автомат 
 
Машины и механизмы разных видов взаимодействуют 
друг с другом, образуя более сложную техническую систему, которая называется привод. 
Приводы любого вида предназначены для приведения в движение 
одного или нескольких звеньев. 
Анализ и синтез приводов выполняют при помощи функциональной 
схемы, которая состоит из энергетической и рабочей машин, а также передаточного (преобразующего) механизма (рис. 1.1). 

 
Рис. 1.1. Функциональная схема привода 

Передаточный (преобразующий) механизм предназначен для согласования выходных параметров энергетической машины с входными параметрами рабочей машины. 

Теория механизмов и машин 
 

8 

Приводы подразделяются: 
1) на гидропривод – это вид привода, в котором для преобразования 
движения используется механическая энергия жидкости. Он состоит из 
гидронасоса, гидродвигателя и обслуживающей и управляющей аппаратуры; 
2) пневмопривод – это вид привода, в котором для преобразования 
движения используется механическая энергия газа. Он состоит из пневмонасоса, пневмодвигатела и обслуживающей и управляющей аппаратуры. 
С целью уменьшения количества составляющих элементов в гидро- 
и пневмоприводах применяют комбинированные устройства, т. е. устройства, выполняющие последовательно и функции гидро- или пневмонасоса, 
и функции гидро- или пневмодвигателя соответственно; 
3) электропривод – это вид привода, в котором для преобразования 
движения используется электрическая энергия. Он состоит из электродвигателя и обслуживающей и управляющей аппаратуры. Доступность электропитания в учреждениях и организациях, а также сравнительная простота  
в обслуживании и эксплуатации обеспечили наибольшее распространение 
электропривода при формировании структур технологического оборудования. 
Для реализации функций контроля и управления ходом работы как 
отдельных элементов, так и всего привода в целом в состав функциональной 
схемы дополнительно вводят контрольно-управляющую машину. Полученная таким образом техническая система называется машинным агрегатом 
(рис. 1.2). 
 

 
 
Рис. 1.2. Функциональная схема машинного агрегата 
 
Машинный агрегат – это техническая система, обладающая структурой, состоящей из нескольких соединенных последовательно или параллельно машин, и предназначенная для выполнения каких-либо требуемых 
функций. 
Для минимизации влияния человеческого фактора на работоспособность машинного агрегата в составе функциональной схемы контрольноуправляющую машину заменяют кибернетической машиной. Полученная 
таким образом техническая система называется машиной-автоматом (рис. 1.3). 
Машина-автомат – это техническая система, способная самостоятельно выполнять служебное назначение без непосредственного участия 

1. Основные понятия и определения 
 

9 

человека в процессе преобразования, обработки, передачи и использования 
энергии, объектов, материалов или информации. 
 

 
 
Рис. 1.3. Функциональная схема машины-автомата 
 
Включение в состав функциональной схемы машины-автомата кибернетической машины создает возможность управления работой технической системы в зависимости от состояния окружающей среды без непосредственного участия человека. 
 
 
1.4. Механизмы и их виды 
 
Все машины обладают структурой, состоящей из нескольких элементов, основными из которых являются механизмы. В зависимости от сложности структуры, машины могут содержать от одного            
до несколько механизмов разных видов. 
Механизм – это техническая система, обладающая структурой,          
состоящей из подвижных звеньев, стойки и кинематических пар, образующих кинематические цепи с определенными свойствами. 
В соответствии с принятыми в п. 1.1 критериями подобия все механизмы и машины предназначены только для преобразования движения         
и силовых факторов. 
Механизмы подразделяются: 
1) по области применения на механизмы: 
●  летательных аппаратов, 
● технологического оборудования, 
● двигателей внутреннего сгорания, 
● промышленных роботов (манипуляторы); 
2) по виду передаточного отношения: 
● на редукторы – механизмы, предназначенные для уменьшения скорости движения выходного звена при повышении крутящего момента по 
сравнению с входными значениями этих параметров, т. е. 

Теория механизмов и машин 
 

10 

⎪⎩

⎪⎨

⎧

<

ω
>

>

,

,
ω

,1

вых
вх

вых
вх
T
T

i

 

где 
вх
ω
, 
вх
T , 
вых
ω
и 
вых
T
 – угловые скорости и крутящий момент на входном и выходном звеньях механизма, 
● мультипликаторы – механизмы, предназначенные для увеличения 
скорости движения выходного звена при понижении крутящего момента 
по сравнению с входными значениями этих параметров, т. е. 

⎪⎩

⎪⎨

⎧

>

ω
<
<

,

,
ω

,1

вых
вх

вых
вх
T
T

i

 

● механизмы-муфты – механизмы, предназначенные для обеспечения 
равенства скоростей входного и выходного звеньев, т. е. 

⎩
⎨
⎧
ω
=
=
;
ω
,1

вых
вх

i
 

3) по виду передаточной функции на механизмы: 
●  с постоянной передаточной функцией, которая за рассматриваемый 
промежуток времени принимает одинаковое значение, т. е. не изменяется 
(рис. 1.4, а, б), 
 

 
Рис. 1.4. Структурные схемы механизмов с постоянной (а, б)  
и переменной (в) структурой 
 
● переменной передаточной функцией, которая за рассматриваемый 
промежуток времени принимает разные значения, т. е. может изменяться         
в заданном диапазоне (см. рис. 7.4, 7.17);