Nghiên cứu phương pháp tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp

Trang 1

=IE=]E=IE5IE5IE=IE

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trang 2

621323

N92¥ - pyr

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

BAO CAO TONG KET

DE TAI KH&CN CAP TRUONG TRONG DIEM

Trang 3

DANH SACH NHUNG THANH VIEN THAM GIA NGHIEN CUU

DE TAI VA DON VI PHOI HOP CHINH

38 ok OK OK ok ok

1- Chủ trì đề tài: Dương Đăng Danh

Trang 4

MUC LUC Yo ate ate ate al

Muc luc

Thông tin kết quả nghiên cứu

Mở đầu

Chương 1: Cơ câu phẳng toàn khớp thấp và các ứng dụng Chương 2: Bài toán tổng hợp cơ cầu phẳng toàn khớp thấp

Chương 3: Phương pháp đồ họa để giải bài toán cơ cấu phẳng toàn khớp

thấp

Chương 4: Giải bài toán ví dụ

Trang 5

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT _ CỘNG HOA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHÓ HỖ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa Cơ khí chê tạo máy Tp HCM, Ngày 27 tháng Ì_ năm 2017 THONG TIN KET QUA NGHIEN CUU 1 Thông tỉn chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TONG HOP CO CAU PHANG TOAN KHOP THAP - Mã số: T2016-24 TD

- Chủ nhiệm: Dương Đăng Danh

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

- Thời gian thực hiện: tháng 03/2016 đến tháng 12/2016 2 Mục tiêu: l

-Nghiên cứu các cơ sở lý luận về tổng hợp cơ cấu

.Tìm phương pháp tổng hợp các cơ cầu phẳng nhóm 4 khâu phẳng toàn khớp thấp , đặc biệt là sử dụng phương pháp đối giá

„ -.Kết quả nghiên cứu là cách giải bài toán tổng hợp cơ cấu 4 phẳng toàn khớp thấp trong một

sơ bài tốn thiệt kê máy

1 Tính mới và sáng tạo:

- Các giáo trình tiếng Việt hầu như không trình bày nội dung nghiên cứu trong đề tài - Việc ứng dụng phần mềm Geogebra mang tính sáng tạo

2 Kết quả nghiên cứu:

Đưa ra phương pháp giải 5 bài toán tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề thường gặp bằng đô họa

3 Sản phẩm:

- Tập thuyết minh kèm đĩa CD chứa nội dung và kết quả nghiên cứu

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

- Kết quả nghiên cứu có thể đưa vào nội dung giảng dạy môn Nguyên lý — chỉ tiết may - Có thể ứng dụng trong thực tế sản xuất

Trưởng Don vi Chủ nhiệm đề tài

Trang 6

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: RESEARCH ABOUT SYNTHESIS OF PLANNAR FOUR - BAR LINKAGE

Code number: T2016-24 TD

Coordinator: DUONG DANG DANH

Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City

Duration: From March 2016 to December 2016

2 Objectives:

-Research on synthesis of planar mechanism -Research on graphical linkage synthesis 3 Creativeness and innovativeness:

-In Vietnamese textbook , there is no infomation of the research objectives - Using Geogebra to solve the problem is creative

4 Research results:

- Using the graphical linkage synthesis efficiently helps answer simple developmental questions and complicated ones as well

5 Products:

- Description notes and a CD of contents and research results

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

- Research results are applied to study Theoryof machines and Machines Design

Trang 7

MO DAU

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước

Bài toán tổng hợp cơ cấu được xem là phần cơ bản trong quá trình thiết kế máy

Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp, cụ thể là các cơ cấu 4 khâu được dùng phổ biến

trong các thiết bị kỹ thuật, trong đó cơ cấu 4 khâu bản lễ là phổ biến nhất

Việc nghiên cứu tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng phương pháp đồ họa chưa

được đề cập trong các giáo trình Nguyên lý máy tiếng Việt

Vấn đề này được đề cập trong một số chuyên để nghiên cứu về thiết kế cơ khí viết bằng tiếng Anh

Trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu, nhận thấy các kiến thức về tổng hợp cơ

cấu là một nội dung quan trọng trong quá trình đào tạo sinh viên nhóm nghành cơ khí nên tác giả chọn hướng nghiên cứu này

Tính cấp thiết

Cơ cấu 4 khâu bản lề có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo

Về cấu tạo cơ cầu này có thanh truyền chuyên động song phẳng so với giá Các vị trí của thanh truyền trong quá trình chuyển động có thê sử dụng để tạo ra các chuyên động cần thiết của máy

Khai thác đặc điểm này có thể thiết kế được các máy có chuyển động phức tạp nhưng cấu tạo lại đơn giản

Các kết quả nghiên cứu có tác dụng hỗ trợ cho các sinh viên ngành cơ khí trong

quá trình thiết kế máy, cũng như là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư cơ khí

Mục tiêu

Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp cơ cầu phẳng toàn khớp thấp ' nhằm giải quyết các

vấn đề:

- Nghiên cứu xác định các dạng bài toán tổng hợp cơ cấu thường gặp

- Ứng dụng phương pháp đồ họa (bài toán dựng hình hình học) đẻ giải các bài toán

trên

Trang 8

Cách tiếp cận

- Tìm hiểu bài toán tổng hợp cơ cấu bằng phương pháp dé hoa - Nghiên cứu cách giải các bài toán thường gặp

