Прикладная механика

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ
№ 3876
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА
Кафедра инжиниринга технологического оборудования
А.М. Бусыгин
ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА
Учебник
Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета
Москва  2019

УДК 
 621.81:621(075.8) 
Б92
Р е ц е н з е н т ы: 
В.И. Чуденков (ген. констр. ООО «Объединенные  
машиностроительные технологии»);
д-р. техн. наук, проф. М.Г. Рахутин  
Бусыгин А.М.
Б92	 	
Прикладная механика: учебник / А.М. Бусыгин. – М. : 
Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 156 с.
ISBN 978-5-907226-17-3
Представлены следующие разделы курса: «Прикладная механика», «Структура механизма», «Кинематика механизма» и «Динамика механизма», «Отдельные главы деталей машин». В доступной 
форме дается краткое изложение теоретических основ каждого раздела, что соответствует требованиям ФГОС по данной дисциплине, 
приводятся примеры с подробным анализом их решения.
Предназначен для студентов очных и заочных технических вузов, 
обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело». 
УДК  621.81:621(075.8)3
© А.М. Бусыгин, 2019
ISBN 978-5-907226-17-3
© НИТУ «МИСиС», 2019

Оглавление
Предисловие................................................................... 5
1. Структурный анализ механизма........................................ 6
1.1. Основные понятия и определения.
................................ 6
1.2. Структура механизмов............................................... 7
1.3. Конструктивно-функциональная классификация 
механизмов.
.................................................................... 8
1.4. Кинематические пары  
и их классификация.
...................................................... 18
1.5. Кинематические цепи.
.............................................. 22
1.6. Структурная формула кинематической цепи .
.............. 23
1.7. Структурная формула плоских механизмов................. 25
1.8. Структурная классификация кинематических  
цепей по Ассуру – Артоболевскому (плоские механизмы).... 29
2. Кинематика механизма.................................................. 41
2.1. Задачи кинематического анализа механизма............... 41
2.2. Метод возможных геометрических мест...................... 41
2.3. Метод плана скоростей на примере кривошипнобалансирного механизма.
................................................ 46
2.4. Метод плана ускорений на примере кривошипнобалансирного механизма.
................................................ 49
2.5. Метод плана скоростей на примере кулисного  
механизма.................................................................... 52
2.6. Метод плана ускорений на примере кулисного  
механизма.................................................................... 54
2.7. Кинематический анализ механизмов  
методом диаграмм.
......................................................... 56
2.8. Аналитический метод исследования рычажных 
механизмов.
.................................................................. 63
3. Динамика механизма..................................................... 69
3.1. Задачи, решаемые динамикой механизма................... 69
3.2. Приведенные массы, моменты инерции,  
силы и моменты сил....................................................... 69
3.3. Классификация сил, действующих на механизм.......... 72
3.4. Уравнение движения механизмов в конечной форме.  
Три стадии движения механизма..................................... 75
3.5. Силовое исследование механизма............................... 76
3.6. Понятие о статически определимой  
кинематической цепи..................................................... 76
3

