Chương mở đầu Phần cơ học vật rắn 1 VỊ TRÍ MÔN HỌC Cơ học maùy laø moân hoïc thuoäc nhoùm kyõ thuaät cô sôû, laø moät maéc xích quan troïng lieân keát giöõa caùc moân khoa hoïc cô baûn vaø kyõ thuaät[.]
Chương mở đầu Phần học vật rắn VỊ TRÍ MƠN HỌC Cơ học máy môn học thuộc nhóm kỹ thuật sở, mắc xích quan trọng liên kết môn khoa học kỹ thuật chuyên ngành Môn học cung cấp kiến thức máy, từ vận dụng để nghiên cứu môn học khác như: chi tiết máy, máy cắt kim loại, máy nông nghiệp, máy chế biến Cơ học máy đóng vai trò quan trọng thiết kế sơ đồ động máy thiết kế cấu hay máy (sơ đồ cấu tạo, động học, động lực học) ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu môn học máy cấu - Cơ cấu: tập hợp vật thể có chuyển động xác định làm nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động - Máy: tập hợp cấu có nhiệm vụ biến đổi sử dụng lượng để tạo công có ích Như máy bao gồm vật thể chuyển động có nhiệm vụ cao cấu biến đổi sử dụng lượng tạo công có ích Theo công dụng máy chia thành loại - Máy biến đổi lượng: gồm máy biến đổi từ thành lượng khác máy nén khí, máy phát điện…; máy biến đổi từ lượng khác thành (thường gọi động cơ) động điện, động đốt trong, tuabin thuỷ lực - Máy công tác máy sử dụng để làm thay đổi trạng thái, tính chất, hình dạng, kích thước, vị trí … vật thể Ví dụ máy cắt gọt kim loại, máy nông nghiệp, máy vận chuyển Theo phương pháp điều khiển, máy chia thành: máy điều khiển tay, máy bán tự động máy tự động Trong máy tự động, tất nguyên công thực theo chương trình định sẳn, nhờ sử dụng thiết bị điện tử, điện – khí nén, điện – thuỷ lực,… ví dụ: máy cắt kim loại điều khiển theo chương trình số CNC (Computerized Numerical Control), máy sản xuất điều khiển theo chương trình PLC (Programed Logic Control),… Về mặt chức năng, coi máy hệ thống bao gồm phận chức quan hệ chặt chẽ theo sơ đồ sau: Các loại cấu chủ yếu dùng ngành khí: + Cơ cấu nhiều + Cơ cấu cam + Cơ cấu bánh (truyền động bánh răng) + Cơ cấu bánh ma sát + Cơ cấu dẽo: truyền động đai, truyền động xích… + Và số cấu chuyên dùng khác như: Cơ cấu Malte, cấu Các-đăng, cấu bánh cóc,… NỘI DUNG MƠN HỌC Nội dung môn học nghiên cứu nguyên lý cấu tạo, động học động lực học cấu máy, nhằm giải hai toán : Phân tích nguyên lý cấu tạo, động học động lực học cấu máy cho trước Tổng hợp (hay thiết kế) cấu thỏa mãn điều kiện động học, động lực học cho Nghiên cứu cấu tạo, động học cấu nghiên cứu nguyên lý cấu tạo cấu, nghiên cứu chuyển động phần tử cấu xét mặt hình học (khơng ý đến lực gây chuyển động), nghiên cứu đến phương pháp thiết kế cấu theo thông số động học cho Nghiên cứu động lực học cấu máy nghiên cứu phương pháp xác định chuyển động khâu, cấu tác dụng lực bên PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để giải toán trên, Cơ học máy dùng hai phương pháp sau: a) Phương pháp giải tích: phương pháp xây dựng dựa sở áp dụng phương pháp toán học vào việc nghiên cứu Ưu điểm phương pháp cho phép đạt độ xác cao, thơng số khác biểu thị biểu thức giải tích Vì dễ dàng