Теория механизмов и механика машин

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

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ
И МЕХАНИКА МАШИН
Под редакцией Г. А. Тимофеева
Рекомендовано Научно-методическим советом
Министерства образования и науки Российской Федерации
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по машиностроительным направлениям и специальностям
8-е издание переработанное и дополненное

УДК 621.01(075.8)
ББК 34.41
          Т34
А в т о р ы:
Г. А. Тимофеев, А. К. Мусатов, С. А. Попов, К. В. Фролов
Р е ц е н з е н т ы:
профессор В. Д. Плахтин;
профессор Ю. Д. Чашечкин
Теория механизмов и механика машин : учебник для вузов / [Г
. А. Тимофеев и др.];
под ред. Г
. А. Тимофеева. — 8-е изд. перераб. и доп. — Москва : ИздательТ34
ство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 566 [2] с. : ил.
ISBN 978-5-7038-4151-8
В настоящем, восьмом, переработанном и дополненном издании учебника 
изложены основы теории механизмов и механики машин, рассмотрены свойства отдельных типов механизмов, широко применяемых в самых различных конструкциях машин, приборов и устройств; приведены и проанализированы задачи 
совершенствования современной техники, создания высокопроизводительных 
машин и систем, освобождающих человека от трудоемких процессов; с  учетом 
упругости звеньев, трения и изнашивания кинематических пар, виброактивность и виброзащита; методы проектирования схем основных видов механизмов, 
управление движением системы механизмов; основы автоматизированного проектирования механизмов машин.
Учебник отражает современные научные и практические знания, используемые при решении задач преобразования и передачи механической энергии, при 
проектировании и создании самых различных видов технических средств. 
Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования четвертого поколения и методическим требованиям, 
предъявляемым к учебным изданиям.
Для студентов машиностроительных вузов и технических университетов. 
	
УДК 621.01(075.8)
	
ББК 34.41
	
	
Все права защищены. Никакая часть данного издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев автор- 
ских прав. Правовую поддержку Издательства обеспечивает Адвокатское бюро 
«Сергей Москаленко и партнеры».
                                                                                     © Оформление. Издательство
ISBN 978-5-7038-4151-8                                                     МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017

Предисловие к восьмому изданию
Изложенный в седьмом издании (7-е изд. 2012 г.) учебника курс «Теория 
механизмов и механика машин» сформировался на основе опыта преподавания дисциплины в МГТУ им. Н. Э. Баумана в течение многих десятилетий: 
в нем учтены качественные изменения в инженерном образовании, потребовавшие серьезной переработки традиционного курса как по содержанию, так и по методике преподавания.
Учебная дисциплина «Теория механизмов и механика машин» базируется 
на механико-математической подготовке студентов, обеспечиваемой 
предшествующими курсами: «Высшая математика», «Физика», «Теоретическая механика», «Алгоритмические языки и программирование».
Являясь научной основой специальных курсов по проектированию машин 
отраслевого назначения, она призвана решить следующие задачи: научить 
студентов общим методам исследования и проектирования механизмов машин и приборов; принципам реализации движения с помощью механизмов 
и взаимодействия механизмов и машин, обусловливающим кинематические 
и динамические свойства механической системы; системному подходу к 
проектированию машин и механизмов, нахождению оптимальных параметров 
механизмов по заданным условиям работы; привить навыки разработки алгоритмов и программ расчета параметров на компьютере, выполнения конкретных расчетов; использования измерительной аппаратуры для определения кинематических и динамических параметров и механизмов.
Учебник написан сотрудниками кафедры «Теория механизмов и механика 
машин» МГТУ им. Н. Э. Баумана под руководством и общей редакцией 
доктора технических наук, профессора Г.А. Тимофеева. Введение и глава 7 
написаны К. В. Фроловым, главы 2, 3, 8, 9, 14, 15, 16 и 12.1 — С. А. Поповым, 
1, 4, 5 и 6 — А. К. Мусатовым, 10, 13, 17, 18 и 12.2 — Г. А. Тимофеевым, глава 11 — совместно А. К. Мусатовым и Г. А. Тимофеевым.
Авторы выражают благодарность своим коллегам — членам кафедры 
«Теория механизмов и механика машин» МГТУ им. Н. Э. Баумана и с 
благодарностью вспоминают своих учителей Л. П. Смирнова, В. А. Г
авриленко, 
Л. Н. Решетова, С. Б. Минута, А. А. Савелову и товарищей В. М. Акопяна, 
Т. А. Архангельскую, Н. М. Взорова, Д. М. Лукичева, З. С. Малышеву, 
А. С. Мастрюкову, Г. Н. Петрова, Н. Е. Ремезову, Н. А. Скворцову, В. А. Суетина 
и всех, принимавших участие в подготовке учебного пособия «Теория 
механизмов», изданного издательством «Высшая школа» в 1973 г.
Особую благодарность редактор выражает преподавателям кафедры — 
разработчикам части включенных в учебник задач, любезно предоставившим 
их для использования в новой редакции.

