GIÁO TRÌNH NGUYÊN LÝ MÁY

Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HCM KHOA CƠ KHÍ – CƠNG NGHỆ GIÁO TRÌNH NGUN LÝ MÁY PHẦN – BÀI GIẢNG VƢƠNG THÀNH TIÊN - TRƢƠNG QUANG TRƢỜNG Tp HCM 2012 Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ MỤC LỤC Chƣơng mở đầu: Giới thiệu môn học VỊ TRÍ MƠN HỌC ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3 NỘI DUNG MÔN HỌC 4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU GIỚI THIỆU TÀI LIỆU Phần I: CẤU TẠO ĐỘNG HỌC CƠ CẤU Chƣơng 1: Cấu tạo phân loại cấu NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN BẬC TỰ DO CƠ CẤU PHÂN TÍCH CẤU TẠO CƠ CẤU THANH PHẲNG 12 THAY THẾ KHỚP CAO KHỚP THẤP 15 Chƣơng 2: Phân tích động học 16 NỘI DUNG Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC 16 BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA CƠ CẤU 16 XÁC ĐỊNH VẬN TỐC, GIA TỐC (bằng phƣơng pháp vẽ) 17 GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 22 GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP ĐỒ THỊ 22 6.GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP HOẠ ĐỒ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU LOẠI 22 Phần II: ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU 23 Chƣơng 3: Phân tích lực cấu 23 ĐẠI CƢƠNG 23 LỰC QUÁN TÍNH 23 ÁP LỰC Ở CÁC KHỚP ĐỘNG 24 XÁC ĐỊNH LỰC TRÊN KHÂU DẪN 25 Chƣơng 4: Ma sát khớp động 27 GIỚI THIỆU 27 MA SÁT TRONG KHỚP TỊNH TIẾN 29 MA SÁT TRONG KHỚP QUAY 30 MA SÁT LĂN TRONG KHỚP LOẠI 30 MA SÁT ƢỚT 31 TRUYỀN ĐỘNG MA SÁT 33 Chƣơng 5: Động lực học máy 37 Chƣơng 6: Các tiêu chất lƣợng máy 38 LÀM ĐỀU CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY 38 ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG CHUYỂN ĐỘNG MÁY 42 CÂN BẰNG MÁY 45 HIỆU SUẤT 50 Phần III CÁC CƠ CẤU 54 Chƣơng 7: Cơ cấu nhiều 54 ĐẠI CƢƠNG 54 CÁC BIẾN THỂ TRONG CƠ CẤU BỐN KHÂU BẢN LỀ 54 ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU NHIỀU THANH 56 ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC CỦA CÁC BIẾN THỂ THƢỜNG GẶP 59 GÓC ÁP LỰC 61 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA CƠ CẤU NHIỀU THANH 61 Chƣơng 8: Cơ cấu cam 64 Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ ĐẠI CƢƠNG 64 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CƠ CẤU CAM 65 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CAM 67 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU CAM 72 TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CƠ CẤU CAM 73 TỔNG HỢP CƠ CẤU CAM 73 BẢO TOÀN KHỚP CAO TRONG CƠ CẤU CAM 73 Chƣơng 9: Cơ cấu bánh 74 I CƠ CẤU BÁNH RĂNG PHẲNG 74 ĐẠI CƢƠNG VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG 74 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA BÁNH RĂNG THÂN KHAI TIÊU CHUẨN 76 ĐƢỜNG ĂN KHỚP – CUNG ĂN KHỚP – HỆ SỐ TRÙNG KHỚP 77 SỰ TRƢỢT CỦA CÁC RĂNG 79 NHỮNG