Структура машин, механизмов и конструкций

СТРУКТУРА МАШИН, 
МЕХАНИЗМОВ 
И КОНСТРУКЦИЙ

А.И. СМЕЛЯГИН

Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом 
профессионального образования в качестве  учебного пособия 
 для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по техническим направлениям подготовки бакалавриата и специалитета 
(протокол № 9 от 13.05.2019)

Москва
ИНФРА-М
2023

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 62-231(075.8)
ББК 34.42я73
 
C50

Смелягин А.И.
C50 
 
Структура машин, механизмов и конструкций : учебное пособие / 
А.И. Смелягин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 387 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/textbook_5cf8ccc070c5d0.17049931.

ISBN 978-5-16-013674-5 (print)
ISBN 978-5-16-107128-1 (online)
В учебном пособии изложены задачи структурного анализа и синтеза машин, механизмов и строительных конструкций. Приведен краткий 
анализ работ ученых, внесших заметный вклад в создание и развитие теории структуры машин, механизмов и строительных конструкций. Даны 
основные понятия и определения. Рассмотрены наиболее распространенные на практике машины, механизмы и строительные конструкции. 
Исследованы пространства, в которых существуют эти объекты. Получены универсальные формулы для определения подвижности и статической 
определимости механизмов и конструкций. Приводятся классификация 
и структурный анализ различных машин, механизмов и строительных 
конструкций. Разработаны оригинальные структурные математические 
модели, описывающие структуру машин, механизмов, строительных конструкций и структурных групп. Рассматриваются методы образования 
машин, механизмов, строительных конструкций и структурных групп, 
а также приводится структурно-параметрический синтез рычажных механизмов. 
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, осваивающих курсы «Теории механизмов и машин», «Прикладная механика», 
«Техническая механика», «Основы проектирования машин», «Робототехника», «Строительная механика» и т.п., также будет полезно разработчикам и экспертам новой техники.

УДК 62-231(075.8)
ББК 34.42я73

Р е ц е н з е н т ы:
О.А. Полушкин, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая и прикладная механика» Донского государственного технического университета;
В.Г. Хомченко, доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизация и робототехника» Омского государственного технического университета

ISBN 978-5-16-013674-5 (print)
ISBN 978-5-16-107128-1 (online)
© Смелягин А.И., 2019

Предисловие

Человечеством изобретено большое количество механизмов, 
машин и конструкций. Систематизировать все многообразие 
устройств и эффективно применять их на практике можно только 
в том случае, если создать стройные терминологию и классификацию, а также разработать теорию целенаправленного анализа 
и синтеза машин и механизмов.
Этими вопросами занимались многие ученые [1–7, 15–30, 32–36, 
39–46, 51–144]. Наибольший вклад в развитие науки о машинах 
внесли И.И. Артоболевский, Л.В. Ассур, А.П. Бессонов, Л. Бурместр, Р. Виллис, Х.И. Гохман, М. Грюблер, У.А. Джолдасбеков, 
В.В. Добровольский, С.Н. Кожевников, Я. Лейпольд, Леонардо да 
Винчи, А.П. Малышев, Г. Монж, О.Г. Озол, Ф. Рело, Л.Н. Решетов, 
П.О. Сомов, У. Уэвелл, П.Л. Чебышев и др.
Структурному анализу строительных конструкций посвящены 
работы Н.Н. Анохина, А.В. Даркова, В.А. Киселева, С.Н. Кривошапко, А.Р. Ржаницина, В.А. Саргсяна, В.А. Смирнова и др. [16, 26, 
58, 140, 141].
В сочинениях древнегреческих философов [52] («Государство» 
Платона, «Механические проблемы» Аристотеля) имеются сведения о применении человеком за три с половиной века до нашей 
эры зубчатых колес, кривошипов, катков, полиспастов. Архимед 
(287–212 г. до н.э.) описал и применил на практике целый ряд известных механизмов. В записках Леонардо да Винчи (1452–1519) 
упоминаются зубчатые колеса с пересекающимися осями, винтовые, цевочные и различные механизмы с гибкими звеньями.
Теория структуры машин и механизмов разрабатывалась по мере 
развития науки и техники.
Первая систематизация описания элементов машин была сделана Я. Лейпольдом («Театр машин») в 1724 г. В этой работе он попытался сформулировать понятия «машина» и «механизм».
В 1794 г. в Париже открылась первая в мире политехническая 
школа, где читался подготовленный Г. Монжем «Курс построения 
машин», в котором делалась попытка провести классификацию 
машин. Под «механизмом» Г. Монж понимал систему тел, предназначенных для преобразования движения.
XVIII и XIX вв. характерны относительно быстрым развитием 
техники и науки. Чтобы целенаправленно изучать и создавать машины, необходимо было разработать их стройную классификацию. 
Эта проблема решалась в сочинениях У. Уэвелла (1794–1866) «Ме

