Bài giảng nguyên lý máy - Chương 1 pptx

Hai tiết máy được gọi là nối động với nhau khi giữa chúng có chuyển động tương đối, nối cứng với nhau khi giữa chúng không có chuyển động tương đối.. „ Giữa hai khâu để rời trong không

Chương 1

CẤU TẠO CƠ CẤU

1.1 ĐỊNH NGHĨA NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1 KHÂU VÀ TIẾT MÁY

a Tiết máy: Máy hay cơ cấu có thể tháo rời ra thành nhiều bộ phận khác nhau Bộ phận

không thể tháo rời ra được nữa gọi là chi tiết máy (gọi tắt là tiết máy)

Ví dụ: bu lông, đai ốc, niền xe đạp, căm xe đạp, …

b Khâu: Trong cơ cấu và máy, toàn bộ bộ phận có chuyển động tương đối so với bộ phận

khác gọi là khâu Một khâu có thể gồm một tiết máy độc lập hay nhiều tiết máy nối cứng với nhau tạo thành (Hai tiết máy được gọi là nối động với nhau khi giữa chúng có chuyển động tương đối, nối cứng với nhau khi giữa chúng không có chuyển động tương đối) Một

khâu có nhiều tiết máy nối cứng với nhau chỉ để dễ dàng cho việc chế tạo, lắp ráp, thay thế và vận chuyển,

Ví dụ:

a

d e

c b

Hình 1.1 Hình 1.2

Cơ cấu động cơ nổ trên hình 1.1 gồm piston 3 chuyển động trong xylanh 4, thanh truyền

2 quay tương đối với piston 3 và quay tương đối với tay quay 1, tay quay 1 quay tương đối với thân máy Như vậy, ở đây có 4 khâu được kí hiệu là 1, 2, 3, 4; thân máy và xylanh là một khâu vì không có chuyển động tương đối với nhau Thanh truyền bao gồm nhiều chi tiết như thân a, bulông b, nắp c, đai ốc d và bạc lót e nối cứng với nhau như trên hình 1.2

Khi nghiên cứu Nguyên lý máy, khâu được xem là thành phần cơ bản Khâu được xem là vật rắn tuyệt đối

2 THÀNH PHẦN KHỚP ĐỘNG - KHỚP ĐỘNG

a Bậc tự do của khâu:

Hình 1.3

„ Một khả năng chuyển động độc lập của một vật đối với một hệ qui chiếu gọi là một bậc tự do

„ Giữa hai khâu để rời trong không gian có 6 khả năng chuyển động tương đối, độc lập đối với nhau ⇒ có 6 bậc tự do Xét hai vật rắn (hai khâu) A và B như hình 1.3, chuyển động tương đối giữa khâu B đối với khâu A là:

- Tịnh tiến theo ba trục Ox, Oy, Oz : T x, T y, T z

- Quay quanh ba trục Ox, Oy,Oz : Q x, Q y, Q z

„ Giữa hai khâu để rời trong mặt phẳng có 3 bậc tự do:

- Tịnh tiến theo hai trục Ox, Oy: T x, T y

- Quay quanh trục Oz : Q z

b Nối động:

Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể để rời nhau mà phải được liên kết với nhau theo một qui cách xác định nào đó sao cho sau khi nối với nhau các khâu vẫn có khả năng chuyển động tương đối đối với nhau ⇒ nối động các khâu

c Thành phần khớp động - Khớp động - Ràng buộc:

„ Khi nối động, các khâu sẽ có thành phần tiếp xúc với nhau Toàn bộ chỗ tiếp xúc

giữa hai khâu trên mỗi một khâu được gọi là một thành phần khớp động

„ Hai thành phần khớp động trong một phép nối động hai khâu hình thành nên một

khớp động (gọi tắt là khớp) Tác dụng của khớp động là hạn chế bớt khả năng

chuyển động tương đối giữa hai khâu nối với nhau, tức là làm giảm đi số bậc tự do

„ Số bậc tự do bị khớp động làm mất đi được gọi là số ràng buộc

3 PHÂN LOẠI KHỚP ĐỘNG

Có hai cách phân loại khớp động:

a Phân loại khớp động theo số ràng buộc:

Ta gọi khớp động loại k khi nó có k ràng buộc (hạn chế k bậc tự do)

O

y

x

z

A

Khớp loại 1

O y

x

z A

B

O y

x B

A

z

a) b) c)

O

y

x

z

A

O y

x

z

y

x

z

O

d) e) f)

Hình 1.4

- Khớp trên H.1.4a là khớp loại 1 vì hạn chế 1 chuyển động: T y

- Khớp trên H.1.4b là khớp loại 2 vì hạn chế 2 chuyển động: T y, Q x

- Khớp trên H.1.4c là khớp cầu loại 3 vì hạn chế 3 chuyển động: T x, T y, T z

- Khớp trên H.1.4d là khớp trụ loại 4 vì hạn chế 4 chuyển động: T y, T z, Q y, Q z

- Khớp trên H.1.4e là khớp bản lề loại 5 vì hạn chế 5 chuyển động: T x, T y, T z, Q x, Q y

- Khớp trên H.1.4f là khớp vít cho phép 2 chuyển động T x, Q x, nhưng 2 chuyển động này không độc lập với nhau, tức là chỉ còn 1 chuyển động độc lập (hoặc T x hoặc Q x), nên khớp vít là khớp loại 5

b Phân loại khớp động theo đặc điểm tiếp xúc:

„ Khớp loại cao (khớp cao) : là khớp có thành phần tiếp xúc là điểm hay đường

Ví dụ: các khớp trên hình 1.4 (a), (b)

„ Khớp loại thấp (khớp thấp): là khớp có thành phần tiếp xúc là mặt

Ví dụ: các khớp trên hình 1.4 (c), (d), (e), (f)

4 LƯỢC ĐỒ ĐỘNG

a Lược đồ động của khớp:

Để thuận tiện cho việc nghiên cứu cơ cấu và máy, các khớp động được biểu diễn bằng

các hình vẽ qui ước gọi là lược đồ động của khớp, gọi tắt là lược đồ khớp

Ví dụ:

Hình 1.5

b Lược đồ động của khâu:

Các khâu cũng được biểu diễn bằng các hình vẽ qui ước gọi là lược đồ động của khâu, gọi tắt là lược đồ khâu Trên lược đồ khâu phải thể hiện đầy đủ các thành phần khớp động,

các kích thước có ảnh hưởng đến tính chất động học của khâu và của cơ cấu Các kích

thước này được gọi là các kích thước động Kích thước động thông thường là khoảng cách tâm các thành phần khớp động trên khâu → Lược đồ động của biên

Từ lược đồ của khớp và lược đồ của khâu, ta có thể biểu diễn cơ cấu bằng lược đồ

Ví dụ:

Hình 1.6

5 CHUỖI ĐỘNG - CƠ CẤU

a Chuỗi động - Phân loại chuỗi động:

„ Chuỗi động: Nhiều khâu nối với nhau tạo thành một chuỗi động

„ Phân loại chuỗi động:

¾ Chuỗi động có thể chia thành chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian:

• Chuỗi động phẳng: là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong cùng

một mặt phẳng hay nhiều mặt phẳng song song với nhau (hình 1.7)

• Chuỗi động không gian: là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong

những mặt phẳng không song song với nhau (hình 1.8)

1

2

3

4

3

ω

1

ω

A

B

C

D

Hình 1.7

ω

a) b)

Hình 1.8

¾ Về phương diện khác, chuỗi động có thể chia thành chuỗi động kín và chuỗi động hở:

• Chuỗi động kín: là chuỗi động trong đó các khâu nối với nhau tạo thành một

hay nhiều chu vi khép kín Như vậy, trong chuỗi động kín, mỗi khâu phải tham gia ít nhất hai khớp động (hình 1.9)

• Chuỗi động hở: là chuỗi động trong đó các khâu không tạo thành chu vi khép

kín Rõ ràng, trong chuỗi động hở, có những khâu chỉ tham gia một khớp động (hình 1.10)

2

3

4

3

ω

1

ω

A

B

C

D

A

C

B

1 ω 1

4

3

2

a) b)

Hình 1.9

1

2

3

1

ω

A

B

C

Hình 1.10

b Cơ cấu - Phân loại cơ cấu:

„ Định nghĩa khác về cơ cấu: Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố định và chuyển

