Теория механизмов и машин

 
 
 
 
 
 
Б. А. БЕЛЯЕВ 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024

УДК 621.01 
ББК 34.419 
Б44 
 
 
 
Рецензент: 
 кандидат технических наук, доцент, доцент Российской академии народного 
хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации 
С. В. Поляков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Беляев, Б. А.  
Б44   
Теория механизмов и машин : учебное пособие / Б. А. Беляев.  –  
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 120 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1932-1 
 
Изложены теоретические основы структурного, кинематического, динамического 
анализов рычажных механизмов с простыми кинематическими парами; основы эвольвентного зубчатого зацепления. Приведены примеры использования каждого метода 
применительно к курсовому проекту. Даны варианты заданий и примеры оформления 
пояснительной записки и графической части проекта. 
Для студентов очной и заочной форм обучения с элементами дистанционных образовательных технологий по направлениям подготовки бакалавриата. 
 
УДК 621.01 
ББК 34.419 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1932-1 
© Беляев Б. А., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Курсовой проект по дисциплине «Теория механизмов и машин» является 
первым в учебном плане крупным заданием, выполняемым самостоятельно и содержащем элементы исследовательской работы. 
Изучение функций машин, связанных с управлением технологическим 
процессом и контролем качества работ, эффективной эксплуатацией, современным и грамотным назначением мероприятий по уходу и ремонту, невозможно 
без учёта кинематического и динамического взаимодействия в структурной цепи 
машинного агрегата. 
Цель курсового проекта – выработка и закрепление навыков в исследованиях по влиянию параметров технологического процесса на кинематические и 
динамические характеристики движения звеньев механизма и машины в целом. 
Учебное пособие содержит четыре раздела и приложения. Первый раздел 
посвящён кинематическому анализу рычажного механизма, второй – рассматривает вопросы структурного и силового анализов механизма, в третьем – приводится методика динамического анализа механизма, четвёртый – посвящён эвольвентному зубчатому зацеплению.  
Каждый раздел содержит краткие теоретические положения, примеры, иллюстрирующие особенности практического применения. 
Курсовой проект защищают в виде публичного обсуждения методик исследований по разделам проекта и анализа полученных результатов. 
Оценку по проекту выставляет комиссия из преподавателей, назначаемых 
заведующим кафедрой. Оценка учитывает качество оформления проекта, полноту и логичность доклада, чёткость и корректность ответов на заданные вопросы. 
3 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Понятие об инженерном проектировании 
 
Инженерное проектирование – это процесс, в котором научная и техническая информация используется для создания новой системы, устройства или 
машины, приносящих обществу определенную пользу. 
Проектирование (по ГОСТ 22487-77) – это процесс составления описания, 
необходимого для создания еще несуществующего объекта (алгоритма его функционирования или алгоритма процесса), путем преобразования первичного описания, оптимизации заданных характеристик объекта (или алгоритма его функционирования), устранения некорректности первичного описания и последовательного представления (при необходимости) описаний на различных языках. 
Проект (от лат. projectus – брошенный вперёд) – совокупность документов и 
описаний на различных языках (графическом – чертежи, схемы, диаграммы и графики; математическом – формулы и расчёты; инженерных терминов и понятий – 
тексты описаний, пояснительные записки), необходимая для создания какого-либо 
сооружения или изделия. 
Методы проектирования: 
1) 
прямые аналитические методы синтеза (разработаны для ряда простых 
типовых механизмов); 
2) 
эвристические методы проектирования – решение задач проектирования на 
уровне изобретений (например, алгоритм решения изобретательских задач); 
3) 
синтез методами анализа – перебор возможных решений по определенной стратегии (например, с помощью генератора случайных чисел – метод 
Монте-Карло) с проведением сравнительного анализа по совокупности качественных и эксплуатационных показателей (часто используются методы оптимизации – минимизация сформулированной разработчиком целевой функции, 
определяющей совокупность качественных характеристик изделия); 
4) 
системы автоматизированного проектирования (САПР) – компьютерная 
программная среда моделирует объект проектирования и определяет его качественные показатели, после принятия решения – выбора проектировщиком параметров объекта – система в автоматизированном режиме выдаёт проектную 
документацию. 
При проектировании новой техники возникает необходимость проведения 
работ, связанных с анализом и синтезом новой конструкции. 
Анализ осуществляется при заданных размерах и массе звеньев, когда 
необходимо определить: скорости, ускорения, действующие силы, напряжения  
4 
 