nghiên cứu ảnh hưởng thông số thông số khác Nhưng địi hỏi kiến thức định hình học giải tích, giải tích tenxơ ma trận, giải tích vectơ, hàm biến phức, phương trình vi phân, tích phân… b) Phương pháp họa đồ (gồm phương pháp đồ thị phương pháp hoạ đồ vectơ) nói chung thuận tiện cho phép giải tốn cách nhanh gọn mà đạt độ xác cần thiết kỹ thuật Ngoài ra, nhiều trường hợp, quan hệ tính Cơ học máy cho dạng đồ thị dùng phương pháp vẽ hoạ đồ vectơ phương pháp đồ thị thuận tiện GIỚI THIỆU TÀI LIỆU Tài liệu chính: + Giáo trình Cơ học máy: Thầy Lại Khắc Liễm ĐHBK 2010 + Bài tập Cơ học máy: Thầy Lại Khắc Liễm ĐHBK 2010 Phần I: CẤU TẠO ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU Chương 1: Cấu tạo cấu NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Cơ cấu - Định nghóa: Cơ cấu thành phần máy có chuyển động xác định Đó hệ thống học dùng để biến đổi chuyển động hay số vật thể thành chuyển động cần thiết vật thể khác - Nhiệm vụ cuả cấu thực chuyển động phần tử - Các phần tử cuả cấu: khâu khớp động 1.2 Chi tiết máy Một phận tháo rời nhỏ cấu hay máy gọi chi tiết máy, gọi tắt tiết máy Ví dụ: bu lông, đai ốc, trục, bánh chi tiết máy lớn hay nhỏ? 1.3 Khâu Một hay số tiết máy liên kết cứng với tạo thành phận có chuyển động tương đối so với phận khác cấu hay máy gọi khâu Hình 1-1 Thanh truyền Ví dụ truyền (H.1-1) bao gồm nhiều tiết máy nối cứng với nhau, tất tiết máy chuyển động tương truyền chuyển động Thanh truyền coi khâu Phần xét đến khâu coi khâu thành phần cấu máy, đồng thời khâu xem vật rắn tuyệt đối Từ chun mơn: khâu dẫn, khâu bị dẫn giá (khâu cố định) 1.4 Khớp Mối nối động hai khâu liền để hạn chế phần chuyển động tương đối chúng gọi khớp động (gọi tắt khớp) Toàn chỗ tiếp xúc hai khâu khớp động gọi thành phần khớp động Thông số xác định vị trí tương đối thành phần khớp động khâu gọi kích thước động, ảnh hưởng đến thông số động học, động lực học cấu Khớp động phân loại theo nhiều cách : a Phân loại theo số bậc tự bị hạn chế (hay số ràng buộc) Nếu để rời khâu không gian, có khả chuyển động tương đối độc lập với bao gồm: khả chuyển động tịnh tiến theo trục; ký hiệu Tx, Ty, Tz chuyển động quay quanh trục; ký hiệu Qx, Qy, Qx (H.1-2) Mỗi khả chuyển động gọi bậc tự Nói cách khác, hai khâu để rời không gian có bậc tự tương Hình 1-2: Các bậc tự Nếu cho hai khâu tiếp xúc với nhau, tạo thành khớp động chúng xuất ràng buộc mặt hình học hạn chế bớt bậc tự tương đối Như khớp làm giảm số bậc tự khâu Số bậc tự bị khớp hạn chế bớt gọi số ràng buộc Khớp có k ràng buộc gọi khớp loại k (0 < k < 6; bảng 1) Ví dụ: khớp ràng buộc bậc tự khâu, số bậc tự lại 5, khớp gọi khớp loại Chú ý: Trong mặt phẳng có khớp loại khớp loại b Phân loại theo tính chất tiếp xúc - Khớp loại cao: phần tử khớp động đường hay điểm Ví dụ khớp bánh ma sát, bánh răng, cấu cam - Khớp loại thấp: phần tử khớp động mặt Ví dụ khớp quay (bản lề), khớp tịnh tiến, khớp cầu c Phân loại theo tính chất chuyển động tương đối khâu: khớp tịnh tiến, khớp quay, khớp phẳng khớp không gian