ханика инженерного дела» и Р. Виллиса (1800–1875) «Принципы 
механизмов».
Трудами академика П.Л. Чебышева (1821–1894) было заложено 
новое направление в развитие науки о машинах и механизмах, 
а именно — предпринята попытка установления математических 
зависимостей между числом звеньев и числом кинематических пар 
как в механизмах, так и в структурных группах. Это направление 
в дальнейшем активно развивали И.И. Артоболевский, Л.В. Ассур, 
М. Атанасиу, Л. Бурместр, Р.П. Войня, Х.И. Гохман, М. Грюблер, У.А. Джолдасбеков, В.В. Добровольский, С.Н. Кожев ников, 
А.П. Малышев, А.Д. Мошков, О.Г. Озол, Л.Н. Решетов, А.А. Романцев, П.О. Сомов, Р.Д. Сухих и др.
Современная наука о создании и исследовании механизмов 
и машин развивается особенно быстро и к настоящему времени 
достигла значительных результатов.
Из-за сложности проблемы до настоящего времени человечеству 
был известен только один научно обоснованный способ образования машин и механизмов. Доказательством этого является следующее высказывание: «Применяя структурную классификацию 
Ассура, мы исключаем применение иных методов образования механизмов, так как она претендует на универсальность» [9].
В соответствии с Ассуром, любой механизм образуется в результате присоединения к элементарным механизмам структурных групп 
или групп Ассура . В дальнейшем И.И. Артоболевский, У.А. Джолдасбеков, В.В. Добровольский, С.Н. Кожевников, Л.Н. Решетов 
и другие ученые распространили этот метод на любые цепи.
На основе исследований в работах [60–139] были созданы 
структурные математические модели  механизмов и кинематических цепей (структурных групп), а также показано, что принцип 
построения машин и механизмов по Ассуру не единствен и, следовательно, не универсален.
В настоящей работе обобщены, систематизированы, и развиты 
материалы по структурному анализу и синтезу механизмов, машин 
и конструкций.
Учебное пособие содержит введение, пять глав и заключение.
Во введении изложены задачи структурного анализа и синтеза 
машин и механизмов. Приведен краткий анализ работ ученых, 
внесших заметный вклад в создание и развитие теории структуры 
машин, механизмов и конструкций.
В первой главе приведены терминология, основные понятия 
и определения, которые приняты в современной теории структурного анализа и синтеза машин и механизмов. Рассмотрены наиболее распространенные на практике машины и механизмы.

Вторая глава посвящена структурному анализу механизмов. 
В ней рассмотрены пространства, поверхности и плоскости, в которых существуют машины и механизмы. Дана классификация 
механизмов. Получены универсальные аналитические выражения 
для определения подвижности простых и сложных механизмов. 
Определяется подвижность и проводится структурный анализ большого числа различных механизмов.
Третья глава книги посвящена структурному синтезу механизмов и структурных групп. В ней разрабатываются структурные 
математические модели механизмов и структурных групп. Показана эффективность применения разработанных математических 
моделей при структурном анализе и синтезе машин и механизмов. 
Рассматриваются методы образования машин.
В четвертой главе даются основы нового направления в построении машин и механизмов, а именно их структурно-параметрический синтез. Приводятся теоретическая база и конкретные 
примеры структурно-параметрического синтеза механизмов.
Пятая глава посвящена структурному анализу статических конструкций. В ней приведены терминология, основные понятия 
и определения, которые необходимо применять в современной 
теории структурного анализа и синтеза строительных конструкций. 
Приведены структурный анализ и синтез наиболее распространенных на практике конструкций, таких как балки и фермы.
В заключении подведен итог проделанной работы.
После изучения пособия обучающийся будет:
знать
• основные типы механизмов, машин, конструкций и их составляющие;
• методы их структурного анализа;
• методы синтеза механизмов, машин и конструкций;
уметь
• анализировать работоспособность механизмов, машин 
и конструкций;
• синтезировать их по заданным требованиям;
• применять полученные знания, умения, навыки и компетенции при изучении общенаучных и специальных дисциплин 
и в решении производственных и технологических задач.
В процессе освоения дисциплины у обучающихся развиваются 
следующие компетенции:
• универсальные (общекультурные):
— способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук;

