Tài liệu CHƯƠNG 1 CƠ CẤU PHẲNG pdf

I. CHƯƠNG 1 CƠ CẤU PHẲNG I.1. Mục tiêu, nhiệm vụ  Mục tiêu: Trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về cơ cấu phẳng, cách tính bậc tự do - xếp loại, phân tích động học, các loại cơ cấu phẳng đối tiếp cơ bản. Giúp sinh viên dụng những kiến thức về cơ cấu phẳng nhằm giải các bài toán họa đồ vận tốc gia tốc cơ cấu, bài toán hệ bánh răng, trong các trường hợp cụ thể.  Nhiệm vụ của sinh viên: - Dự lớp tích cực - Đọc và tìm hiểu bài trước khi đến lớp - Làm bài tập - Tìm hiểu các thông tin liên quan trong các tài liệu tham khảo I.2. Quy định hình thức học cho mỗi nội dung nhỏ Nội dung Hình thức học 1. Khái niệm cơ bản về cơ cấu Giảng 1.1. Khái niệm cơ bản về chi tiết máy và khâu 1.2. Bậc tự do của khâu 1.3. Khớp động 1.4. Chuỗi động và cơ cấu 1.5. Bậc tự do của cơ cấu 1.6. Cơ cấu loại 2 Giảng 2. Cơ cấu 4 khâu phẳng 2.1. Khái niệm 2.2. Phân tích động học cơ cấu phẳng 2.2.1. Phân tích động học cơ cấu phẳng bằng phương pháp vẽ Giảng SV tự nghiên cứu + thảo luận SV tự nghiên cứu + thảo luận Giảng + Thảo luận 3. Cơ cấu đối tiếp phẳng Giảng + sinh viên tự nghiên cứu I.3. Nội dung cụ thể -9- A. NỘI DUNG PHẦN LÝ THUYẾT 1. Khái niệm cơ bản về cơ cấu. 1.1. Khái niệm cơ bản về chi tiết máy và khâu 1.1.1. Chi tiết máy. Chi tiết máy (gọi tắt là tiết máy) là phần tử cấu tạo hoàn chỉnh nên cơ cấu máy, nó được chế tạo ra không kèm theo một nguyên nhân lắp ghép nào. Nói cách khác ta không thể phân chia chi tiết máy thành những bộ phận nhỏ hơn bằng các biện pháp thông thường. Ví dụ: Bản vẽ của một phần hộp giảm tốc được tháo rời ra, trong đó có tới 34 chi tiết máy. ( Hình 1.1.1). 1.1.2. Khâu. Trong máy và cơ cấu có những bộ phận chuyển động tương đối với nhau chúng được gọi là khâu. Khâu có thể gồm một hay nhiều chi tiết máy ghép cứng với nhau tạo thành. Mỗi khâu trong máy có thể được xem như là một vật rắn tuyệt đối nếu bỏ qua tính chất đàn hồi của vật liệu. Ngoài các khâu rắn tuyệt đối còn có những khâu đàn hồi như lò xo, nhíp, các khâu được làm bằng vật liệu dẻo như cao su, cáp, đai, xích bộ truyền bi và các khâu hơi, thuỷ, khí 1.2. Bậc tự do của khâu. Một khâu rắn được coi là một vật thể. Xét hai khâu A và B để rời trong không gian, ta chọn B làm hệ quy chiếu và gắn vào B một hệ toạ độ Đề-các Oxyz thì A có 6 khả năng chuyển động độc lập so với B: T X ; T Y ; T Z và Q X ; Q Y ; Q Z . Trong đó T X ; T Y ; T Z là các toạ độ tịnh tiến theo ba trục X, Y, Z và Q X ; Q Y ; Q Z là các toạ độ quay quanh ba trục X, Y, Z. Ta nói A có 6 bậc tự do xo với B. Khi chọn A làm hệ quy chiếu thì B cũng có 6 chuyển động tương đối xo với B, ta nói A có 6 bậc tự do tương đối so với B. -10- Hình 1.1.1 Hình 1.1.2 Vậy một vật thể chuyển động trong không gian có 6 bậc t ự do. Trong trường hợp vật thể chuyển động trong mặt phẳng thì các đại lượng T Y ; T Z v à Q Z bị mất đi. Do đó