Khớp phẳng dùng để nối động khâu mặt phẳng hay mặt phẳng song song nhau, khớp không gian nối động khâu nằm mặt phẳng khơng song song Bảng Khớp động 1.5 Lược đồ động a Lược đồ khâu Để thuận tiện trình giải toán nguyên lý máy, khâu biểu diễn sơ đồ đơn giản gọi lược đồ khâu Lược đồ khâu phải thể đầy đủ thành phần khớp động kích thước ảnh hưởng đến tính chất động học cấu Kích thước gọi kích thước động Thông thường, kích thước động kích thước tâm thành phần khớp động khâu b Lược đồ động khớp Cũng khâu, để thuận tiện trình nghiên cứu cấu máy, khớp động biểu diễn hình vẽ qui ước gọi lược đồ động khớp (gọi tắt lược đồ) Các loại khớp động lược đồ trình bày bảng 1.6 Chuỗi động cấu a Chuỗi động Chuỗi động tập hợp khâu liên kết với khớp động hệ thống Chuỗi động chia thành chuỗi động phẳng, chuỗi động không gian; đồng thời chuỗi động kín chuỗi động hở - Chuỗi động phẳng chuỗi động khâu chuyển động mặt phẳng nhiều mặt phẳng song song với - Chuỗi động không gian chuỗi động khâu chuyển động mặt phẳng không song song với Hình 1-4 Chuỗi động phẳng Hình 1-5 Chuỗi động khơng gian - Chuỗi động kín chuỗi động khâu tạo thành hay nhiều chu vi khép kín, muốn khâu phải tham gia khớp động - Chuỗi động hở: chuỗi động khâu không tạo thành chu vi khép kín, chuỗi động có khâu tham gia khớp động Hình 1-6 Chuỗi động kín Hình 1-7 Chuỗi động hở b Cơ cấu Cơ cấu định nghĩa theo cách khác: Cơ cấu chuỗi động kín có khâu cố định chuyển động theo qui luật xác định Khâu cố định gọi giá (trong lược đồ, giá ký hiệu dấu gạch gạch xem khơng chuyển động) Theo tính chất chuỗi, cấu chia thành cấu phẳng cấu không gian BẬC TỰ DO CƠ CẤU 2.1 Định nghĩa Bậc tự cấu số thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí cấu Đồng thời bậc tự số khả chuyển động độc lập cấu 2.2 Cơng thức tính bậc tự cấu Bậc tự thể cho khả chuyển động cấu, phụ thuộc vào số khâu, khớp loại khớp Gọi W0 số bậc tự tương đối tất khâu cấu để rời so với giá, gọi R tổng số ràng buộc cấu, bậc tự W cấu tính W = W0 - R (1-1) - Xác định W0: trường hợp tổng quát, khâu để rời không gian có bậc tự tương đối so với giá, nên cấu có n khâu số bậc tự tương đối W0 = 6n (1-2) - Xác định R: Mỗi khớp động hạn chế số bậc tự số ràng buộc khớp Nếu gọi pi số khớp loại i cấu tổng số ràng buộc R = = 5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1 (1-3) Thay (1-2) 1-3) vào (1-1) ta có : W = 6n – (5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1) (1-4) * Đối với cấu phẳng - Một khâu có nhiều bậc tự so với giá Nên tổng số bậc tự n khâu W0 = 3n - Một khớp có nhiều ràng buộc, nói cách khác cấu phẳng chứa khớp loại loại Mỗi khớp loại cấu phẳng có thêm ràng buộc nên số ràng buộc p khớp loại 1xp4 Mỗi khớp loại mặt phẳng có thêm ràng buộc nên số ràng buộc p khớp loại 2xp5 Nên tổng số ràng buộc cấu phẳng R = 2p5 + p4 W = 3n - (2p5 + p4) (1-5) 2.3 Ràng buộc trực tiếp - Ràng buộc gián tiếp Ràng buộc hai khâu khớp nối trực tiếp chúng gọi ràng buộc trực tiếp Sự ràng buộc hai khâu tác dụng trực tiếp khớp nối hai khâu gọi