Прикладная механика: основы теории механизмов и машин. Практикум

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ 

ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ 

СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ 

ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ 

ГПС МЧС РОССИИ 

 

 

   

 

Фадеев А.А., Снежко А.А. 

 
 

 

ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА: 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН 

ПРАКТИКУМ 

 

Учебное пособие 

 

Допущено Ученым советом ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная 

академия ГПС МЧС России в качестве учебного пособия для обучающихся по 

специальности 20.05.01 Пожарная безопасность и  

направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Железногорск  

2023 

 

УДК 62-231 
ББК 34.44 
 
 

Авторы: Фадеев Александр Александрович, канд. техн. наук 

Снежко Александра Александровна, канд. техн. наук 

 

Рецензенты: 

 

Яковенко Татьяна Анатольевна, кандидат технических наук 

(Уральский институт ГПС МЧС России») 

Вытовтов Алексей Владимирович, кандидат технических наук 
(Воронежский институт повышения квалификации сотрудников  

ГПС МЧС России) 

 
 

 

 

 
 
Фадеев А.А., Снежко А.А. Прикладная механика: основы теории 

механизмов и машин. Практикум [Текст]: учебное пособие / А.А. Фадеев, 
А.А. Снежко – Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная 
академия ГПС МЧС России, 2023. – 166 с.: ил. 

 
 
Учебное пособие представляет собой систематизированное, логически 

последовательное изложение разделов курса «Прикладная механика», 
связанных с кинематическим и динамическим анализом механизмов. В 
учебном пособии рассмотрены основные методы кинематического анализа и 
динамического расчета основных видов механизмов, показаны принципы 
расчета, ключевые понятия, предложены задания для практических и 
самостоятельных работ. 

Теоретические основы, изложенные в данном пособии, помогут 

обучающимся по специальности 20.05.01 Пожарная безопасность и 
направлению подготовки 20.03.01 Техносферная безопасность сформировать 
необходимые навыки работы по проектированию и расчету различных 
механизмов. 

 
 
 

© ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2023 

© Фадеев А.А., Снежко А.А., 2023 

 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение ................................................................................................................... 5 

1. 
Общие сведения ............................................................................................. 7 

1.1. Основные термины и определения ......................................................... 7 

1.2. Кинематическая пара и кинематическая цепь ....................................... 8 

1.3. Группы Ассура ........................................................................................ 14 

1.4. Механизмы в пожарно-спасательной технике. .................................... 19 

1.4.1. 
Системы пожарной автолестницы ............................................ 19 

1.4.2. 
Механизированный пожарный инструмент ............................. 23 

1.4.3. 
Манипуляционные системы мобильных роботизированных 

комплексов 28 

2. 
Кинематический анализ механизма ........................................................... 32 

2.1. Структурный анализ механизма. ........................................................... 34 

2.1.1. 
Кривошипно-ползунный механизм .......................................... 34 

2.1.2. 
Шарнирный механизм ............................................................... 36 

2.1.3. 
Кулисный механизм ................................................................... 38 

2.2. Построение плана положений механизма. Синтез плана скоростей. 40 

2.2.1. 
Кривошипно-ползунный механизм .......................................... 40 

2.2.2. 
Шарнирный механизм ............................................................... 47 

2.2.3. 
Кулисный механизм ................................................................... 53 

2.3. Синтез плана ускорений ......................................................................... 60 

2.3.1. 
Кривошипно-ползунный механизм .......................................... 60 

2.3.2. 
Шарнирный механизм ............................................................... 67 

2.3.3. 
Кулисный механизм ................................................................... 74 

3. 
Силовой анализ механизма ......................................................................... 83 

3.1. Силы, действующие в механизмах и машинах .................................... 83 

3.2. Методы силового анализа механизмов ................................................. 85 

3.3. Синтез расчетной модели механизма ................................................... 88 

3.3.1. 
Кривошипно-ползунный механизм .......................................... 88 

3.3.2. 
Шарнирный механизм ............................................................... 93 

3.3.3. 
Кулисный механизм ................................................................... 97 

3.4. Метод Н.Е. Жуковского ........................................................................ 100 

3.4.1. 
Кривошипно-ползунный механизм ........................................ 101 

3.4.2. 
Шарнирный механизм ............................................................. 104 

3.4.3. 
Кулисный механизм ................................................................. 108 

3.5. Кинетостатический метод .................................................................... 111 

3.5.1. 
Кривошипно-ползунный механизм ........................................ 112 

3.5.2. 
Шарнирный механизм ............................................................. 120 

3.5.3. 
Кулисный механизм ................................................................. 128 

4. 
Варианты заданий для выполнения самостоятельной работы .............. 138 

Библиографический список ................................................................................ 156 

Приложения ......................................................................................................... 158 

 