hai khâu để rời nhau trong cùng một mặt phẳng (hình 5.1b) tồn tại 3 bậc tự do tương đối (Tx, Ty, Qz). Hay một vật thể chuyển động trong mặt phẳng có 3 bậc tự do. 1.3. Khớp động. 1.3.1. Sự nối động Qua phân tích khả năng chuyển động của một khâu trong không gian, cũng như trong mặt phẳng khi các khâu được để rời, nếu các khâu trong cơ cấu máy để rời nhau thì không thể tạo nên được một quy luật chuyển động xác định của các khâu trong máy vì số bậc tự do rất lớn, làm cho quy luật chuyển động của máy không thể xác định được. Vì thế người ta phải giảm bớt số bậc tự do tương đối giữa chúng bằng cách cho chúng tiếp xúc với nhau theo một quy cách nhất định, thực chất là tạo ra những ràng buộc nhằm hạn chế chuyển động giữa các khâu – đây gọi là sự nối động. Nối động giữa hai khâu: là giữ cho hai khâu tiếp xúc với nhau theo một quy cách nào đó. Khi bị nối động bậc tự do tương đối giữa chúng sẽ < 6. 1.3.2. Khớp động Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu khi nối động hai khâu gọi là thành phần khớp động. Hai thành phần khớp động trong một phép nối động gọi là một khớp động.(Hình 1.1.3) Ví dụ: Xét quả cầu B đặt trên vật phẳng A (Hình 1.1.4a) thì số bậc tự do tương đối giữa chúng 5 đó là: T x , T y , Q x , Q y , Q z , còn một bậc tự do bị hạn chế là T z . Ta nói giữa A và B có một ràng buộc. Tương tự hình 1.1.4b giữa A và B có 4 bậc tự do tương đối (T x , T y , Q x , Q z ), hình 1.1.4c giữa A và B có 3 bậc tự do tương đối (T x , T y , Q z ), hình 1.1.4d giữa A và B có 3 bậc tự do tương đối (Q x , Q y , Q z ). Số bậc tự do bị hạn chế còn gọi là số ràng buộc, số ràng buộc nhiều hay ít đều do đặc điểm của các thành phần tiếp xúc trên hai khâu quyết định. Phân loại khớp động: (3 cách) -11- Hình 1.1.3 (d) Q x Q y T x T z T y T Z T x T y Q y Q x Q z Q z x y y x Q x Q y Q z T z T x T y y x Q y Q z T z T x T y y z z (a) (b) (c) Q x x B A A B B A A B - Phân loại khớp động theo đặc điểm tiếp xúc: có 2 loại: + Khớp loại thấp: có các thành phần tiếp xúc là các mặt. + Khớp loại cao: có thành phần tiếp xúc là đường hay điểm. - Phân loại theo số bậc tự do bị hạn chế: theo cách này có 5 loại khớp động: + Khớp loại 1 (ký hiệu p 1 ) - hạn chế một bậc tự do. + Khớp loại 2 (ký hiệu p 2 ) - hạn chế 2 bậc tự do. + + Khớp loại 5 ((ký hiệu p 5 ) - hạn chế 5 bậc tự do. - Phân loại theo tính chất chuyển động tương đối, có 2 loại: Khớp động phẳng và khớp động không gian. Lược đồ khớp: để tiện cho việc nghiên cứu, các khớp động được biểu diễn trên hình vẽ bằng các lược đồ quy ước đơn giản. Ví dụ lược đồ một số loại khớp được thể hiện trên hình 1.1.5. Dĩ nhiên không có khớp loại 6 vì nếu tồn tại khớp loại 6 có nghĩa là số bậc tự do bị hạn chế là 6, vậy thực chất khâu đó đã được nối cứng. -12- Hình 1.1.4 Hình 1.1.5. Lược đồ khớp động Khi xếp loại khớp động theo cần lưu ý: số bậc tự do là số khả năng chuyển động