3.7. Инерционные усилия для различных случаев движения 
твердого тела.
................................................................ 76
3.8. Кинетостатический анализ кривошипно-балансирного 
механизма.................................................................... 78
3.9. Механический коэффициент полезного действия......... 85
3.10. Определение КПД зубчатых механизмов................... 89
3.11. Механизмы передач вращательного движения........... 92
3.12. Зубчатая передача.................................................. 95
3.13. Эвольвента (построение эвольвенты)......................... 96
3.14. Основной закон зацепления..................................... 97
3.15. Геометрия зубчатого зацепления.............................101
3.16. Понятие о косозубых колесах  
и их геометрических параметрах ....................................106
3.17. Трение в кинематических парах..............................107
3.18. Трение в поступательной паре.................................109
3.19. Клинчатый ползун................................................113
3.20. Трение в винтовой кинематической паре..................115
3.21. Определение КПД винтовой пары ...........................117
3.22. Трение во вращательной паре.
.................................119
3.23. Трение качения ....................................................123
3.24. Перемещение груза на катках ................................124
3.25. Перемещение груза на колесах.
...............................125
3.26. Трение гибкой нити о неподвижный барабан.............127
4. Детали машин. Отдельные главы....................................130
4.1. Разъемные соединения............................................130
4.2. Резьбовые соединения.............................................132
4.3. Типы резьбы..........................................................133
4.4. Шпоночные соединения.
..........................................145
4.5. Клиновые шпонки..................................................145
4.6. Призматические шпонки.........................................146
4.7. Сегментные шпонки................................................147
4.8. Цилиндрические шпонки.
........................................148
4.9. Тангенциальные клиновые шпонки.
..........................149
4.10. Подшипники........................................................150
4.11. Подшипники качения.
...........................................150
Библиографический список.
...........................................154
4

Предисловие
Развитие современной науки и техники неразрывно связано 
с созданием новых машин, повышающих производительность 
и облегчающих труд людей, а также обеспечивающих средства 
для исследования законов природы и жизни человека.
Поэтому современный инженер должен разбираться в основах 
машиноведения, знать общие принципы устройства механизмов, принципы их проектирования, детали, из которых состоят 
эти механизмы, и условия, при которых они достаточно прочны 
и надежны.
Данный курс, носящий название «Прикладная механика», 
базируется на следующих дисциплинах: «Теория машин и механизмов», «Детали машин» и др.
Основными разделами курса являются:
1. «Структурный анализ механизма». 
2. «Кинематика механизма».
3. «Динамика механизма».
4. Отдельные главы дисциплины «Детали машин».
5

1. СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕХАНИЗМА
1.1. Основные понятия и определения
Механизм – искусственное сочетание материальных тел, обладающих определенностью движения и предназначенных для 
передачи или преобразования движения.
 Основные свойства механизма:
1) искуственное сочетание материальных тел;
2) наличие определенного движения;
3) назначение – передача или преобразование движения.
Машина – искуственное сочетание материальных тел, обладающих определенностью движения и предназначенных для 
выполнения полезной работы, преобразования энергии, материалов и информации.
Основные свойства машины: 
1) искуственное сочетание материальных тел;
2) наличие определенного движения;
3) назначение – выполнение полезной работы, преобразование энергии, материалов и информации.
Если сравнить эти два определения, то увидим, что они отличаются только третьим пунктом, на основании чего можно дать 
другое определение понятию машина. 
Машина – механизм или группа механизмов, предназначенных для преобразования энергии, материалов, информации или 
выполнения полезной работы.
По своему предназначению машины можно дифференцировать на следующие классы: 
1. Машины – двигатели, осуществляющие преобразование одного вида энергии в другой (электрические двигатели, двигатели 
внутреннего сгорания, гидродвигатели, пневмодвигатели).
2. Транспортные машины – машины, совершающие перевозку тел (конвейеры, лифты, эскалаторы, автомобили и т.д.).
3. Рабочие или технологические машины – машины, предназначенные для изменения формы, свойств или состояния материала (станки для металлообработки, горные машины – экскаваторы, дробилки, буровые станки и др.).
6

4. Вычислительные машины – машины, осуществляющие 
выполнение математических операций (аналоговые и ЭВМ).
5. Контрольно-управляющие машины – машины, предназначенные для поверки и регулировки технологического процесса 
автоматически.
Следует также знать такие понятия, как машинный агрегат, 
комплекс машин.
Машинный агрегат – сочетание или совокупность машиныдвигателя, передаточного механизма и рабочей машины.
Комплекс машин – совокупность кинематически связанных, 
но не утративших своих характерных особенностей машин, используя которые комплексно механизируют все основные этапы 
технологического процесса.
1.2. Структура механизмов
Рассмотрим схему простого кривошипно-ползунного механизма (рис. 1.1).
Рис. 1.1
Материальные тела, имеющие относительную подвижность, 
из которых состоит механизм, называют звеньями механизма 
(звенья 0, 1, 2, 3). Звенья могут включать в себя одну или несколько жестко связанных между собой частей, именуемых 
деталями (1.1; 1.2). Звенья могут быть подвижными (1, 2, 3) и 
неподвижными (0). Неподвижное звено называют стойкой и 
на схемах обозначают штриховкой, допускается также обозна7