в звеньях и их деформации. В результате может быть произведён проверочный 
расчёт на прочность, выносливость и т. д. 
Синтез осуществляется при заданных скоростях, ускорениях, действующих силах, напряжениях или деформациях. При этом требуется определить необходимые размеры звеньев, их форму и массу. 
При синтезе часто решается задача оптимального проектирования конструкции, когда находятся необходимые показатели работы машины при 
наименьших затратах труда. 
Обычно основными этапами создания новой конструкции являются: 
1) осознание общественной потребности в разрабатываемом изделии; 
2) техническое задание на проектирование (первичное описание); 
3) анализ существующих технических решений; 
4) разработка функциональной схемы; 
5) разработка структурной схемы; 
6) метрический синтез механизма (синтез кинематической схемы); 
7) статический силовой расчёт; 
8) эскизный проект; 
9) кинетостатический силовой расчёт; 
10) силовой расчёт с учётом трения; 
11) расчёт и конструирование деталей и кинематических пар (прочностные расчеты, уравновешивание, балансировка, виброзащита); 
12) технический проект; 
13) рабочий проект (разработка рабочих чертежей деталей, технологии 
изготовления и сборки); 
14) изготовление опытных образцов; 
15) испытания опытных образцов; 
16) технологическая подготовка серийного производства; 
17) серийное производство изделия. 
При проектировании сложных механизмов обычно стремятся выделить из 
общей схемы отдельные, более простые типовые механизмы, проектирование 
которых имеет свои закономерности. К таким широко используемым в технике 
механизмам относятся: рычажные (стержневые), кулачковые, фрикционные, 
зубчатые и другие, причём с точки зрения строения, кинематики и динамики 
любой 
механизм 
можно 
заменить 
условным 
рычажным 
механизмом  
с последующим его анализом, поэтому структура, кинематика и динамика рычажных механизмов рассматриваются наиболее подробно. 
 
 
 
5 
 

Понятие о технической системе 
 
Техническая система – ограниченная область реальной действительности, взаимодействующая с окружающей средой U, выполняющая определенные 
функции F и имеющая структуру S (рис. 1): 
• Ef, Af – параметры, характеризующие функции F системы; 
• En, An – параметры, не относящиеся к функциям прибора (условия работы, внешние и дополнительные воздействия); 
• Z – системный оператор; 
• M – элементы системы; 
• R – отношения между элементами системы. 
 
 
 
Рис. 1. Техническая система 
 
Окружающая среда U – совокупность внешних объектов, взаимодействующих с системой. 
Функция F – свойство системы, используемое для преобразования входных 
величин Ef при внешних и дополнительных воздействиях An и условиях работы 
En в выходные величины Af. Функция – объективно измеряемое свойство, которое может быть охарактеризовано параметрами системы. Количество реализуемых системой функций соответствует количеству используемых системой физических свойств. Если система выполняет несколько функций, то различают общую и частные функции. Общая функция охватывает множество всех входных 
и выходных величин, которое характеризует рассматриваемую систему как одно 
целое. Частные функции делятся: на главные и вспомогательные – по их значению в выполнении задачи; основные и элементарные – по типу изменения функций в процессе их выполнения. 
Структура S – совокупность элементов М и отношений R между ними 
внутри системы S = (M, R). Элемент системы при проектировании рассматривается как одно целое, хотя он может иметь различную степень сложности. Если 
6 
 