tương đối độc lập. Cho nên cũng có trường hợp các khả năng chuyển động tương đối có quan hệ với nhau và phụ thuộc lẫn nhau theo một quy luật nhất định. Ví dụ: Trong khớp ren vít số bậc tự do tương đối bị hạn chế bằng dường như là 4, số bậc tự do còn lại là 2. Đó là chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục. Nhưng ta thấy cứ sau một vòng quay của Bu-lông thì Ê-cu tiến theo chiều trục được một đoạn có chiều dài bằng bước ren t của ren vít. Do vậy thực chất khớp ren vít là khớp loại 5.(Hình 1.1.6) 1.4. Chuỗi động và cơ cấu - Nhiều khâu nối động với nhau tạo thành một chuỗi động. - Chuỗi động bao gồm chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian: Chuỗi động phẳng (hình 1.1.7a) là chuỗi động có các điểm trên các khâu chuyển động trên -13- cùng một mặt phẳng hoặc trên những mặt phẳng song song. Chuỗi động không gian (hình 1.1.7b) là chuỗi động có các điểm trên các khâu chuyển động trên những mặt phẳng khác nhau. Một chuỗi động được gọi là kín (hình 1.17a), khi mỗi khâu của nó ít nhất phải tham gia hai khớp động. Nếu trong chuỗi có một khâu chỉ tham gia một khớp động thì gọi là chuỗi động hở (hình 1.17b). - Một chuỗi động có một khâu cố định còn các khâu khác chuyển động theo quy luật xác định gọi là cơ cấu (khâu cố định trong cơ cấu được gọi là giá), thường cơ cấu là một chuỗi động kín. Có thể phân chia cơ cấu thành 2 loại: Cơ cấu phẳng và cơ cấu không gian. Hình 1.1.8a và 1.1.8b gồm hai cơ cấu phẳng là cơ cấu bốn khâu bản lề và cơ cấu bánh răng phẳng – Còn các hình 1.1.8c là cơ cấu bốn khâu bản lề cầu, hình 1.1.8d, 1.1.8e là cơ cấu bốn khâu không gian và hình 1.1.8f là cơ cấu trục vít bánh vít - Lược đồ khâu (hình 1.1.9); lược đồ cơ cấu (hình 1.1.10): - Lược đồ của một khâu đơn. - Lược đồ của một khâu kép. -14- 1 2 3 0 ω 1 ω 3 A B C D 1 2 ω 1 ω 2 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) ( f ) ( e ) H×nh 1.1.8. (a) Cã (b) Cã H×nh 1.1.7. Chuçi ®éng Cã 2 A Cã 1 3 4 B Cã C Cã D Cã φ Cã Hình 1.1.11. Bậc tự do của cơ cấu 1.5. Bậc tự do cơ cấu. 1.5.1. Khái niệm về bậc tự do của cơ cấu. Trên hình 1.1.11 là lược đồ động của cơ cấu bốn khâu bản lề phẳng, ta nói cơ cấu có một bậc tự do, vì khi ta cho trước một thông số ta hoàn toàn xác định được vị trí của cơ cấu. Thật vậy nếu cho trước góc φ điểm B hoàn toàn xác định được khi biết chiều dài l AB = x 1 và khi vị trí của B và D xác định và biết được chiều dài l BC = x 2 ; l DC = x 3 thì điểm C hoàn toàn xác định được bằng phương pháp dựng hình thông thường. 1.5.2. Định nghĩa bậc tự do của cơ cấu phẳng. Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu (W) là số thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu. Ví dụ: Cho trước lược đồ cơ cấu, số khâu, khớp, loại khớp. Tính số bậc tự do của cơ cấu W? W = W o – R (1.1.1) W o : là tổng số bậc tự do của các khâu động để rời so với giá. R: là tổng số ràng buộc gây ra bởi các khớp động có trong cơ cấu. W o = 3n (n là tổng số khâu động) R = 2p 5 + p 4 (p 5 và p 4 là tổng số khớp loại 5 và 4 có trong cơ cấu ) Do đó: W = 3n – (2p 5 + p 4 ) (1.1.2) -15- Hình 1.1.10. Lược đồ cơ cấu Hình 1.1.9 Lược đồ khâu Ví dụ tính bậc tự do của các cơ cấu sau: Tính số bậc tự do của cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng trên hình 1.1.11 và hình 1.1.12a,b,c. 1.6. Xếp loại cơ cấu, cơ cấu phẳng loại 2. 1.6.1. Nguyên lý tạo thành cơ cấu của Atxua Một cơ cấu gồm một hay nhiều khâu dẫn, nối với giá và với một số nhóm tĩnh định (nhóm atxua - nhóm có bậc tự do bằng 0). Khâu dẫn là khâu cho trước quy luật chuyển động. Nhóm tĩnh định thỏa mãn 3 điều kiện: + Có số khâu, khớp thoả mãn: 3n – 2P 5 = 0 (nhóm chỉ có khớp loại 5). + Là nhóm tối giản (không thể tách nhỏ thành các nhóm tĩnh định khác). + Khi cố định các khớp chờ của nhóm thì tạo thành 1 dàn tĩnh định. 1.6.2. Xếp loại nhóm + Nhóm loại 2 : là nhóm có 2 khâu 3 khớp ABC (hình 1.1.13) + Nhóm loại 3: gồm các nhóm trong đó có những khâu gọi là khâu cơ sở được nối với các khâu khác của nhóm bằng 3 khớp động (hình 1.1.14). Hình 1.1.13. Nhóm atxua loại 2 -16- Hình 1.1.12. Bậc tự do của cơ cấu (a) (b) (c) Hình 1.1.14. Nhóm atxua loại 3 1.6.3. Xếp loại cơ cấu, cơ cấu loại 2 - Cơ cấu không chứa một nhóm tĩnh định nào là cơ cấu loại 1 – hình 1.1.15 (lược đồ của động cơ điện, máy phát điện, quạt điện ). - Cơ cấu có chứa từ một nhóm tĩnh định trở lên, loại cơ cấu là loại của nhóm tĩnh định cao nhất có trong cơ cấu. - Cơ cấu chỉ chứa các nhóm tĩnh định loại 2 là cơ cấu loại 2. Ví dụ xếp loại cơ cấu phẳng (hình 1.1.16a, b, c): Hình 1.1.16. Xếp loại cơ cấu phẳng - Hình 1.1.16a: cơ cấu có W = 1, chọn khâu dẫn là khâu 1, có nhóm tĩnh định loại 3, gồm 4 khâu (2,3,4,5) và 6 khớp (B,C,D,E,F,G) → Cơ cấu là cơ cấu loại 3. -17- O 1 ω Hình 1.1.15. Cơ cấu loại 1 (a) (b) 5 5 E 2 A Cã 1 3 4 B Cã C Cã D Cã φ Cã Hình 1.2.1. Cơ cấu bốn khâu bản lề phẳng - Hình 1.1.16b: cơ cấu có W = 1, chọn khâu dẫn là khâu 1, có 2 nhóm tĩnh định loại 2 (2 khâu 3 khớp): nhóm có các khâu 4,5; các khớp E, F, F và nhóm gồm khâu 2, 3; các khớp B, C, D → Cơ cấu là cơ cấu loại 2. 2. Cơ cấu bốn khâu phẳng 2.1. Khái niệm 2.1.1. Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Cơ cấu phẳng trong đó các khớp động đều là các khớp loại thấp được gọi là cơ cấu phẳng toàn khớp thấp. 2.1.2. Cơ cấu bốn khâu phẳng. - Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp có 4 khâu gọi là cơ cấu 4 khâu phẳng. Nếu các khớp đều là khớp bản lề loại 5 thì cơ cấu gọi là cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng. - Trong cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng: khâu đối diện với giá gọi là thanh truyền, hai khâu nối giá còn lại nếu quay được toàn vòng gọi là tay quay, nếu không gọi là thanh lắc.(hình 1.2.1) 2.2. Phân tích động học cơ cấu phẳng. 