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 кон-
струкций и структурных групп. Рассматриваются методы образования 
машин, механизмов, строительных конструкций и структурных групп, 
а также приводится структурно-параметрический синтез рычажных меха-
низмов. 
Соответствует требованиям федеральных государственных образова-
тельных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов, магистрантов и аспирантов, осваива-
ющих курсы «Теории механизмов и машин», «Прикладная механика», 
«Техническая механика», «Основы проектирования машин», «Робототех-
ника», «Строительная механика» и т.п., также будет полезно разработчи-
кам 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 «Теоре-
тическая и прикладная механика» Донского государственного техниче-
ского университета;
В.Г. Хомченко, доктор технических наук, профессор кафедры «Автома-
тизация и робототехника» Омского государственного технического уни-
верситета

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 классифи-
кацию, 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. Бур-
местр, 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. Криво-
шапко, 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. Грю-
блер, 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 ме-
ханизмов, так как она претендует на универсальность» [9].
В соответствии с Ассуром, любой механизм образуется в резуль-
тате присоединения к элементарным механизмам структурных групп 
или групп Ассура . В дальнейшем И.И. Артоболевский, У.А. Джол-
дасбеков, 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 кинематиче-
ских цепей (структурных групп), а также показано, что принцип 
построения машин и механизмов по Ассуру не единствен и, следо-
вательно, 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 структур-
ного анализа и синтеза машин и механизмов. Рассмотрены наи-
более распространенные на практике машины и механизмы.

Вторая глава посвящена структурному анализу механизмов. 
В ней рассмотрены пространства, поверхности и плоскости, в ко-
торых существуют машины и механизмы. Дана классификация 
механизмов. Получены универсальные аналитические выражения 
для определения подвижности простых и сложных механизмов. 
Определяется подвижность и проводится структурный анализ боль-
шого числа различных механизмов.
Третья глава книги посвящена структурному синтезу меха-
низмов и структурных групп. В ней разрабатываются структурные 
математические модели механизмов и структурных групп. Пока-
зана 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 по-
строении машин и механизмов, а именно их структурно-параме-
трический синтез. Приводятся теоретическая база и конкретные 
примеры структурно-параметрического синтеза механизмов.
Пятая глава посвящена структурному анализу статических кон-
струкций. 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 распростра-
ненных 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 со-
ставляющие;
• 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 компе-
тенции 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 профессио-
нальной деятельности базовые знания в области математики и ес-
тественных 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 (логи-
чески) оформить результаты мышления;
 
– способность и готовность к кооперации с коллегами, работе 
в коллективе;
 
– способность использовать в познавательной и профессио-
нальной деятельности навыки работы с информацией, полу-
ченной из различных источников;
• профессиональные:
 
– умение применять стандартные методы расчета, синтеза 
и анализа при проектировании механизмов, машин и кон-
струкций;
 
– способность принимать участие в работах по расчету и про-
ектированию механизмов, машин и конструкций в соответ-
ствии с техническими заданиями, используя стандартные 
средства автоматизации проектирования;
 
– способность разрабатывать рабочую проектную и техни-
ческую документацию, оформлять законченные проектно-
конструкторские 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 раз-
работаны 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 меха-
низмов 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. Ро-
бертс, Х.Р. Казыханов, Л. Бурместер, М. Грюблер, Л.Т. Дворников, 
Р.Д. Сухих и др.
Вопросам устранения избыточных (лишних) связей в меха-
низмах посвящены работы Л.Н. Решетова, Н.В. Бебешина, В.Н. Ер-
мака и др.
Этот далеко не полный список ученых, занимавшихся и за-
нимающихся в настоящее время теорией структуры механизмов 
и машин, показывает, что в последнее время интерес к структур-
ному анализу и синтезу возрастает. В настоящее время теория 
структуры механизмов, машин, кинематических цепей и кон-
струкций 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. Рас-
смотрим обобщенный алгоритм создания новых устройств и из-
делий (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, ме-
ханизма и строительной конструкции, начинается с разработки 
технического задания на его проектирование. На этом этапе форму-
лируются основные требования, которыми должно будет обладать 
будущее устройство, входные и выходные данные, а также описы-
ваются условия его эксплуатации.
• Сформулировав техническое задание, переходят к синтезу 
и обоснованию структурной схемы проектируемой машины. Эти ра-
боты обычно проводят на основании анализа научной и патентной 
литературы, а также опираясь на собственные опыт и квалифи-
кацию. 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 опре-
деляют массовые и геометрические параметры и характеристики ее 
деталей и узлов.
• Проводят кинематический, динамический и силовой анализ 
спроектированной машины. По результатам анализов делают за-
ключение о целесообразности дальнейших работ и, если это необ-
ходимо, вносят коррективы в чертежи и техническое задание, при-
нимают решение об изготовлении и испытании макетного образца. 
Изготавливают макетные образцы и проводят их всесторонние экс-
периментальные исследования. По результатам исследований делают 
необходимые изменения в чертежах и расчетах, определяют вы-
ходные параметры получившейся машины и принимают решение 
о целесообразности ее промышленного производства.
• Разрабатывают всю необходимую для промышленного про-
изводства конструкторскую и технологическую документацию и ос-
ваивают выпуск созданной машины.
• Внедряют новую машину в эксплуатацию.
• Сопровождают эксплуатируемую машину.
Анализ этапов создания новой техники показывает, что наи-
более ответственным является этап, на котором синтезируется (вы-
бирается) 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, из-
учение и освоение современных методов целенаправленного ана-
лиза и синтеза механизмов, машин и конструкций.