при рассмотрении элемента не принимаются во внимание его форма  
и внутреннее строение, а рассматривается только выполняемая им функция,  
то такой элемент называется функциональным. 
Для механической системы элементами могут быть: деталь, звено, группа, 
узел, простой или типовой механизм. 
Деталь – элемент конструкции, не имеющий в своем составе внутренних 
связей (состоящий из одного твердого тела). 
Звено – твердое тело или система жестко связанных твердых тел (может 
состоять из одной или нескольких деталей), входящая в состав механизма. 
Группа – кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев, связанных между собой кинематическими парами (отношениями), и удовлетворяющая 
некоторым заданным условиям. 
Сборочная единица – несколько деталей, связанных между собой функционально, конструктивно или каким-либо другим образом. 
С точки зрения системы группы сборочные единицы, простые или типовые 
механизмы рассматриваются как подсистемы. Самым низким уровнем разбиения системы при конструировании является уровень деталей; при проектировании – уровень звеньев. Элементы из системы можно выделить только после определения взаимосвязей между ними, которые описываются отношениями. Для 
механических систем интерес представляют отношения, определяющие структуру системы и её функции, т. е. расположения и связи. 
Расположения – такие отношения между элементами, которые описывают 
их геометрические относительные положения. 
Связи – отношения между элементами, предназначенные для передачи материала, энергии или информации между элементами. Связи могут осуществляться с помощью различных физических средств: механических соединений, 
жидкостей, электромагнитных или других полей, упругих элементов. Механические соединения могут быть подвижными (кинематические пары) и неподвижными. Неподвижные соединения делятся на разъёмные (винтовые, штифтовые) 
и неразъёмные (сварные, клеевые). 
 
Цель и задачи курсового проектирования 
 
Основная цель курсового проектирования – привить навыки использования общих методов проектирования и исследования механизмов для создания 
конкретных машин различного назначения. 
Курсовое проектирование должно способствовать усвоению студентами 
определённых методик и навыков работы по следующим основным направлениям: 
7 
 

1) 
оценка соответствия структурной схемы механизма основным условиям 
работы машины; 
2) 
проектирование структурной и кинематической схем рычажного механизма по заданным основным и дополнительным условиям; 
3) анализ движения механизма при действии заданных сил; 
4) силовой анализ механизма с учётом геометрии масс звеньев при движении их с ускорением; 
5) построение различных диаграмм, характеризующих работу механизма; 
6) расчёт оптимальной геометрии зубчатого зацепления. 
Задание на курсовое проектирование содержит название темы проекта, 
краткое описание назначения механизма и функций его исполнительного органа, 
кинематическую схему начального положения механизма, исходные данные для 
анализа механизма. 
Курсовой проект выполняют в одном семестре, что предусмотрено учебными планами направлений бакалавриата. 
Настоящее учебное пособие ориентировано на определённую последовательность краткого изложения теоретического материала: основы строения механизмов и машин, кинематические характеристики механизмов, исследование 
движения механизма под действием заданных сил, силовой расчёт механизма, 
проектирование зубчатой передачи. 
 
Требования к оформлению пояснительной записки 
 
1. Не следует приступать к выполнению курсового проекта, не изучив соответствующего раздела курса и не решив самостоятельно рекомендованных задач. Если студент слабо усвоил основные положения теории, то при выполнении 
проекта могут возникнуть большие затруднения. Несамостоятельно выполненный проект не даёт возможности преподавателю вовремя заметить недостатки в 
работе студента. В результате студент не приобретает необходимых знаний и 
оказывается неподготовленным к экзамену или зачёту. 
2. Не рекомендуется также приносить преподавателю сразу несколько выполненных частей курсового проекта. Это не даёт рецензенту возможности своевременно указать студенту на допущенные ошибки и задерживает рецензирование. 
3. В возвращённом разделе проекта студент должен исправить все отмеченные ошибки и выполнить данные ему указания. 
Пояснительная записка – документ, содержащий описание исследуемого 
механизма, обоснования принятых при его разработке методов исследования и 
технических решений, все виды расчётов, схемы, таблицы. 
8 
 

