Тео́рия маши́н и механи́змов (ТММ), раздел машиноведения, изучающий методы исследования и проектирования машин и механизмов. Теория машин и механизмов тесно связана со многими научными дисциплинами (математикой, теоретической механикой, сопротивлением материалов и др.). При этом вопросы проектирования на всех этапах переплетаются с решением задач управления, информационного обеспечения и диагностики состояния машины или механизма. Методы теории машин и механизмов являются общими практически для всех механизмов и машин.

Задачи теории машин и механизмов очень разнообразны, важнейшие из них можно сгруппировать по трём разделам:

• кинематика механизмов, в т. ч. синтез механизмов;

• динамика механизмов и машин;

• теория машин-автоматов.

Синтез механизмов заключается в выборе кинематической схемы механизма и оптимизации её параметров, что является важнейшим этапом проектирования и расчёта, поскольку от правильного выбора схемы в значительной мере зависит обеспечение заданных условий функционирования машины, а также её производительность, надёжность и экономичность. Каждый механизм в зависимости от назначения и условий эксплуатации должен удовлетворять ряду требований, разнообразных по форме и содержанию. Всегда можно установить, какое требование является главным для правильной работы механизма, и в соответствии с этим выбрать основной критерий, по которому оценивается его качество. Основной критерий синтеза является функцией параметров механизма (называется также функцией-критерием или целевой функцией), остальные требования к нему формулируются в виде ограничивающих условий на параметры. Выбор основного критерия определяется назначением механизма. Выбор схемы механизма и определение его параметров обычно выполняются путём сравнительного анализа различных механизмов для воспроизведения одних и тех же движений с использованием компьютерных устройств, что позволяет учитывать большое количество кинематических, динамических и конструктивных ограничений, а также решить сложные задачи кинематического анализа движения рабочих органов многозвенных, с большим числом степеней свободы, механизмов. В большинстве рабочих машин для передачи движения от двигателя к исполнительному механизму применяют передаточные механизмы, в качестве которых чаще всего используют зубчатые передачи. В связи с этим в теории машин и механизмов проводятся исследования синтеза зубчатых зацеплений, теории и методов проектирования сложных зубчатых редукторов с планетарными и дифференциальными схемами.

С ростом нагруженности и быстроходности машин и повышением требований к их качеству значительно изменилось содержание задач динамики машин: появилась необходимость учитывать упругие свойства звеньев, зазоры в подвижных соединениях, переменность масс и моментов инерции и т. п. Учёт упругости звеньев в машинах позволил выявить колебательные движения в сложных кинематических цепях и определить реальные нагрузки на звенья и кинематические пары, дать рекомендации по демпфированию возникающих колебаний и методам предотвращения резонансов, решать задачи точности исполнения заданного закона движения механизма. Тенденцией развития машиностроения является повышение рабочих скоростей машин. Это приводит к увеличению динамических нагрузок на звенья механизмов и рабочие органы машин, а также к росту уровня вибраций и порождаемого вибрацией шума. В связи с этим в теории машин и механизмов уделяется большое внимание снижению уровня вибрации и шума машин и разработке эффективных средств виброзащиты человека-оператора. Одной из причин вибрации машин является неуравновешенность роторов и рычажных механизмов, поэтому в теории машин и механизмов разрабатываются методы балансировки роторов и уравновешивания рычажных механизмов. Наряду с вредным, возможно и полезное применение колебаний в вибрационных машинах и вибрационных конвейерах, для которых колебательное движение рабочего органа составляет основное движение, заданное назначением машины. Проектирование их базируется на методах аналитической механики и нелинейной теории колебаний, механики переменной массы и теории упругости, что позволяет получать динамические критерии для расчёта механизмов по частотам и амплитудам установившихся колебаний, определять границы устойчивости систем и т. п.

Развитие теории машин-автоматов и систем автоматического действия связано в основном с совершенствованием методов построения схемы системы управления, определяющей согласованность движения исполнительных органов. Приоритетом является создание методов построения самонастраивающихся схем, в которых программа управления автоматически корректируется в соответствии с изменениями рабочего процесса. Также к теории машин-автоматов относится проектирование промышленных роботов и разработка механических устройств мехатронных систем.

Одной из важнейших задач теории машин и механизмов является развитие экспериментальных методов изучения характеристик машин и механизмов, их техническая диагностика. Исследования проводятся как на натурных объектах (в лабораториях, эксплуатационных условиях), так и методами математического моделирования с использованием компьютеров. При этом особое значение приобретают исследования машин в условиях их производственной работы с автоматической регистрацией и компьютерной обработкой полученной информации. Разработка методов технической диагностики машин основана на выделении объективных критериев качества, определяющих работоспособность и одновременно признаки дефектных состояний механизмов.

Историческая справка

Как наука теория машин и механизмов начала формироваться в эпоху промышленной революции 18 в., когда возникла необходимость в переходе от единичного и мелкосерийного производства к машинному. Соответственно возросли требования к качеству технологического оборудования и его производительности, потребовались квалифицированные специалисты для решения инженерных задач. В 1794 г. в Париже Г. Монж основал первый технический университет (Политехническую школу) и ввёл в курс начертательной геометрии раздел описания машин и их элементов, далее преобразованный в первый в истории инженерный курс «Элементы машин», который объединял «Детали машин» и «Теорию механизмов». В 1808 г. в Париже А. Бетанкур и Х. М. Ланц (1762–1837), а в 1811 г. Ж. Ашетт (1769–1834) предложили первую классификацию механизмов, в основе которой лежало их разделение по функциональному признаку. В 1853 г. П. Л. Чебышев опубликовал статью «Теория механизмов, известных под именем параллелограммов», положившую начало циклу исследований по параметрической оптимизации схем механизмов. Используя разработанные им методы, он изобрёл и спроектировал свыше 40 новых механизмов, осуществляющих заданные траектории движения, а структурная формула плоских рычажных механизмов получила название формулы Чебышева. В 1875 г. немецкий учёный Ф. Рёло (1829–1905) впервые дал определение кинематической пары и разработал графический метод синтеза сопряжённых профилей, известный как метод нормалей. Он же написал ряд работ по структуре (строению) и кинематике механизмов. В 1886 г. российский учёный Х. И. Гохман (1851–1916) одним из первых опубликовал исследование по аналитической теории зацепления, в 1890 г. издал труд, ставший фундаментом для теории кинематических пар. Значительный вклад в развитие динамики машин внёс Н. Е. Жуковский – автор целого ряда работ по прикладной механике и теории регулирования хода машин. В 1914 г. Л. В. Ассур открыл общую закономерность в структуре многозвенных плоских механизмов, и сейчас применяемую при их анализе и синтезе, разработал также метод «особых точек» для кинематического анализа сложных рычажных механизмов. Существенный вклад в становление механики машин как цельной теории машиностроения внёс И. И. Артоболевский – основоположник отечественной школы теории машин и механизмов, автор многочисленных трудов и учебников, получивших всеобщее признание. Решение задач теории машин и механизмов регулирования хода машины положила начало теории автоматического регулирования). К концу 20 в. теория машин и механизмов эволюционировала от экспертной системы (анализа работоспособности механизма) к науке о разработке общих принципов проектирования механических систем, обладающих сложными функциональными возможностями.