PHƢƠNG PHÁP CƠ BẢN CHẾ TẠO BÁNH RĂNG THÂN KHAI 80 BÁNH RĂNG TRỤ TRÒN RĂNG NGHIÊNG 82 II CƠ CẤU BÁNH RĂNG KHÔNG GIAN 85 CẶP BÁNH RĂNG TRỤ CHÉO 85 CƠ CẤU TRỤC VÍT – BÁNH VÍT 86 BÁNH RĂNG NÓN 88 III HỆ BÁNH RĂNG 92 ĐẠI CƢƠNG 92 HỆ BÁNH RĂNG THƢỜNG 93 HỆ BÁNH RĂNG VI SAI 94 VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA HỆ BÁNH RĂNG 97 Chƣơng 10: Một số cấu khác 102 CƠ CẤU CÁC–ĐĂNG (Cardan, Universal Joint) 102 CƠ CẤU MAN (Malte, Geneva Mechanism) 103 CƠ CẤU BÁNH CÓC (Ratchet Mechanism) 104 Phụ lục 106 Tài liệu tham khảo 106 Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Chương mở đầu: Giới thiệu mơn học VỊ TRÍ MƠN HỌC Nguyên lý 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 nghiê n cứu môn học khác như: chi tiết máy, máy cắt kim loại, máy nông nghiệp, máy chế biến Nguyên lý 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 TƢỢNG 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 phƣơng pháp điều khiển, máy đƣợc chia thành: máy điều khiển tay, máy bán tự động máy tự động Trong máy tự động, tất nguyên cơng đƣợc thực theo chƣơng 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 chƣơng trình số CNC (Computerized Numerical Control), máy sản xuất đƣợc điều khiển theo chƣơng trình lơ-gic PLC (Programed Logic Control),… Về mặt chức năng, coi máy hệ thống bao gồm phận chức quan hệ chặt chẽ theo sơ đồ sau: Nguồn động lực Bộ truyền biến đổi trung gian Bộ chấp hành Đối tượng gia công Bộ điều khiển Hình 0-1: Sơ đồ cấu tạo máy Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ 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 nhƣ: 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 ñaõ 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 phƣơng pháp thiết kế cấu theo thông số động học cho Nghiên cứu động lực học cấu máy nghiên cứu phƣơng pháp xác định chuyển động khâu, cấu dƣới tác dụng lực bên PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để giải toán trên, Nguyên lý máy dùng hai phƣơng pháp sau: a) Phương pháp giải tích: phƣơng pháp đƣợc xây dựng dựa sở áp dụng phƣơng pháp toán học vào việc nghiên cứu Ƣu điểm phƣơng pháp cho phép đạt độ xác cao, thông số khác đƣợc biểu thị biểu thức giải tích Vì dễ dàng nghiên cứu ảnh hƣởng thông số thơng số khác Nhƣng địi hỏi kiến thức định hình học giải tích, giải tích tenxơ ma trận, giải tích vectơ, hàm biến phức, phƣơng trình vi phân, tích phân… b) Phương pháp vẽ (gồm phƣơng pháp đồ thị phƣơng pháp hoạ đồ vectơ) nói chung thuận tiện cho phép giải toán cách nhanh gọn mà đạt đƣợc độ xác cần thiết kỹ thuật Ngoài ra, nhiều trƣờng hợp, quan hệ tính Nguyên lý máy đƣợc cho dƣới dạng đồ thị dùng phƣơng pháp vẽ hoạ đồ vectơ phƣơng pháp đồ thị thuận tiện GIỚI THIỆU TÀI LIỆU Tài liệu chính: + Bài giảng Nguyên lý máy + Bài tập Nguyên lý máy – Tạ Ngọc Hải – NXB KH & KT – 2003 Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Phần I: CẤU TẠO ĐỘNG HỌC CƠ CẤU Chương 1: Cấu tạo phân loại 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 trình kỹ thuật nhờ chuyển động phần tử - Các phần tử cuả cấu: khâu khớp động 1.2 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 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 bạc thân bulong đai ốc đệm nắp bạc 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 Môn học nguyên lý máy xét đến khâu coi khâu thành phần cấu máy, đồng thời khâu xem vật rắn tuyệt đối Giáo trình Ngun Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Tên gọi: 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 thƣớc 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 Q x, Qy, Qx (H.1-2) Mỗi khả chuyển động gọi bậc tự Nói cách khác, hai khâu để rời không gian có bạc bậc tự tương thân bulong đai ốc đệm nắp bạc 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 Giáo trình Nguyên Lý Máy Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ mặt phẳng hay mặt phẳng song song nhau, khớp không gian nối động khâu nằm mặt phẳng không song song Bảng Các loại khớp động Khớp động Tên gọi z Số ràng buộc Bậc tự lại Loại khớp Khối trụ - Mặt phẳng Khối hộp - mặt phẳng 3 Khớp cầu 3 Khớp cầu có chốt 4 Khớp trụ 4 Khớp tịnh tiến 5 Khớp quay 5 Khớp vít 5 Quả cầu - mặt phẳng Lược ñoà y x z y x z y x y x z y x z y x z y x y y Giáo trình Ngun Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ kích thước 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 lược đồ động kích thước tâm thành phần khớp động khâu Ví dụ: b Lược đồ động khớp Hình 1-3: Lược đồ động 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 Giáo trình Ngun Lý Máy Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Hình 1-6 Chuỗi động kín Hình 1-7 Chuỗi động hở b Cơ cấu Cơ cấu định nghóa 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 chứng tỏ không chuyển động) Theo tính chất chuỗi, cấu chia thành cấu phẳng cấu không gian BẬC TỰ DO CƠ CẤU 2.1 Định nghóa 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 Công 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 =  i.p i = 5p5 + 4p4 + 3p3 + 2p2 +1p1 (1-3) i 1 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 Giáo trình Ngun Lý Máy Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ III HỆ BÁNH RĂNG ĐẠI CƢƠNG Do nhu cầu thực tế, ta không sử dụng cặp bánh mà sử dụng nhiều cặp bánh nối với nhau, tạo thành hệ thống đƣợc gọi hệ thống bánh hay hệ bánh a) b) c) d) e) Hình 9-24: mô tả hệ bánh Công dụng: sử dụng hệ bánh đạt đƣợc cơng dụng khác nhƣ: + Thực tỷ số truyền lớn (H.9-24a) + Cần truyền chuyển động quay trục cách xa (H.9-24b) + Truyền chuyển động trục cần thay đổi tỷ số truyền (hộp số) (H.9-24c) + Thay đổi chiều quay (H.9-24d) Giáo trình Nguyên