Построение пояснительной записки 
Пояснительная записка должна содержать: 
1. Титульный лист. 
2. Задание на курсовой проект. 
3. Содержание. 
4. Кинематический анализ механизма. 
5. Структурный анализ механизма. 
6. Силовой расчёт механизма. 
7. Динамический расчёт механизма. 
8. Расчёт геометрии эвольвентного зубчатого зацепления. 
9. Заключение. 
10. Список литературы. 
Титульный лист выполняется на бумаге формата А4 (только на персональном компьютере) и должен соответствовать образцу (см. приложение). Текст записки должен быть набран в текстовом редакторе Microsoft Word. Гарнитура 
шрифта пояснительной записки – Times New Roman, кегль (размер шрифта) 14-й  
с полуторным межстрочным интервалом. Выравнивание текста – по ширине. 
Ориентация страницы – книжная. 
Записка делится на разделы, подразделы, пункты и подпункты. Разделам 
пояснительной записки присваивают порядковые номера, которые записывают 
перед названием раздела в одной строке с ним. Раздел начинают с нового листа, 
его название должно отстоять от верхнего края рамки на 20 мм. 
Номер подраздела содержит номер раздела и свой собственный порядковый номер, разделённые точкой. Перед первым подразделом может быть вводный текст без номера. 
В заголовках не допускаются переносы слов. Если заголовок состоит из 
двух предложений, их разделяют точкой, в конце заголовка точку не ставят. 
 
Текст 
 
Фразы текста должны быть краткими, точными, не следует допускать произвольных толкований. Законченные по смыслу части текста выделяют в абзацы, 
каждый абзац начинают с красной строки. 
Текст должен быть написан студентом самостоятельно. Включать в текст 
абзацы, отдельные фразы, дословно заимствованные из учебников и иных источников, не разрешается. 
Все слова текста пишут полностью, разрешены только общепринятые сокращения (ГОСТ 7.12-77), установленные правилами русской орфографии: 
9 
 

− т. е. (то есть), и т. д. (и так далее), и т. п. (и тому подобное), др. (другие), 
пр. (прочие), см. (смотри), ср. (сравни); 
− обозначения единиц измерения (ГОСТ 8.417-81), если они стоят после 
цифр (3 м, 2 кг, 5 Н⋅м); 
− общепринятые – КПД, ГОСТ (с обязательным указанием регистрационного номера стандарта) и др. 
Часто встречающиеся в тексте сложные названия при первом упоминании 
пишут полностью и тут же приводят в скобках сокращенную запись, например 
кинематическая пара (КП). В дальнейшем изложении употребляют сокращенную запись. 
Математические знаки можно применять только в формулах, в тексте их 
следует записывать словами (например, ускорение т. А равно нулю). 
Знаки ∠, ° применяют только при цифровых или буквенных обозначениях, 
в тексте их пишут словами (угол задают в градусах, «угол между векторами 
равен 30°»). 
Пределы изменения величин указывают либо словами, либо цифрами, разделенными многоточием (от пяти до десяти, 5...10). Рядом стоящие цифровые 
величины отделяют одну от другой точкой с запятой (число сателлитов может 
быть равно 2; 3; 5). 
При ссылках на литературу указывают порядковый номер источника в 
списке литературы, заключенный в квадратные скобки. 
Изложение предпочтительно вести в настоящем времени (решая уравнение, получаем). Нежелательно употребление возвратных форм глаголов (вместо 
«вычисляется по формуле» лучше написать «вычисляют по формуле»). 
 
Расчёты 
 
Каждому расчёту должно предшествовать краткое пояснение его сущности. Например, оценка потерь мощности на трение в поступательных парах. Перед расчётной формулой записывают название определяемой величины (КПД 
механизма, диаметры окружностей впадин), при необходимости расчет дополняют схемой или эскизом. 
В формулах следует использовать обозначения, установленные стандартами, подстановка численных значений величин должна строго отвечать структуре формулы. 
 
 
 
 
10