чать ее частями, хотя подразумевается, что конструктивно они 
объединены.
Места сочленения (контакта) звеньев друг с другом носят название их геометрических элементов. Так, кривошип 1 имеет 
таких два элементов, представляющих собой цилиндрические 
поверхности. Одним он соединен с шатуном 2, а другим – со стойкой 0.
1.3. Конструктивно-функциональная 
классификация механизмов
Всего существует пять основных видов механизмов: рычажные, фрикционные, кулачковые, зубчатые, механизмы с гибкими звеньями. 
В рычажных механизмах звенья в основном представлены 
в виде стержней (рычагов). На рис. 1.2, а изображен кривошипно-ползунный механизм. Ведущим является первое звено – кривошип.
Рис. 1.2
Кривошипом называют звено, совершающее вращательное 
движение на полный оборот. Движение от кривошипа 1 через 
второе звено (шатун) передается выходному звену 3 (ползуну).
Шатуном называется звено, совершающее плоскопараллельное движение, ползуном – звено, совершающее возвратно-поступательное движение.
8

Данный тип механизма применяется, например, в двигателях 
внутреннего сгорания, металлообрабатывающем строгальном 
станке и др.
На рис. 1.2, б изображен кривошипно-балансирный механизм. Движение от кривошипа 1 через шатун 2 передается звену 
3. Звено 3, совершающее возвратно-вращательное движение, называют коромыслом или балансиром.
К рычажным механизмам относятся также так называемые 
кулисные механизмы. На рис. 1.3 представлен такой механизм.
Рис. 1.3
Движение от кривошипа 1 передается звену 2, которое называется кулисный камень. Звено 2 может совершать относительно звена 3 возвратно-поступательное движение, т.е. звено 3 для 
звена 2 – направляющая. Звено 3 называется кулисой. Кулиса – любое подвижное звено, которое является направляющей 
для другого звена.
Широкое применение находят кулачковые механизмы. Они 
преобразуют возвратно-поступательное или вращательное движение ведущего звена в возвратно-поступательное или возвратно-вращательное движение ведомого звена. 
На рис. 1.4, а представлен такой механизм. Ведущим звеном, 
как правило, является кулачок 1, совершающий возвратно-вращательное движение на полный оборот. Кулачок 1 приводит 
в движение звено 2 – толкатель, которое совершает возвратнопоступательное движение.
9

Рис. 1.4
Если ось движения толкателя проходит через центр вращения кулачка, то такой кулачковый механизм называется центральным (см. рис. 1.4, а), в противном случае – внецентренным 
(рис. 1.4, б).
Введение эксцентриситета e приводит к снижению бокового 
давления толкателя на направляющие.
Контакт между кулачком и толкателем происходит обычно 
с помощью прижимного механизма пружинного типа (на рисунках не показан), однако встречаются механизмы и с геометрическим замыканием.
Всего существует несколько типов толкателей – игольчатый 
(рис. 1.5, а), тарельчатый (рис. 1.5, б) и роликовый (рис. 1.5, в). 
Игольчатый толкатель – прямолинейный стержень – наиболее 
простой тип толкателя. Тарельчатый толкатель – жесткое соединение стержня с плоским цилиндром (тарелкой) – уменьшает давление на кулачок. Роликовый толкатель заменяет трение 
скольжения между толкателем и кулачком на трение качения.
Рис. 1.5
10