Lý Máy 92 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ + Hợp nhiều chuyển động thành chuyển động, hay chia chuyển động thành nhiều chuyển động độc lập (bộ vi sai) (H.9-24e) Phân loại: có loại hệ bánh thƣờng hệ bánh vi sai HỆ BÁNH RĂNG THƢỜNG Hệ bánh thƣờng hệ bánh tất trục có đƣờng trục cố định Ví dụ: Hệ bánh hình 9-25: a) b) Hình 9-25: hệ bánh thường Bậc tự hệ: W = 3n – 2p5 – p4 với p5 = 6; p4 = 5; n =  W =1 Tỷ số truyền:       i16 = = 6  3  5   ' ' '  =  3  5  Z Z Z Z2 Z ).( 3' ).( 4' ).( 5' ).( ) Z1 Z Z3 Z4 Z5 Z Z Z Z Z = (-1)4 ( ).( 3' ).( 4' ).( 5' ).( ) Z1 Z Z Z Z = ( Tổng quát, gọi k số cặp bánh ngoại tiếp hệ có n bánh răng, cơng thức tính tỷ số truyền có dạng: i1n = (-1)k ( Z Z Z3 ).( ) ( n ) Z1 Z '2 Z 'n1 (9-59) Chú ý: + Nếu i1n < bánh bánh thứ n quay ngƣợc chiều ngƣợc lại + Bánh không làm ảnh hƣởng đến giá trị tỷ số truyền, đƣợc gọi bánh trung gian + Trong hệ bánh không gian, vấn đề chiều hay ngƣợc chiều khơng cịn ý nghĩa nữa, nhƣng ta xác định chiều quay bánh bị động theo chiều quay bánh chủ động nhƣ H.9-25b Giáo trình Nguyên Lý Máy 93 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ HỆ BÁNH RĂNG VI SAI 3.1 Giới thiệu  Hệ bánh vi sai hệ bánh cặp bánh có bánh có đƣờng trục di động (H.9-26a ,b) Bánh có đƣờng trục cố định gọi bánh trung tâm, bánh có đƣờng trục di động bọi bánh vệ tinh Khâu động mang trục bánh vệ tinh gọi cần, cố định cần hệ vi sai trở thành hệ thƣờng Bậc tự hệ: W = 3n – 2p5 – p4 với p5 = 3; p4 = 1; n =  W =  Z cần o  c o Z a) b) Hình 9-26: hệ bánh vi sai – lược đồ động  Hệ bánh hành tinh: hệ bánh vi sai có bánh trung tâm cố định Khi cố định bánh trung tâm Z3 hệ vi sai hình 9-26b hệ trở thành hệ hành tinh (H.9-27a) Bậc tự hệ hành tinh: W = 3n – 2p5 – p4 với p5 = 3; p4 = 2; n =  W = Trong hệ vi sai hệ hành tinh phẳng, đƣờng trục bánh trung tâm Z1, Z3, đƣờng trục cần C phải nằm đƣờng thẳng Điều kiện đƣợc gọi điều kiện đồng trục hệ a) b) c) Hình 9-27: hệ bánh hành tinh  Hệ vi sai kín hệ vi sai bánh trung tâm không cố định, nhƣng hai bánh trung tâm bánh trung tâm cần nối với hệ thƣờng Ví dụ hình 9-28 hệ vi sai kín Đây hệ hỗn hợp gồm hệ vi sai (Z1, Z2, cần C) hệ thƣờng (Z3, Z4, Z’4, Z5) Hệ thƣờng nối bánh trung tâm Z1 cần C hệ vi sai Bậc tự hệ vi sai kín: W = Giáo trình Ngun Lý Máy 94 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Hình 9-28: hệ vi sai kín 3.2 Tỷ số truyền a) Hệ vi sai phẳng: Xét hệ vi sai hình 9-26a, bánh trung tâm cần C quay quanh trục cố định O1 với vận tốc góc  ,  c không phụ thuộc nhau, bánh vệ tinh mang cần C có chuyển động quay kép với vận tốc góc  Ta tìm quan hệ  ,   c cách đổi giá cấu, xem cần C giá cố định hay nói cách khác xét hệ vi sai chuyển động tƣơng cần C Thì bánh có đƣờng trục cố định hệ trở thành hệ thƣờng Trong hệ này, bánh có vận tốc góc là: 1c = 1 - c; 2c = 2 - c Gọi i12c tỷ số truyền bánh chuyển động tƣơng đối cần C, ta có:  c   c i12c = 1c     c Thế nhƣng chuyển động tƣơng đối, hệ trở thành hệ thƣờng, tỷ số truyền i12c tính theo số răng: i12c = - Z2/Z1 Xét hệ bánh vi sai hình 9-26b, lý luận tƣơng tự, xét hệ vi sai chuyển động tƣơng cần C, ta có:  c   c i13c = 1c  3 3  c c Trong i13 tính nhƣ hệ thƣờng, i13c = (-Z2/Z1).