2.1.1. Mục đích và nhiệm vụ của bài toán phân tích động học Nghiên cứu động học là nghiên cứu chuyển động các khâu theo quan điểm hình học, có ý nghĩa là không chú ý tới các lực gây nên chuyển động. Khi nghiên cứu động học cơ cấu, người ta giải quyết ba bài toán cơ bản sau: * Xác định vị trí của các khâu và quỹ đạo của các điểm riêng biệt của các khâu. * Xác định vận tốc góc của các khâu và vận tốc dài của các điểm trên các khâu. * Xác định gia tốc góc của các khâu và gia tốc dài của các điểm riêng biệt trên các khâu. Những bài toán trên thường được đặt trong quá trình thiết kế máy. Bởi vì trong nhiều trường hợp dựa theo các điều kiện công nghệ, các khâu của cơ cấu trong quá trình chuyển động chiếm một vị trí nhất định theo không gian, hoặc các điểm riêng biệt của các khâu phải chuyển động theo những đường cong cho trước. Thí dụ trong các máy cắt răng, trong những cơ cấu điều khiển tự động để thực hiện lần lượt hoặc đồng thời các nguyên công đòi hỏi phải giải quyết bài toán vị trí. Bài toán vận tốc được sử dụng để sau này giải quyết nhiệm vụ điều hoà chuyển động máy (tính bánh đà). Trong một số trường hợp dựa theo những yêu cầu công nghệ vận tốc góc của -18- Hình 1.2.1 [...]... thuộc khâu 1 +  a k A 2 / A1 là gia tốc tương đối thành phần Cô-ri-ô-lít như đã học trong cơ lý thuyết: +  a k A 2 / A1  có giá trị a A 2 / A1 = 2ω 1 V A 2 / A1  a A 2 / A1 = 2 1 V A 2 / A1 sin( 1. VA2/A1)  Vì cơ cấu đang xét là phẳng nên 1 và V A 2 / A1 làm với nhau một góc 90°  a k A 2 / A1 = 2ω 1 V A2 / A1 cho nên: còn chiều  a k A 2 / A1 (1- 2-26)  là chiều của véc tơ V A 2 / A1 quay đi 90o... khâu một mặt phẳng song song với mặt phẳng chuyển động) Khi đó ta thấy hai điểm D2 và D1 đang trùng nhau, có chuyển động tương đối với nhau Ta có:    V D 2 = V1 + V D 2 / D1    V D1 = VB + V D1B (1- 2-9) (1- 2 -10 ) Mặt khác ta có: Thay (1- 2-9) vào (1- 2-8) ta có:     V D 2 = V B + V D1B + V D 2 / D1 (1- 2 -11 )    Trong phương trình (1- 2 -11 ) VD 2 ,VB đã biết cả trị số và phương, còn VD1B có  phương... Trong trường hợp tổng a1 1 k quát giả sử có hai khâu 1 và π B 2 được nối với nhau bằng 1 A1 A2=A1 A 2 khớp tịnh tiến C Tại vị trí a1 đang xét điểm A thuộc khâu 1 trùng với điểm A thuộc Hình 1- 2 -10 B khâu 2 ký hiệu A1≡A2 V V V Nếu khâu 1 chuyển động song phẳng Ta có thể viết:     a A 2 = a A1 + a k A 2 / A1 + a k A2 / A1 -28- (1- 2-25) Trong công thức (1- 2-25) các thành phần:  + a A1 là gia tốc tuyệt... tự do của cơ cấu phẳng trong trường hợp đơn giản? 4 Trình bày cấu tạo, phân loại và công dụng cơ cấu Cam phẳng? 