Введение
Создание новых машин, приборов, установок, автоматических устройств 
и комплексов, отвечающих современным требованиям эффективности, 
точности, надежности и экономичности, основано на достижениях 
фундаментальных и прикладных наук.
Теория механизмов и механика машин — наука, изучающая общие методы структурного, кинематического и динамического анализа и синтеза различных механизмов, механику машин. Важно подчеркнуть, что излагаемые 
в теории механизмов и механике машин методы пригодны для проектирования любого механизма и не зависят от его технического назначения, а 
также физической природы рабочего процесса машины.
Курс теории механизмов и механики машин по существу является вводным в специальность будущего инженера и поэтому имеет инженерную 
направленность, в нем широко используется современный математический 
аппарат и изучаются практические приемы решения задач анализа и синтеза механизмов — аналитические с применением компьютеров, графические 
и графоаналитические.
Машина — устройство, выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или облегчения физического и умственного труда человека. В процессе обработки 
в технологических машинах (металлообрабатывающие станки и комплексы, 
кузнечно-прессовое оборудование, прокатные станы, литейное оборудование и т.п.) изменяются форма, размеры, свойства, состояние исходных 
материалов и заготовок. С помощью транспортных машин и устройств 
происходит перемещение людей, грузов, инструментов и других объектов в 
пространстве с требуемой скоростью. Энергетические машины преобразуют 
энергию. В информационных машинах происходит преобразование вводимой информации для контроля, регулирования и управления движением.
Машина осуществляет свой рабочий процесс посредством выполнения 
закономерных механических движений. Носителем этих движений является 
механизм. Следовательно, механизм — 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.
Простейшие механизмы (рычажные, зубчатые и др.) были известны с 
давних времен; постепенно шел процесс их исследования, совершенствования и внедрения в практику с целью облегчения труда человека, повышения 
производительности труда.

Введение 
7
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 экспериментальным путем определить коэффициент трения. 
Итальянский врач и математик Д. Кардан (1501—1576) изучал движение механизмов часов 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, тридцать лет жил и работал в России, профессор, а затем 
действительный член Петербургской aкадемии наук, автор 850 научных трудов, 
решил ряд задач по кинематике и динамике твердого тела, исследовал колебания и устойчивость упругих тел, занимался вопросами практической механики, исследовал, в частности, различные профили зубьев зубчатых колес и 
пришел к выводу, что наиболее перспективный профиль — эвольвентный.
Знаменитый 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 100, а в 1900 г. — примерно 1410. Однако в начале XX в. отечественное машиностроение отставало и по уровню развития, 
и по масштабам производства: половину от всех машин ввозили из-за границы. Лишь в 30—50-е годы в нашей стране стало развиваться мощное 
машиностроение, успешно создающее различные машины и механизмы, не 
уступающие лучшим мировым образцам, а в ряде случаев превосходящие их.
Высокоразвитое отечественное машиностроение было одним из факторов, 
обеспечивших победу в Великой Отечественной войне.
Как наука теория механизмов и механика машин под названием «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 механикe 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 

Введение
механизмов, осуществляющих заданную траекторию, останов некоторых звеньев 
при движении других и т. д.; структурную формулу плоских механизмов называют 
сейчас формулой Чебышева.
Немецкий ученый Ф. Грасгоф (1826—1893) дал математическую 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 регулирования, 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, 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. Российский ученый Х. И. Г
охман (1851—1916) одним 
из первых опубликовал работу по аналитической теории зацепления.
Значительный вклад в динамику машин внес своими трудами «отец 
русской авиации» Н.Е. Жуковский (1847—1921). Он был не только основоположником современной аэродинамики, но и автором ряда работ по прикладной механике и теории регулирования хода машин.
Развитию механики машин способствовали работы Н.П. Петрова (1836—
1920), заложившего основы гидродинамической теории смазки; В.П. Горячкина (1868—1935), разработавшего теоретические основы расчета и построения сельскохозяйственных машин, вся сложность расчета которых заключается в том, что их исполнительные механизмы должны воспроизводить 
движения руки человека.
Российский 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 машин как цельной теории 
машиностроения внес И. И. Артоболевский (1905—1977). Он являлся организатором отечественной школы теории механизмов и машин; им написаны 
многочисленные труды по структуре, кинематике и синтезу механизмов, 
динамике машин и теории машин-автоматов, а также учебники, получившие 
всеобщее признание.