 
– способность на научной основе организовывать свой труд, 
владеть навыками самостоятельной работы;
 
– способность логически верно, аргументированно и ясно 
строить устную и письменную речь;
 
– способность в письменной и устной речи правильно (логически) оформить результаты мышления;
 
– способность и готовность к кооперации с коллегами, работе 
в коллективе;
 
– способность использовать в познавательной и профессиональной деятельности навыки работы с информацией, полученной из различных источников;
• профессиональные:
 
– умение применять стандартные методы расчета, синтеза 
и анализа при проектировании механизмов, машин и конструкций;
 
– способность принимать участие в работах по расчету и проектированию механизмов, машин и конструкций в соответствии с техническими заданиями, используя стандартные 
средства автоматизации проектирования;
 
– способность разрабатывать рабочую проектную и техническую документацию, оформлять законченные проектноконструкторские работы с проверкой соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, 
техническим условиям и другим нормативным документам.
В настоящем издании рассматриваются и анализируются современные взгляды и достижения в области структурного анализа 
и синтеза машин, механизмов и конструкций.
Книга в первую очередь предназначена для студентов, магистрантов и аспирантов, осваивающих курсы теории механизмов 
и машин и строительной механики. Она также будет полезна преподавателям вузов и разработчикам новой техники.
Автор будет признателен читателям за замечания, советы и предложения по содержанию книги и просит направлять их по адресу: 
350072, Краснодар, ул. Московская, д. 2, корп. «А».

Введение

Современные механизмы, машины и конструкции чрезвычайно 
разнообразны и находят широкое применение как в производстве, 
так и в быту. Они выполняют различные работы, связанные:
• с производственными процессами;
• транспортированием;
• выполнением контрольных и измерительных функций;
• управлением и регулированием движущихся систем и объектов;
• преобразованием информации;
• вычислительными работами и т.д.
Все машины и конструкции в течение заданного срока должны 
строго выполнять определенные функции. Это возможно только 
в том случае, если верно разработана их структура, они правильно 
спроектированы и изготовлены.
Вопросы расчета, проектирования, исследования и оптимизации различных машин, механизмов, аппаратов, конструкций 
и других устройств, предназначенных для передачи и трансформации энергии, движения и информации, рассматриваются в соответствующих научных дисциплинах.
В теории механизмов и машин  изучаются и разрабатываются научные проблемы построения и исследования механизмов и машин.
Наука о механизмах и машинах в основном решает две 
проблемы — синтеза и анализа.
Задачей синтеза является разработка методов создания новых 
механизмов и машин, удовлетворяющих требованиям современной 
техники.
Задача анализа состоит в разработке методов исследования 
и изучения процессов, происходящих в механизмах и машинах.
Отмеченные проблемы могут быть успешно решены только 
в том случае, если специалистами будут достаточно полно разработаны и освоены следующие разделы науки о машинах: 
структура, кинематика, кинетостатика и динамика механизмов 
и машин.
Наука о структуре механизмов и машин занимается следующими 
вопросами:
• проблемами образования механизмов и машин;
• изучением звеньев, кинематических пар и цепей, из которых 
состоят механизмы;