Введение 

 

Одним из условий подготовки специалистов по пожарной и 

техносферной безопасности является способность учитывать современные 

тенденции развития техники и технологий в областях техносферной 

безопасности, охраны труда, измерительной и вычислительной техники, 

информационных технологий при решении типовых задач в области 

профессиональной деятельности, связанной с обеспечением безопасных 

условий и охраны труда, пожарной безопасности, защитой окружающей 

среды. Связано это прежде всего с тем, что в последнее время наблюдается 

активное насыщение структур МЧС новейшими образцами пожарно-

спасательной 
техники, 
позволяющей 
более 
эффективно 
решать 

поставленные задачи по предупреждению и ликвидации чрезвычайных 

ситуаций, а также спасению  людей и имущества. Отсюда и повышенные 

требования к специалистам, разрабатывающим и  эксплуатирующим данную 

технику.  

Одним из общеинженерных курсов, позволяющих получить знания по 

разработке и эксплуатации техники (в том числе пожарно-спасательной) 

является 
курс 
«Прикладной 
механики». 
В 
рамках 
данного 
курса 

рассматриваются такие важные вопросы: теория прочности конструкций, 

кинематический и динамический анализ механизмов, проектирование и 

конструирование узлов и деталей машин. Освоение данных разделов 

повышает общетехнический уровень образованности специалистов по 

пожарной и техносферной безопасности, позволяет им более эффективно 

решать задачи по эксплуатации (модернизации) техники.  

В 
рамках 
данного 
учебного 
пособия 
рассматривается 
тема 

кинематического и динамического расчета плоских шарнирно-рычажных 

механизмов. К одним из основных методов кинематического анализа 

относится метод планов скоростей и ускорений (метод Мора), который 

отличается простотой и наглядностью. К динамическому расчету относятся 

силовой анализ, метод И.Е. Жуковского и метод кинетостатического анализа 

для определения управляющего воздействия на механизм. 

Целями учебного пособия являются: 

– изучение и закрепление некоторых вопросов теории механизмов и 

машин, их кинематики и динамики; 

– приобретение практического опыта кинематического анализа 

рычажных механизмов методом планов скоростей и ускорений; 

– приобретение практического опыта силового анализа рычажных 

механизмов методами Жуковского и кинетостатического анализа. 

Первая глава дает общие сведения, термины и определения по разделу 

теории механизмов и машин. Дается общая классификация кинематических 

пар и групп Ассура, даются принципы их анализа. Для понимания и 

наглядного представления в главе дан раздел о примерах использования 

изучаемых механизмов в пожарно-спасательной технике. 

Во второй главе представлен разбор кинематического анализа трех 

основных видом механизмов: кривошипно-ползунного, шарнирного и 

кулисного механизмов. Представлены структурный анализ, а также методика 

построения планов скоростей и ускорений каждого механизма. 

Третья глава посвящена силовому анализу механизмов методами И.Е. 

Жуковского и кинетостатического анализа с построением планов сил. 

Задачи по второй и третьей главе решаются аналитическими и 

графическими методами. 

В приложении изложен материал, включающий расчетно-графическую 

часть работы, пример оформления расчетно-пояснительной записки, 

справочные материалы для использования в расчетах, а также, даны 

варианты заданий на самостоятельную работу. 

Данное учебное пособие предназначено для выполнения расчетно-

графических и самостоятельных работ обучающиимися по специальности 

20.05.01 Пожарная безопасность и направлению подготовки 20.03.01 

Техносферная безопасность всех форм обучения. 
 

1. Общие сведения 

1.1. Основные термины и определения 

 

Машина – устройство, выполняющее механические движения для 

преобразования энергии, материалов и информации с целью замены или 

облегчения умственного и физического труда [1]. 

В зависимости от основного назначения машины подразделяют на 

энергетические, технологические и информационные. 

Механизм – система тел, предназначенная для преобразования 

определенного движения одного или нескольких твердых тел в требуемые 

движения других твердых тел (механизм выпуска шасси, механизм 

управления закрылками). 

Все механизмы формируются из соединённых между собой звеньев. 

Звено - одно или несколько неподвижно соединенных твердых тел, 

входящих в состав механизма.  

Стойкой называют звено, принимаемое за неподвижное (корпус, рама, 

станина). Но в перемещаемых (например, мехатронных) модулях и системах, 

в частности на транспорте, стойкой считается рама или корпус движущегося 

транспортного средства. В каждом механизме всегда есть одна и только одна 

стойка. 

Звено, которому сообщается движение, преобразуемое в требуемые 

движения других тел, называют входным звеном. Звено, совершающее 

движение, для выполнения которого предназначен механизм, называют 

выходным звеном. Остальные звенья механизма − промежуточные. 