ràng buộc gián tiếp Xét ví dụ H.1-8 Hình 1-8 Cơ cấu có ràng buộc gián tiếp Sự ràng buộc khâu 2, 3, H.1-8a ràng buộc trực tiếp Khâu khâu chưa nối với tác dụng khớp A, B, C nên khâu xuất ràng buộc: Qx , Qy Tz gọi ràng buộc gián tiếp Nếu nối khâu với khâu khớp D, khớp D có ràng buộc trực tiếp: T x, Ty, Tz, Qx, Qy Tuy nhiên có ràng buộc Qx, Qy, Tz có chưa xuất khớp D Ba ràng buộc gọi ràng buộc trùng Chú ý: ràng buộc trùng xuất khớp nối khâu có ràng buộc gián tiếp tức có khớp khép kín chuỗi động Nói cách khác, ràng buộc trùng có chuỗi động kín Khi cấu có rng buộc gián tiếp số ràng buộc cấu tính R = - R0 (1-6) 2.4 Ràng buộc thừa - Bậc tự thừa - Ràng buộc thừa ràng buộc xuất cấu mà bỏ chúng qui luật chuyển động cấu không thay đổi Xét cấu H.1-9 Hình 1-9 Cơ cấu hình bình hành có ràng buộc thừa Nếu bỏ khâu 1, 2, khớp kèm theo chuyển động cấu không thay đổi Nghĩa phương diện chuyển động việc thêm khâu thừa Việc thêm khâu khâu làm cho bậc tự tăng lên: 3n - 2p5 = 3x1 - 2x2 = -1 Nói cách khác tăng thêm ràng buộc Ràng buộc ràng buộc thừa Như tính số ràng bc cấu khơng tính đến ràng buộc thừa Nếu gọi số ràng buộc thừa r, số ràng buộc cấu R = - R0 – r (1-7) - Bậc tự thừa bậc tự khâu cấu mà bỏ chúng qui luật chuyển động cấu không thay đổi Xét cấu cam H.1-10 Hình 1-10 Cơ cấu có bậc tự thừa Chuyển động lăn không ảnh hưởng đến chuyển động cấu Bậc tự (con lăn quay) gọi bậc tự thừa Khi tính bậc tự cấu khơng tính đến bậc tự thừa Gọi s bậc tự thừa cơng thức tính bậc tự cấu W = W0 - R - s 2.5 Công thức tổng quát - Cơ cấu không gian : W = 6n - (5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 + 1p1 - R0 - r) - s (1-8) - Cơ cấu phẳng W = 3n - (2p5 + p4 - r) - s (1-9) 2.6 Ý nghĩa bậc tự do, khâu dẫn khâu bị dẫn Để thấy rõ ý nghĩa bậc tự do, so sánh cấu H.1-11 Hình 1-11 Bậc tự cấu khâu Cơ cấu khâu H.1-11a có bậc tự nên cần thơng số độc lập (góc ϕ) vị trí cấu hồn tồn xác định, đồng thời cấu có khả chuyển động độc lập, giả sử chuyển động khâu quay quanh A, dừng chuyển động cấu dừng lại, khơng cịn chuyển động Nếu cho trước qui luật chuyển động ϕ theo thời gian, qui luật chuyển động cấu hồn tồn xác định Có nghĩa biết trước qui luật chuyển động khâu qui luật toàn cấu hoàn toàn xác định Với cấu khâu H.1-11b có bậc tự nên biết thông số độc lập (giả sử ϕ) chưa đủ để xác định vị trí tồn cấu Muốn xác định hồn tồn vị trí cấu cần phải biết thêm thông số độc lập (giả sử ) Đồng thời, chuyển động, cấu có hai khả chuyển động động lập nên dừng chuyển động (giả sử dừng khâu 1) cấu khâu lại (BCDE) chuyển động Nếu dừng thêm chuyển động (giả sử dừng khâu 4) cấu cố định Cần phải biết trước qui luật chuyển động (giả sử ϕ ) qui luật chuyển động cấu hồn tồn xác định Qua phân tích hai cấu thấy: để cấu chuyển động xác định, số qui luật chuyển động độc lập cần biết trước phải số bậc tự cấu Khâu có qui luật chuyển động biết trước gọi khâu dẫn Các khâu động lại gọi khâu bị dẫn Thông thường khâu dẫn khâu nối với giá khớp quay loại 5; khâu dẫn ứng với qui luật chuyển động cho trước