• определением числа степеней свободы (подвижности), которыми обладают исследуемые машины;
• построением и исследованием структурных математических 
моделей;
• синтезом и анализом новых схем механизмов.
Структурой машин и механизмов занимались многие крупнейшие ученые мира.
Знаменитый математик и механик П.Л. Чебышев опубликовал 15 работ по структуре и синтезу рычажных механизмов. 
Он первым обратил внимание на существование определенного 
соотношения в механизме между числом звеньев и числом кинематических пар.
Л.В. Ассур указал метод образования машин и механизмов. 
В дальнейшем его идеи были развиты в трудах М. Грюблера, 
А.П. Малышева, П.О. Сомова, О.Г. Озола, В.В. Добровольского, С.Н. Кожевникова, И.И. Артобо левского, Л.Н. Решетова, 
Л.Т. Дворникова и др.
Большой вклад в создание и классификацию машин и механизмов внесли Р. Виллис, Л. Бурместер, И.И. Артоболевский, 
В.В. Добро вольский, Ф. Релло, С.Н. Кожевников, Э.Я. Живаго и др.
В развитие структурного синтеза машин внесли существенный 
вклад Л.В. Ассур, И.И. Артоболевский, Д. Сильвестер, С. Робертс, Х.Р. Казыханов, Л. Бурместер, М. Грюблер, Л.Т. Дворников, 
Р.Д. Сухих и др.
Вопросам устранения избыточных (лишних) связей в механизмах посвящены работы Л.Н. Решетова, Н.В. Бебешина, В.Н. Ермака и др.
Этот далеко не полный список ученых, занимавшихся и занимающихся в настоящее время теорией структуры механизмов 
и машин, показывает, что в последнее время интерес к структурному анализу и синтезу возрастает. В настоящее время теория 
структуры механизмов, машин, кинематических цепей и конструкций обогащается новыми идеями и методами [1, 20, 35, 39–46, 
51, 56, 57, 60–139].
Разработка любого нового устройства или изделия — это 
творческий процесс, который состоит из нескольких этапов. 
Эти этапы определяют направление и содержание научной, 
исследовательской, расчетной, проектной и технологической 
работ, а также работ, связанных с проведением испытаний, 
внедрением и эксплуатацией вновь создаваемого объекта. Рассмотрим обобщенный алгоритм создания новых устройств и изделий (рис. В1).

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО 
ЗАДАНИЯ

СИНТЕЗ И АНАЛИЗ 
СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ

КИНЕМАТИЧЕСКИЙ, ДИНАМИЧЕСКИЙ, 
СИЛОВОЙ АНАЛИЗ

ИГОТОВЛЕНИЕ МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 
ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ

РАЗРАБОТКА ДОКУМЕНТАЦИИ 
И ПРОИЗВОДСТВО МАШИНЫ

ЭКСПЛУАТАЦИЯ МАШИНЫ

СОПРОВОЖДЕНИЕ МАШИНЫ

Рис. В1. Алгоритм создания машины

• Создание любого нового изделия, в том числе машины, механизма и строительной конструкции, начинается с разработки 
технического задания на его проектирование. На этом этапе формулируются основные требования, которыми должно будет обладать 
будущее устройство, входные и выходные данные, а также описываются условия его эксплуатации.
• Сформулировав техническое задание, переходят к синтезу 
и обоснованию структурной схемы проектируемой машины. Эти работы обычно проводят на основании анализа научной и патентной 
литературы, а также опираясь на собственные опыт и квалификацию. Отметим, что этот этап является наиболее важным и от

ветственным при создании новой техники. Именно на этом этапе 
практически закладываются будущие параметры разрабатываемого 
устройства.
• Выбрав структурную схему, приступают к проектированию 
основных деталей и узлов разрабатываемой машины, а также определяют массовые и геометрические параметры и характеристики ее 
деталей и узлов.
• Проводят кинематический, динамический и силовой анализ 
спроектированной машины. По результатам анализов делают заключение о целесообразности дальнейших работ и, если это необходимо, вносят коррективы в чертежи и техническое задание, принимают решение об изготовлении и испытании макетного образца. 
Изготавливают макетные образцы и проводят их всесторонние экспериментальные исследования. По результатам исследований делают 
необходимые изменения в чертежах и расчетах, определяют выходные параметры получившейся машины и принимают решение 
о целесообразности ее промышленного производства.
• Разрабатывают всю необходимую для промышленного производства конструкторскую и технологическую документацию и осваивают выпуск созданной машины.
• Внедряют новую машину в эксплуатацию.
• Сопровождают эксплуатируемую машину.
Анализ этапов создания новой техники показывает, что наиболее ответственным является этап, на котором синтезируется (выбирается) и анализируется структурная схема будущего устройства. 
Однако, что видно из [4, 5, 7, 29, 30, 68, 97, 98], как раз этот этап 
научно наименее разработан и максимально запутан. Поэтому 
структурные схемы создаваемой техники в настоящее время чаще 
всего выбирают интуитивно. Следовательно, такой выбор может 
оказаться далеко не самым рациональным.
Поэтому целью настоящего пособия являются разработка, изучение и освоение современных методов целенаправленного анализа и синтеза механизмов, машин и конструкций.