5 Trình bày cấu tạo và ứng dụng của cơ cấu Mant? 6 Định nghĩa, công dụng và phân loại cơ cấu bánh răng? 7 Trình bày các thông số cơ bản của bánh răng? 8 Khái niệm và phân loại hệ bánh răng vi sai? ứng dụng của hệ vi sai? *) Phần bài tập 1 Cho cơ cấu tại vị trí như vẽ: 2 Biết: 1 = 10 0 rad/s;... phương VD 2 / D1 (song song x-x) giao của chúng cho ta d1 Kết quả ta có:   V D1 = Pd1 µ v  µ v bd1 1 = IBD1 (1- 2 -12 ) (1- 2 -13 ) Còn chiều 1 cùng chiều quay của kim đồng hồ -25- Nhận xét: Sau khi giải được VD1 như vậy khâu 1 biết vận tốc hai điểm, còn khâu 2 đã biết vận tốc 1 điểm VD và vận tốc góc của nó Nhận xét trên đưa tới kết luận ta dễ dàng xác định vận tốc của mọi điểm tuỳ ý trên khâu 1 và 2 c)... d 1: Hãy vẽ dạng hoạ đồ vận tốc và gia tốc của cơ cấu 4 khâu bản lề (hình vẽ 1- 2 -13 ) trên cơ sở đó xác định VB và aB Những giải thiết cho trước gồm: - Vị trí cơ cấu 1 - Quy luật chuyển động khâu dẫn 1 = const -29- - Các kích thước động E B c C Vb e P D A b π nCB b nCD e c Hình 11 1- 2- Ở đây ta không thể giải cụ thể bài toán, mà phân tích để tìm ra phương hướng giải Phân tích: Cơ cấu trên gồm có 1. .. dẫn (1) gọi là cam và khâu bị dẫn (2) gọi là cần Khi cam 1 quay cần 2 sẽ thực hiện chuyển động khứ hồi (hình 1. 3 .1) 2 B Đường cong mô tả hình dạng của bề mặt tiếp xúc trên khâu dẫn gọi là biên dạng cam - 31- 1 A Sự thay đổi kích thước động AB của cam (1) sẽ tạo ra một quy luật chuyển động xác định cho cần (2) Cơ cấu cam được phân làm hai loại chính: Cơ cấu cam phẳng và cơ cấu cam không gian Hình 1. 3 .1. .. 3 .1. 2 Phân loại a) Phân loại cơ cấu cam phẳng (hình 1. 3.2) - Theo chuyển động của cam: có cam quay, cam tịnh tiến - Theo chuyển động của cần: cam cần lắc, cam cần đẩy, cam cần chuyển động song phẳng - Theo hình dạng tiếp xúc đáy cần: cam đáy nhọn, cam đáy bằng, cam đáy con lăn D c F c c c E b A b b A A Hình 1. 3.2 -32- Hình 1. 3.2 b) Cơ cấu cam không gian (1. 3.3): Hình 1. 3.3 3.2 Cơ cấu Mant Là một cơ cấu. .. định vị trí, vận tốc và gia tốc của mọi điểm thuộc các khâu cơ cấu Đây là phương pháp thông dụng trong kỹ thuật 2.2 .1 Phân tích động học cơ cấu phẳng bằng phương pháp vẽ 2.2 .1. 1 Trình tự tiến hành nghiên cứu bài toán động học cơ cấu phẳng Muốn nghiên cứu được bài toán động học cơ cấu điều trước tiên là phải biết được sơ đồ cấu tạo của cơ cấu (lược đồ động học) với đầy đủ kích thước động và quy luật... B, có chiều theo chiều gia tốc góc εBA và có giá trị: a1BA = ε BA.IBA (1- 2 -16 ) Như vậy trị số của gia tốc aBA: a BA = Hay: (a ) + (a ) n 2 BA 1 2 (1- 2 -17 ) BA a BA =  ω 4 BA + ε 2 BA (1- 2 -18 ) Gia tốc aBA làm với phương AB một góc α với: tgα = a 1 BA a n BA (1- 2 -19 ) Phương trình (1- 2 -13 ) cơ thể viết dưới dạng:     a B = a A + a n AB + a t BA (1- 2-20) Chú ý: Khi một vật rắn trên đó biết được gia tốc . bản lề phẳng trên hình 1. 1 .11 và hình 1. 1 .12 a,b,c. 1. 6. Xếp loại cơ cấu, cơ cấu phẳng loại 2. 1. 6 .1. Nguyên lý tạo thành cơ cấu của Atxua Một cơ cấu gồm. ®éng Cã 2 A Cã 1 3 4 B Cã C Cã D Cã φ Cã Hình 1. 1 .11 . Bậc tự do của cơ cấu 1. 5. Bậc tự do cơ cấu. 1. 5 .1. Khái niệm về bậc tự do của cơ cấu. Trên hình 1. 1 .11 là lược đồ động của cơ cấu bốn