Для 
изучения 
структуры 
механизмов 
(структурного 
анализа) 

используют структурную схему − простейшее изображение механизма с 

помощью условных обозначений звеньев и кинематических пар без указания 

размеров (рисунок 1.1). На схеме звенья обозначают цифрами, а соединения 

(пары) и характерные точки − буквами. Неподвижное звено показывают 

штриховкой. 

 

 

Рисунок 1.1 – Примеры схематического изображения звеньев и пар механизмов 

 

В зависимости от конструкции звено может быть простым, т.е. 

выполненным без сборочных операций, или составным. В таком случае 

простое звено и отдельные элементы сложного звена называют деталями.  

Звенья различают по конструктивным признакам (зубчатое колесо, 

поршень, вал и т.д.), по деформативности (гибкое и жесткое звено), по 

характеру их движения:  

кривошип – звено, совершающее полнооборотное вращательное 

движение вокруг неподвижной оси; 

коромысло – звено, совершающее вращательное движение на неполный 

оборот; 

шатун – звено, совершающее плоское движение; 

ползун – звено, совершающее возвратно-поступательное движение; 

кулиса – подвижная направляющая; 

камень – ползун, перемещающийся по кулисе. 

 

1.2. Кинематическая пара и кинематическая цепь 

 

Кинематическая пара – соединение двух соприкасающихся звеньев, 

допускающих их относительное движение. 

Кинематические пары классифицируются по следующим признакам: 

– По виду контакта звеньев — на высшие (с контактом звеньев по 

линии или точке), и низшие (с контактом звеньев по поверхности). 

– По характеру относительного движения звеньев. Низшие 

кинематические пары подразделяются на вращательные, поступательные, 

вращательно-поступательные и винтовые.  

– По числу связей, наложенных кинематическими парами на 

относительное движение звеньев (I...V классы).  

– По числу подвижностей (степеней свободы) в относительном 

движении звеньев − на кинематические пары с 1...5 подвижностями.  

Высшие кинематические пары имеют компактную конструкцию и 

меньшие потери на трение, чем низшие пары. В механизмах с высшими 

парами легче обеспечить требуемый (сложный) закон движения звеньев 

(например, 
в 
кулачковых 
механизмах), 
что 
делает 
их 
особенно 

привлекательными для применения в робототехнических системах. 

При прочих равных условиях низшие пары передают большие усилия, 

чем высшие за счёт большей площади контакта. В низших парах велико 

трение скольжения, а в высших парах оно меньше за счёт качения с меньшим 

сопротивлением, более износостойкие, обладают большей нагрузочной 

способностью. Низшие пары обладают свойством обратимости, т.е. вид 

траекторий относительного движения точек их звеньев одинаковый. Высшие 

пары этим свойством не обладают.  

 

 

 

Рисунок 1.2 – Геометрическое (а) и силовое (б) замыкание кинематической пары. 

Для низших пар обычно применяется геометрическое замыкание за 

счет конструкции рабочих поверхностей пары (рисунок 1.2, а), а для высших 

– силовое за счет действия сил веса или силы упругости пружины (рисунок 

1.2, б). 

Точность высших кинематических пар определяется погрешностью 

формы и расположения их элементов; на точность низших пар в большей 

степени влияют зазоры в кинематических парах. 

По предложению академика И.И. Артоболевского кинематические 

пары делят на классы (таблица 1.1) [2]. 

Для свободного тела в пространстве число степеней подвижности 

равно шести, тогда H = 6 – S, где S – число наложенных условий связи, 

изменяющееся от 1 до 5. При S = 6 кинематическая пара становится жестким 

звеном, а при S = 0 кинематической пары не существует. 

При S = 1 кинематические пары имеют пять степеней подвижности и 

относятся к первому классу, при S = 2 – четыре степени подвижности и 

относятся ко второму классу. Наибольшее распространение получили 

кинематические пары 5 класса (одноподвижные). К ним относятся 

поступательная, вращательная и винтовая пары.  

Наибольшее 
распространение 
в 
механизмах 
получили 

"одноподвижные" кинематические пары V-го класса − поступательная, 

вращательная и винтовая, дающие высокую точность движения и 

позиционирования рабочих органов машин. 

Систему звеньев, связанных между собой  кинематическими парами, 

называют кинематической цепью.  

 

 

Таблица 1.1 – Виды кинематических пар и их классы в зависимости от числа связей s и степени свободы H 

 

Класс
s
H
Первый
Второй
Третий

I
1
5

3B + 2П

II
2
4

2B + 2П
3B + 2П

 
 
 
 

Окончание таблицы 1

Класс
s
H
Первый
Второй
Третий

III
3
3

1B + 2П
2B + 1П
3B

IV
4
2

1B + 1П
2B
1B + 1П

V
5
1

1B
1П
1П