(-Z3/Z’2) Một cách tổng quát, ta xác định quan hệ vận tốc góc khâu hệ vi sai công thức sau: mc m  c c imq = c  (9-60)  q  q  c Giáo trình Nguyên Lý Máy 95 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Trong m, q vận tốc góc tuyệt đối bánh m, q cần xét c hệ vi sai c vận tốc góc tuyết đối cần imq đƣợc tính nhƣ hệ bánh thƣờng Công thức gọi công thức Willis b) Hệ vi sai không gian  Điều kiện đồng trục hệ vi sai không gian: bánh trung tâm cần đồng trục, mặt nón lăn phải có chung đỉnh (H.9-29)  Tỷ số truyền i12c : Xét chuyển động tƣơng đối hệ với cần C hệ vi sai không gian Trong chuyển động tƣơng đối này, hệ trở thành hệ thƣờng khơng gian, vận tốc góc bánh 2: c c 1  1   c ;      c c  i12c = 1  c 1   c  2  c = Z2 Z1 Ta có: + Do 1 //  c  1   c  1  c +    c  22  c2  2  c Do    c    c      c  22  c2 Tóm lại: c 1 i12c =  c  1  c   2 c = Z2 Z1  Tỷ số truyền i13c : Phân tích tƣơng tự, ta có  c   c = (-Z2/Z1).(-Z3/Z’2) i13c = 1c  3 3  c Hình 9-29: hệ vi sai khơng gian Giáo trình Ngun Lý Máy 96 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ c) Hệ hành tinh Hệ hành tinh có bậc tự Từ quan hệ vận tốc góc hệ vi sai, dễ dàng suy tỷ số truyền hệ hành tinh Xét hệ hành tinh hình 9-27a, bánh trung tâm Z3 cố định: 3 =    i13c  c  1 i1c  c  Z   Z3  .    Z1   Z '  với i13c    VÍ DỤ VỀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA HỆ BÁNH RĂNG a) Ứng dụng hệ thường - Hệ bánh thƣờng đƣợc dùng để thực tỷ số truyền lớn, mà cặp bánh thực đƣợc (hợp giảm tốc) - Dùng thực nhiều tỷ số truyền khác (hợp số, hộp biến tốc) - Hình 9-30: ví dụ hộp số Dùng để truyền động hai trục xa với tỷ số truyền xác Nếu dùng cặp bánh để truyền từ trục I sang trục II dẫn đến khơng hợp lý mặt kích thƣợc chế tạo Nếu dùng truyền đai hay xích tỷ số truyền khơng thật xác Hình 9-31: ví dụ truyền động hai trục xa - Dùng để đảo chiều quay trục bị dẫn Khi kéo chạc A xuống, trục II đổi chiều quay Giáo trình Nguyên Lý Máy 97 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Hình 9-32: ví dụ đổi chiều quay b) Ứng dụng hệ vi sai Hệ vi sai có hai bậc tự do, đƣợc sử dụng trƣờng hợp cần tổng hợp hai chuyển động quay độc lập thành chuyển động quay, hay phân tích chuyển động quay thành hai chuyển động quay độc lập Hộp vi sai tơ: (hình 9-33) a) b) Hình 9-33: hộp vi sai tơ Giáo trình Ngun Lý Máy 98 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Gọi V , V , V lần lƣợt vận tốc ô tô vận tốc tâm bánh xe