Vì vậy, để cấu có chuyển động xác định, số khâu dẫn phải số bậc tự PHN TÍCH CẤU TẠO CƠ CẤU THANH PHẲNG 3.1 Nhóm tĩnh định) Phân tích cấu tạo cấu ta tìm đặc điểm cấu tạo làm sở xác định phương pháp trình tự nghiên cứu cấu Theo phương pháp phân tích cấu tạo cấu Át-xua: cấu có W bậc tự bao gồm W khâu dẫn nhóm có bậc tự khơng Nói cách khác, khâu cấu chia làm loại: - Loại thứ khâu dẫn có qui luật chuyển động biết trước, số khu loại ny số bậc tự cấu - Loại thứ hai khâu bị dẫn tập hợp thành nhóm tĩnh định có bậc tự khơng, cịn gọi nhóm Át-xua Xét cấu phẳng chứa toàn khớp thấp gồm n khâu p5 khớp loại 5, nhóm Át-xua phải thỏa mãn điều kiện nhóm: Wnhóm = 3n - 2p5 = Vì số khâu khớp phải số nguyên nên nhóm phân loại sau n = , p5 = nhóm khâu khớp n = , p5 = nhóm khâu khớp n = , p5 = nhóm khâu khớp * Qui ước : Nhóm khâu khớp gọi nhóm loại (H.1-12a, b, c, d, e) Nhóm khâu khớp gọi nhóm loại (H.1-12f, g) Nhóm khâu khớp gọi nhóm loại (H.1-12h) Hình 1-12: Nhóm tỉnh định 3.2 Ngun tắc tách nhóm - Khi tách nhóm phải biết trước khâu dẫn Khâu dẫn giá khơng thuộc nhóm - Số khâu khớp phải thoả mãn điều kiện bậc tự nhóm Khớp bị tách xem nhóm vừa tách - Sau tách nhóm khỏi cấu, phần lại phải cấu hồn chỉnh cịn lại khâu dẫn nối với giá Như vậy, việc tách nhóm phải tiến hành từ xa khâu dẫn đến gần khâu dẫn - Phải tách nhóm đơn giản trước, khơng tách nhóm phức tạp (loại cao hơn) 3.3 Xếp loại cấu - Khâu dẫn gọi cấu loại - Cơ cấu chứa nhóm tỉnh định loại cấu loại nhóm tỉnh định - Cơ cấu chứa nhiều nhóm tỉnh định loại cấu loại nhóm tỉnh định có loại cao * Các ví dụ: - Cơ cấu khâu lề H.1-11a: bao gồm giá, khâu dẫn nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại - Cô cấu khâu H.1-11b: bao gồm giá, khâu dẫn (1 4) nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại - Cơ cấu bơm oxy H.1-13: bao gồm giá, khâu dẫn (1) nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại Hình 1-13: Cơ cấu có nhóm loại - Cơ cấu máy bào ngang hình 1-14: bao gồm giá, khâu dẫn (1) nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại Hình 1-14: Cơ cấu có nhóm loại - Cơ cấu máy nén hình 1-15a: Chọn khâu làm khâu dẫn (H.1-15b) ta nhóm Át-xua loại Cơ cấu loại Chọn khâu làm khâu dẫn (H.1-15c) ta nhóm Át-xua loại Cơ cấu loại Hình 1-15: Cơ cấu máy nén THAY THẾ KHỚP CAO KHỚP THẤP (Tham khảo giảng) ... loại i cấu tổng số ràng buộc R = = 5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1 (1- 3) Thay (1- 2) 1- 3) vào (1- 1) ta có : W = 6n – (5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1) (1- 4) * Đối với cấu phẳng - Một khâu có nhiều bậc tự so... + 2p2 + 1p1 - R0 - r) - s (1- 8) - Cơ cấu phẳng W = 3n - (2p5 + p4 - r) - s (1- 9) 2.6 Ý nghĩa bậc tự do, khâu dẫn khâu bị dẫn Để thấy rõ ý nghĩa bậc tự do, so sánh cấu H .1- 11 Hình 1- 11 Bậc tự... cấu khâu lề H .1- 11a: bao gồm giá, khâu dẫn nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại - Cơ cấu khâu H .1- 11b: bao gồm giá, khâu dẫn (1 4) nhóm khâu khớp Cơ cấu thuộc loại - Cơ cấu bơm oxy H .1- 13: bao gồm