Введение

9
Ученики и последователи  И. И. Артоболевского  — А. П. Бессонов, 
Вяч. А. Зиновьев (1899—1975), Н. И. Левитский, Н. В. Умнов, С. А. Черкудинов 
и др. — 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 их развитию.
В 30-е и последующие годы большой вклад в теорию механизмов и машин 
внесли своими исследованиями Н. Г. Бруевич (1896—1987), один из создателей теории точности механизмов, Г. Г. Баранов (1899—1968), автор трудов по 
кинематике пространственных механизмов, С.Н. Кожевников (1906—1988), 
разработавший общие методы динамического анализа механизмов с упругими звеньями и механизмов тяжело нагруженных машин.
Следует отметить труды ученых одной из старейших кафедр нашей страны — кафедры теории механизмов и машин МВТУ им. Н.Э. Баумана (с 1989 г
. — 
Московский государственный технический университет — МГТУ), где курс 
прикладной механики ввел и начал в 1872 г. впервые читать Ф. Е. Орлов 
(1843—1892). В дальнейшем курс отрабатывался и углублялся как в методическом, так и в теоретическом направлении: Д. С. Зернов (1860 —1922) расширил теорию передач; 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. Г
авриленко (1899—1977) 
разработал геометрическую теорию зубчатых передач; Л. Н. Решетов (1906—1998) 
развил теорию планетарных и кулачковых механизмов и положил начало 
теории самоустанавливающихся механизмов.
С 1978 г. кафедру возглавил директор института машиноведения членкорреспондент АН СССР К.В. Фролов (1932–2007) и руководил ею на протяжении почти 30 лет. К.В. Фролов сформулировал новое научное направление — виброзащита комплексной системы «человек – машина – среда» и 
впервые предложил учитывать при ее разработке динамические особенности 
тела человека как колебательной системы.
В настоящее время коллектив кафедры работает над совершенствованием 
учебного курса теории механизмов и механики машин. Стремительное развитие новой техники поставило новые проблемы и перед высшим образованием. Поэтому в курс теории механизмов и механики машин введены разделы, посвященные изнашиванию, влиянию упругости звеньев на движение 
механизма, виброактивности и виброзащите, проектированию манипуляторов, управлению системой механизмов.

Раздел I
МЕХАНИКА МАШИН
Перед машиностроением стоят сложные задачи. Машина должна быть 
прочной, надежной в работе, высокопроизводительной, но вместе с тем и 
легкой, не должна загрязнять окружающую среду, соответствовать требованиям технической эстетики и эргономики. Чтобы успешно решать эти задачи и создавать машины, отвечающие современным требованиям, специалистам в области машиностроения нужны знания, умения и навыки в целом 
ряде фундаментальных и общеинженерных наук, в том числе и теории механизмов и машин. После освоения раздела «Механика машин» студент должен 
приобрести следующие знания, умения и навыки, соответствующие компетенциям ООП.
Студент должен знать:
•
•
содержание дисциплины «Теория механизмов и машин», основные понятия и определения: машинный агрегат, машина, механизм, звено, кинематическая пара;
•
•
строение механизмов, основные виды механизмов, классификацию, их 
функциональные возможности и области применения;
•
•
методы структурного анализа и синтеза механизмов, проектирование 
самоустанавливающихся механизмов;
•
•
методы расчета кинематических параметров движения механизмов, алгоритмы многовариантного кинематического анализа;
•
•
постановку задачи с учетом обязательных и желательных условий синтеза рычажных механизмов, построение алгоритмов синтеза механизмов и 
уметь реализовывать их с использованием ЭВМ;
•
•
методы проведения силового анализа механизмов без учета и с учетом 
трения в кинематических парах;
•
•
принципы формирования расчетных динамических моделей с жесткими 
и упругими звеньями, методы определения параметров этих моделей и 
уравнения, описывающие их движение;
•
•
классификацию режимов движения механизмов машин и методики решения типовых задач динамики;
•
•
виды неуравновешенности роторов и рычажных механизмов; балансировку роторов и уравновешивание рычажных механизмов;
•
•
способы учета податливости звеньев в машинах, типовые задачи о колебаниях в машинах, методы виброзащиты и виброизоляции механизмов и 
машин.