sau 3; 1, 3 lần lƣợt vận tốc góc bánh (hình 9-331a) Khi xe chạy đƣờng thẳng, ta có: V = V = V  1 = 3 Khi xe chạy đƣờng vịng, ta có V1 < V3, để xe vịng dễ dàng, khơng bị trƣợt mặt đƣờng, phải có 1 < 3 Thế mà, bánh nhận chuyển động từ trục động (thông qua trục các-đăng) lại phải có hai vận tốc góc khác Do cần phải sử dụng hệ vi sai để phân tích thành chuyển động Xét chuyển động cấu vi sai tơ nhƣ hình 9-33b + Cơ cấu gồm hệ thƣờng không gian Z4 – Z5 hệ vi sai kông gian gồm Z1, Z2, Z3 cần C Hai bánh có số Z1 Z3 dẫn động cho hai hánh xe ăn khớp với bánh Z2 (có thể quay quanh cần C) + Quan hệ vận tốc góc hệ vi sai là:   c n1  nc Z Z i13c      1 3  c n3  nc Z Z2  (n1 – nc)/ (n3 – nc) = -1  n1 + n3 = 2nc + Cần C gắn liền với bánh Z4 nên nc = n4 = const Nhờ ô tơ qua đƣờng vịng, bánh xe quay nhanh lên, bánh xe tự động quay chậm lại + Thực tế cấu vi sai trên, để tải trọng phân bố bánh răng, trục, ngƣời ta lắp thêm bánh Z’2 Thực chất chuyển động bánh Z’2 hoàn toàn giống bánh Z2, nên nguyên lý không cần để ý đến Z’2 c) Ứng dụng hệ hành tinh - Hệ hành tinh cho phép thực tỷ số truyền lớn, lớn ví dụ hệ hành tinh hình 9-27a Ta có: i1c = 1/c = - i13c = – Z2 Z3 Z1 Z ' Nếu chọn hợp lý số bánh răng, ví dụ chọn: Z2 = 99; Z3 = 101; Z1 = Z’2 = 100 i1c = 1/10000 Tuy nhiên, chọn tỷ số truyền khâu dẫn cần ý cho hiệu suất hệ không thấp đặc biệt phải tránh tƣợng tự hãm - Ngay tỷ số truyền nhỏ vừa, ngƣời ta dùng hệ hành tinh có số ƣu điểm kết cấu tải trọng: + Cần C thƣờng có nhiều chạc phân bố đều, lắp khối bánh vệ tinh giống nhau, phản lực trục cần C bánh trung tâm gần nhƣ (H.9-34) Mỗi bánh chịu phần tải trọng nên làm nhỏ, nhờ kích thƣớc khuôn khổ nhỏ gọn + Mặc khác, hệ hành tinh, dùng cặp bánh nội tiếp có nhiều ƣu điểm mặt sức bền so với cặp bánh ngoại tiếp Giáo trình Nguyên Lý Máy 99 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ R1T  R 2T  R 3T  Hình 9-34: ưu điểm phân bố lực - Hệ hành tinh đƣợc dùng để tạo chuyển động đặc biệt, cần thiết cho số q trình cơng nghệ Ví dụ xét hệ hành tinh hình 9-35a a) b) Cơ cấu máy tiện trục khuỷu Hình 9-35: số ứng dụng đặc biệt + Bánh bánh trung tâm cố định  Z Z Z c  1  1 + Ta có: i3c    i31 c Z Z3 Z3 + Nếu lấy Z1 = Z3 i3c =  3 = 0: bánh chuyển động tịnh tiến tròn Trong trƣờng hợp này, hệ hành tinh đƣợc dụng cấu máy tiện trục khuỷu, dùng để tiện cổ biên trục khuỷu (H.9-35b) + Nếu lấy Z1  Z3, hệ hành tinh đƣợc sử dụng cấu máy bện cáp hay cấu máy bên xơ dừa (H.9-36) Các dây cáp đƣợc bện lại từ nhánh cáp, nhánh cáp lại đƣợc bện từ sợi thép Nếu chiều bện nhánh cáp dây chiều bện sợi thép nhánh, ta gọi cáp bện xuôi Ngƣợc lại, ta có cáp bện ngƣợc Trong cấu máy bện cáp, sợi thép đƣợc mắc bánh 3, 3’ 3” Khi cần C quay bánh 3, 3’ 3” quay theo, sợi cáp đƣợc bện thành nhánh Đồng thời nhánh đƣợc bện thành dây cáp Khi chọn Z1 < Z3  i3c >  3 chiều c: ta đƣợc cáp bện xi Giáo trình Ngun Lý Máy 100 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Khi chọn Z1 > Z3  i3c <  3 ngƣợc chiều c: ta đƣợc cáp bện ngƣợc Hình 9-36: cấu máy bện cáp Giáo trình Nguyên Lý Máy 101 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Chương 10: Một số cấu khác CƠ CẤU CÁC–ĐĂNG (Cardan, Universal Joint) Cơ cấu các-đăng hay khớp nối trục các-đăng dùng để truyền chuyển động quay trục giao góc  khơng lớn lắm, nhƣng thay đổi đƣợc cấu hoạt động 1.1 Nguyên lý cấu tạo - Hình 10-1a thể cấu thực, hình 10-1b lƣợc đồ động cấu các-đăng A' B' y I  x x B II y A a) b) Hình 10-1: cấu Cardan & lược đồ động - Cơ cấu các-đăng gồm trục I II quay quanh tâm x-x, y-y giao góc  Trục I mang chạc 1, trục II mang chạc Hai chạc nối với khâu chữ thập hai khớp lề A-A’ B-B’ với điều kiện A-A’  x-x, B-B’  y-y, A-A’  B-B’; x-x y-y giao O điểm giao A-A’ B-B’ Các kích thƣớc OA = OA’ = OB = OB’ = R 1.2 Tỷ số truyền - Trong trình chuyển động, quỹ đạo A-A’ vịng trịn tâm O, bán kính R, nằm mặt phẳng vng góc với x-x qua tâm O Tƣơng tự, quỹ đạo B-B’ vòng tròn tâm O, bán kính R, nằm mặt phẳng vng góc với y-y qua tâm O - Trong trình chuyển động, vị trí A-A’ thay đổi, đƣợc đặc trƣng thơng số  góc A-A’ M-M; M-M giao tuyến mặt phẳng chứa đƣờng tâm quay x-x, y-y mặt phẳng chứa quỹ tích A-A’ (Hình 10-2)  = AOM M A' B' y I x  B II y E A  M x F  Hình 10-2: mơ tả thơng số Giáo trình Ngun Lý Máy 102 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ - Tỷ số truyền đƣợc tính theo cơng thức sau:  1 sin  cos2  i12 = = 2 cos (10-1) Nhận xét: + Khi cấu chuyển động, góc  thay đổi từ đến 2; cos2 thay đổi từ đến nên tỉ số truyền i12 thay đổi từ 1/cos đến cos Nhƣ 1 = const 2 thay đổi từ 2min = 1.cos đến 2max = 1/cos + Độ không trục bị dẫn đƣợc đánh giá qua hệ số :   = tg.sin (10-2)   max 1 Rõ ràng góc giao  trục lớn độ khơng đồng lớn, nghĩa trục bị dẫn động bị dao động xoắn trình chuyển động dẫn đến khả bền trục bị giảm nhiều Đây lý góc giao  cấu các-đăng không đƣợc lớn 1.3 Cơ cấu Các-đăng kép (Tham khảo PL 10.1) CƠ CẤU MAN (Malte, Geneva Mechanism) Cơ cấu man cấu biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động quay gián đoạn nhờ khâu dẫn có chốt khâu bị dẫn có rãnh tiếp xúc khơng liên tục với Ví dụ ứng dụng: cấu ăn dao máy bào, cấu thay ụ dao máy tiện tự động, cấu đƣa phim máy chiếu phim,… 2.1 Nguyên lý cấu tạo Hình 10-5a 10-5b thể cấu Man, khâu dẫn mang chốt quay quanh tâm O1; khâu bị dẫn đĩa mang rãnh quay quanh tâm O2 Khi khâu quay liên tục, có lúc chốt lọt vào rãnh đĩa vị trí A gạt đĩa quay quanh O2 góc đến chốt khỏi rãnh vị trí B đĩa ngừng quay nhờ cung trịn CDE đĩa tiếp xúc với cung tròn FGH đĩa Lúc rãnh đĩa vị trí chờ chốt đĩa vào để truyền động trình truyền động xảy liên tục O2 1 O1 a) b) Hình 10-5: cấu