động theo qui luật xác định Khâu cố định được gọi là giá

„ Phân lọai cơ cấu: Cơ cấu cũng được chia thành cơ cấu phẳng (hình 1.11) và cơ cấu không gian (hình 1.12)

A

C

B

1 ω

1

4

3

2

Hình 1.11

O

1

2 3

a) b)

Hình 1.12

1.2 BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU

1 ĐỊNH NGHĨA

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập, cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu; đồng thời bậc tự do cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập của cơ cấu đó

2 TÍNH BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU KHÔNG GIAN (TRƯỜNG HỢP TỔNG QUÁT)

Gọi W0 làø số bậc tự do tương đối tổng cộng của n khâu động nếu để rời so với giá, R

là số ràng buộc của cơ cấu Bậc tự do của cơ cấu được tính như sau:

R W

W = 0− (1.1)

a Tính số bậc tự do tương đối:

Một khâu để rời trong không gian có 6 bậc tự do tương đối so với giá, do đó số bậc tự do

của n khâu động để rời so với giá là:

n

W0 =6 (a)

b Tính số ràng buộc của cơ cấu:

• Ràng buộc trực tiếp - Ràng buộc gián tiếp - Ràng buộc trùng:

- Ràng buộc giữa hai khâu do khớp nối trực tiếp giữa hai khâu đó được gọi là ràng buộc trực tiếp

- Ràng buộc giữa hai khâu không phải do tác dụng trực tiếp của khớp nối giữa hai khâu

đó được gọi là ràng buộc gián tiếp

- Khi dùng một khớp để nối động hai khâu đã bị ràng buộc gián tiếp, thì ở khớp đóng

kín đó sẽ xảy ra các ràng buộc trùng lắp gọi là ràng buộc trùng (hay ràng buộc chung)

Ví dụ: Xét cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 1.13a

A

B

1

2

D

3

4

x z

y

O

C

1

A

B

C

D

2

A

x z

y

O

3

4

a) b)

Hình 1.13

* Ràng buộc trực tiếp:

- Ràng buộc giữa khâu 1 và khâu 2 do khớp B

- Ràng buộc giữa khâu 2 và khâu 3 do khớp C

- Ràng buộc giữa khâu 3 và khâu 4 do khớp D

- Ràng buộc giữa khâu 4 và khâu 1 do khớp A

* Ràng buộc gián tiếp:

Nếu tháo khớp A (hình 1.13b), giữa khâu 1 và khâu 4 không có ràng buộc trực tiếp Tuy nhiên giữa khâu 1 và khâu 4 có những ràng buộc sau:

(1) Không thể tịnh tiến theo phương Oz

(2) Không thể quay quanh trục Ox

(3) Không thể quay quanh trục Oy

Các ràng buộc này không phải do nối động trực tiếp bằng khớp A mà do khâu 1 và

4 đã được liên kết với nhau thông qua các khớp B,C,D Do đó những ràng buộc này được gọi là ràng buộc gián tiếp

* Ràng buộc trùng:

Khi nối khâu 1 và khâu 4 bằng khớp A, giữa hai khâu này có những ràng buộc sau:

(1) Không thể tịnh tiến theo phương Oz

(2) Không thể quay quanh trục Ox

(3) Không thể quay quanh trục Oy

(4) Không thể tịnh tiến theo phương Ox

(5) Không thể tịnh tiến theo phương Oy

Ở đây, các ràng buộc (1), (2), (3) trùng với các ràng buộc gián tiếp (1), (2), (3) ở trên, những ràng buộc này gọi là ràng buộc trùng, số ràng buộc trùng ở đây là 3 Ràng buộc trùng chỉ xảy ra ở các khớp đóng kín của cơ cấu

• Tính số ràng buộc của cơ cấu không gian:

Với cách phân loại khớp động theo số bậc tự do bị hạn chế thì khớp loại k hạn chế

k bậc tự do Nếu gọi p k là số khớp loại k chứa trong cơ cấu thì tổng các ràng buộc

do p k khớp loại k gây nên sẽ là k p k Số ràng buộc trong cơ cấu bằng tổng các ràng buộc ở tất cả các khớp trừ đi số ràng buộc trùng R0 ở các khớp khép kín, nghĩa là:

0 5

1

R p k R

k

k −

=∑

=

(b)

c Công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian

Thay (a) và (b) vào (1.1) ta có công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian như sau:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

−

= 5

1

0

6

k

k R p k n

W (1.2)

Ví dụ 1: Tính bậc tự do của cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 1.13a

Ta thấy: Số khâu động: n=3

Số khớp loại 5 (k =5): p5 =4

Số ràng buộc trùng: R0 =3

Vậy bậc tự do của cơ cấu tính theo công thức (1.2) bằng: W =6×3−(5×4−3)=1

3 TÍNH BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU PHẲNG

a Tính số bậc tự do tương đối:

Trong cơ cấu phẳng, một khâu để rời có 3 bậc tự do tương đối so với giá, do đó số bậc tự

do tương đối của n khâu động so với giá làø:

n

W0=3 (c)

b Tính số ràng buộc của cơ cấu:

- Cơ cấu phẳng chỉ chứa khớp loại 4 và khớp loại 5 Mỗi khớp loại 4 trong mặt phẳng chỉ có thêm 1 ràng buộc nên số ràng buộc của p4 khớp loại 4 là 1p4 Mỗi khớp loại 5 trong mặt

phẳng có thêm 2 ràng buộc nên số ràng buộc của p5 khớp loại 5 là 2 p5 Do đó tổng số ràng buộc của các khớp trong cơ cấu phẳng là (p4+2 p5)

- Trong tất cả các cơ cấu phẳng, chỉ có duy nhất cơ cấu chêm (hình 1.14) là có ràng buộc trùng (R0=1), nên trong cơ cấu phẳng (trừ cơ cấu chêm) tổng số ràng buộc của các khớp cũng chính là số ràng buộc của cơ cấu:

5

4 2 p p

R= + (d)

c Công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng (trừ cơ cấu chêm)

Thay (c) và (d) vào (1.1) ta có công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng như sau:

) 2 (

3n p4 p5

W = − + (1.3)

Chú ý: p5 cũng chính là số khớp thấp trong cơ cấu phẳng,

4

p cũng chính là số khớp cao trong cơ cấu phẳng

Ví dụ 2: Tính số ràng buộc trùng ở cơ cấu chêm như hình 1.14

y

A

B

O C

2

x

1

z

A y

B

O C

1

2

x

z

a) b)

Hình 1.14

- Cơ cấu chêm có 2 khâu và 3 khớp loại 5: n=2,p5=3 Để xác định số ràng buộc trùng, ta chọn hệ qui chiếu gắn với giá như hình 1.14ù

- Khi chưa đóng khớp A (hình 1.14a), khâu 1 có các khả năng chuyển động tương đối sau:

(1) Tịnh tiến theo phương Ox

(2) Tịnh tiến theo phương Oy

(3) Không thể quay quanh trục Oz ⇒ ràng buộc

- Sau khi đóng khớp A (hình 1.14b), khâu 1 có các khả năng chuyển động tương đối sau:

(1) Không thể tịnh tiến theo phương Ox ⇒ ràng buộc

(2) Tịnh tiến theo phương Oy

(3) Không thể quay quanh trục Oz ⇒ ràng buộc

- Khớp A hạn chế 2 khả năng chuyển động (1) và (3) Tuy nhiên chuyển động (3) đã bị hạn chế trước khi đóng khớp A Như vậy, cơ cấu chêm có 1 ràng buộc trùng (R0 =1) Do đó, bậc tự do của cơ cấu chêm là: W =3×2−(2×3−1)=1

Ví dụ 2: Tính bậc tự do của cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 1.13a

Ta thấy: Số khâu động: n=3

Số khớp loại 5 (k =5): p5 =4

Vậy bậc tự do của cơ cấu tính theo công thức (1.3) bằng: W =3×3−(2×4)=1 Kết quả này phù hợp với kết quả tính theo công thức tổng quát (1.2) trong Ví dụ 1

Ví dụ 3: Tính bậc tự do của cơ cấu hình bình hành như hình 1.15, trong đó:

EF CD

l = = ; l BE =l AF; l CE =l DF

A

F

1

C

D

5

4

1

Hình 1.15

- Trong quá trình chuyển động các hình ABCD và ABEF luôn luôn là hình bình hành

- Cơ cấu toàn khớp loại 5 với: n=4 , k=5, p5 =6 Bậc tự do của cơ cấu là:

0 ) 6 2

(

4

3× − × =

=

W ⇒ không có khả năng chuyển động? Thực tế cơ cấu này chuyển động được và được sử dụng ở đầu máy xe lửa, ở cơ cấu đóng mở cửa sổ, …

Nhận xét:

- Nếu bỏ đi khâu 5 (cùng hai khớp E, F) thì chuyển động của cơ cấu không thay đổi, cơ cấu trở thành cơ cấu 4 khâu bản lề như đã xét ở trên với bậc tự do bằng 1 Nghĩa là về phương diện khả năng chuyển động thì việc thêm khâu 5 (cùng hai khớp E, F) là thừa Việc thêm

khâu 5 (cùng hai khớp E, F) làm cho bậc tự do tăng thêm Khi thêm khâu 5 (cùng hai khớp E, F) vào thì:

* thừa khâu 5 ⇒ thừa 3 bậc tự do

* thừa hai khớp loại 5 ⇒ thừa 4 ràng buộc

tức là thừa 1 ràng buộc Ta gọi ràng buộc này là ràng buộc thừa

- Do đó khi tính bậc tự do của cơ cấu, ta phải bỏ các ràng buộc thừa Gọi r là số ràng buộc thừa có trong cơ cấu, bậc tự do của cơ cấu phẳng được tính theo công thức sau:

) 2

(

3n p5 p4 r

W = − + − (1.4)

Cơ cấu hình bình hành ở trên có r=1, nên bậc tự do tính theo (1.4) bằng:

W =3×4−(2×6+0−1)=1 : phù hợp với thực tế

Ví dụ 4: Tính bậc tự do của cơ cấu cam cần đẩy đáy con lăn như hình 1.16

1

ω

A

B C

D

1 2 3

Hình 1.16

Đây là cơ cấu phẳng có:

Số khâu động : n=3

Số khớp loại 4 : p4 =1 (khớp B)

Số khớp loại 5 : p5=3 (các khớp A,C,D)

Số ràng buộc thừa : r=0

Bậc tự do của cơ cấu tính theo (1.4) là: W =3×3−(2×3+1−0)=2

Thực tế cơ cấu trên có 1 bậc tự do vì chuyển động lăn của con lăn 2 quanh khớp C không

ảnh hưởng đến chuyển động của cơ cấu nên không được kể vào bậc tự do của cơ cấu Bậc tự

do thêm vào mà không ảnh hưởng đến chuyển động của cơ cấu gọi là bậc tự do thừa, kí hiệu là s Vậy bậc tự do của cơ cấu cam là:

1 1 ) 0 1 3 2 ( 3

3× − × + − − =

=

W

Chú ý: Muốn xét bậc tự do thừa ta phải xét ảnh hưởng của chuyển động từng khâu đến

chuyển động của cơ cấu Bậc tự do thừa thường có ở những khâu có thành phần khớp động đối xứng qua tâm khớp động

Tóm lại, công thức tính bậc tự do như sau:

„ Đối với cơ cấu không gian:

s r R kp n

W

k

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

−

=

5

1

0

6 (1.5)

„ Đối với cơ cấu phẳng (trừ cơ cấu chêm):

s r p p n

W =3 −(2 5+ 4− )− (1.6)

trong đó, n : số khâu động

k : loại khớp động

p k : số khớp loại k

p : số khớp loại 4 (cũng là số khớp loại cao trong cơ cấu phẳng) 4

p5: số khớp loại 5 (cũng là số khớp loại thấp) trong cơ cấu phẳng)

R0: số ràng buộc trùng

r : ràng buộc thừa

s : bậc tự do thừa

4 Ý NGHĨA BẬC TỰ DO - KHÂU DẪN VÀ KHÂU BỊ DẪN

a Ý nghĩa bậc tự do

Xét cơ cấu bốn khâu bản lề và cơ cấu năm khâu bản lề như hình 1.17a,b

A

B

C

D

1

ϕ

1

2

3

4

A

B

C

E

D

1

1

4 5

a) b)

Hình 1.17