Malte – thông số - lược đồ động Giáo trình Nguyên Lý Máy c) 103 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Số chốt đĩa hay lớn Số rãnh đĩa thƣờng 4, 6, 8,… Chú ý: + Để không xảy va đập chốt vào khỏi rãnh, vị trí chốt phải chuyển động theo phƣơng rãnh nghĩa rãnh phải nằm theo phƣơng tiếp tuyến quĩ đạo chốt (H.10-5) Muốn phải thoã mãn: O2AO1 = O2BO1 + Các chốt rãnh cấu Man phân bố (khoảng cách từ tâm chốt đến tâm O2 khơng nhƣ hình 10-6a, rãnh đĩa khơng hƣớng tâm nhƣ hình 10-6b), miễn chúng phối hợp đƣợc với a) b) Hình 10-6: phân bố rãnh 2.2 Số chốt số rãnh cấu Man 2.3 Động học cấu Man (Tham khảo PL 10.2) CƠ CẤU BÁNH CĨC (Ratchet Mechanism) Cơ cấu bánh cóc cấu biến chuyển động qua lại thành chuyển động chiều gián đoạn thơng qua cóc bánh cóc 1 a) b) Hình 10-8: mơ tả cấu bánh cóc Giáo trình Ngun Lý Máy 104 Trường Đại học Nơng Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Hình 10-8b mơ tả cấu bánh cóc gồm: lắc lắc qua lại quanh tâm O, cóc trƣợt bánh cóc chiều lắc chiều kim đồng hồ đẩy cóc quay quanh tâm O chiều lắc ngƣợc chiều kim đồng hồ Nhƣ bánh cóc chuyển động quay gián đoạn chiều Để hãm chuyển động bánh cóc theo chiều ngƣợc lại (khi khơng nhận truyền động cóc 2) ta dùng cóc đƣợc bắt giá đƣợc giữ lò xo xoắn ốc Chuyển động qua lại chuyển động lắc quanh tâm bánh cóc (hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại) nhận đƣợc từ cấu khâu lề ABCD (hình 10-9a) từ chuyển động tịnh tiến nhờ cấu tay quay – trƣợt (hình 10-9b) nhờ cấu khác V1 C E B 1 A A D 4 4 a) Hình 10-9: dạng thay đổi chuyển động Một số dạng cấu bánh cóc: (Tham khảo PL 10.3) Giáo trình Nguyên Lý Máy b) 105 Trường Đại học Nông Lâm Tp HCM Khoa Cơ khí - Cơng nghệ Phụ lục Tài liệu tham khảo + Giáo trình Nguyên lý máy – Vƣơng Thành Tiên – ĐH Nông Lâm Tp.HCM + Giáo trình Nguyên lý máy – Đặng Thế Huy, Nguyễn Khắc Thƣờng – NXB Nông nghiệp – 1982 + Giáo trình Nguyên lý máy – Lê Cung – ĐH Đà Nẵng – 2006 + Giáo trình Nguyên lý máy – Nguyễn Tấn Tiến – ĐH Bách Khoa Tp.HCM + Giáo trình Cơ học máy – Lại Khắc Liễm – NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM – 2001 + Bài tập Nguyên lý máy – Tạ Ngọc Hải – NXB Khoa học & Kỹ thuật – 2003 + Nguyên lý máy – Đinh Gia Tƣờng, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến – NXB ĐH & THCN – 1970 + Nguyên lý máy – Bùi Xuân Liêm – NXB Giáo dục + Introduction to Mechanisms – Yi Zhang, Susan Finger, Stephannie Behrens – Carnegie Mellon University Press – 2006 + Kinematics and Dynamics of Machines – George H Martin – McGraw-Hill – 1982 + Mechanism Design: Enumeration of Kinematic Structures According to Function – Frank Kreith – CRC Press – 2001 + Machinery’s Handbook 26th edition – Erik Oberg, Franklin D Jones, Holbrook L Horton, and Henry H Ryffel – Inductriak Press – 2000 Giáo trình Nguyên Lý Máy 106