- Tìm hiều khả năng phát triển bài toán trong các ứng dụng kỹ thuật

Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo các tài liệu về tổng hợp cơ cấu

- Nghiên cứu các bài toán tổng hợp cơ cấu liên quan đến quá trình thiết kế máy - Giải bài toán và đánh giá kết quả bằng phần mềm mô phỏng

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp

thấp ` là nghiên cứu phương pháp tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng đồ họa

Nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp cơ cầu phẳng toàn khớp thấp ' bao gồm các bước thực

hiện các nội dung sau đây: ,

- Nghiên cứu xác định các dạng bài toán tổng hợp cơ cấu thường gặp

- Ứng dụng phương pháp đồ họa (bài toán dựng hình hình học) để giải các bài toán trên

Trang 9

Chương 1:

CƠ CẤU PHANG TOAN KHOP THAP 1.1 Đại Cương Về Cơ Cấu Phẳng Toàn Khớp Thấp

Trong cơ cấu phảng toàn khớp thấp, các khớp là khớp loại 5, bao gồm: khớp bản lề

và khớp tịnh tiến Để đảm bảo điều kiện phẳng của cơ cầu, đường tâm của các khớp bản

lề phải song song với nhau và phải vuông góc mặt phẳng chứa các phương tịnh tiến Khi

số khâu, số khớp càng lớn thì càng khó đảm bảo điều kiện phẳng Vì vậy, thông dụng có

cơ cấu 4 khâu hoặc 6 khâu

1.1.1 Cơ cấu bốn khâu bản lề a) Cấu tạo B p——] Cc Tên gọi các khâu: 0: Giá i 3 À 1 2: thanh truyén A 2 D 1 và 3: tay quay hoặc thanh lắc (không quay toàn vòng) =0 Hình 1 1: Lược đồ cơ cấu b) Công dụng

Dùng để biến đổi chuyên động: quay quay khác; lắc >quay; quay > lắc

lic > lic #, hoặc sử dụng đường cong thanh truyền để dẫn hướng bộ phận cơng tác

VD:

« Máy nghiền đá: Cơ cầu bốn khâu bản lề biến chuyển động quay thành chuyển động

Trang 10

c©) Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá

-_ Xét điều kiện quay toàn vòng của khâu

Giả sử tháo khớp B (nối khâu 1 và khâu 2; Ta có: B¡s khâu 1, BạS khâu 2 {B¡} = đường tròn tâm A, bán kính |} { B;} = miền vành chân tam D, bah kink R= lạrl›; r= |b hị - Điều kiện quay toàn vòng của khâu l: + <l+h l - | > |; - j| {Bi})c(B; | Tương tự, giả sử tháo khớp C, suy ra điều kiện quay toàn vòng của khâu 3 đ) Định lý Grashop:

Trong cơ cấu bốn khâu bản lề

-ˆ Nếu tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu đài nhất lớn hơn tông chiều dài

của hai khâu còn lại thì:

- Khi lấy khâu kể với khâu ngắn nhất làm giá, khâu ngắn nhất sẽ làm tay quay, khâu nối giá còn lại là thanh lắc

- _ Khi lấy khâu ngắn nhất làm giá, cả hai nối giá đều là tay quay

Nếu tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu dài nhất lớn hơn tổng chiều dài của

hai khâu còn lại, các khâu nối giá đều là thanh lắc

e)Tỉ số truyền

ø Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình

Điểm I là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tương đối giữa khâu 1 và khâu 3:

(V)) khaut (VI) Khẩu3

_ ø JD _ | => œ¡.JA = œ.]DÐ ma HH ial 1a

Trang 11

ee Pee Pee ees e Nhận xét: - Nếu điểm Inằm ngoài đoạn AD thì 0.0; > 0,cdn điểm J nằm trong đoạn AD thi @.0;< 0 - Do đó có thê viết : U3 _ø _ 2 wo, JA " # da : ` :Ậ ad @ - _ Với cơ cấu hình bình hành, điểm I ra xa vô cùng => 4; =—'=Ï @ ly 3 , 4) Hệ sô năng suat: Lam việc z zk A 2 x in ` =- — Xét cơ cầu 4 khâu bản lê có khâu 3 là Cg 0 Cc, aS Chạy không thanh lắc, nh lac, go gọi “

tự, (thời gian làm việc) = fe2_„c

Trang 12

1.1.2 Một Số Biến Thể Của Cơ Cấu Bến Khau Ban La a) Cơ cấu tay quay con trượt B

-_ Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình; giả sử điểm D lùi xa vô tận theo phương CD Khi đó, phần của khâu 3 lân cận C chuyển động tịnh tiến theo phương yy vuông góc với

CD Cơ cấu bốn khâu bản lễ trở thành cơ cấu tay quay con trượt

(e gọi là độ tâm sai; nếu e=0, ta có cơ cấu tay quay con trượt chính tâm) -_ Điều kiện quay toàn vòng của cơ câu tay quay con trượt 4 3 :

{B;}= dãy của mặt phăng năm trong A¡ và A;

Trang 13

b) Co cau culit quay

Trường hợp cơ cấu tay quay con trượt chính tâm; nếu chọn AB làm giá thì ta có

cơ cấu culit quay

-_ Chuyển động tương đối của khâu 2 đối với khâu 3 là

Trang 14

- Điều kiện quay toàn vòng của khâu 3: lac2 las

- Xét co cau culit quay néu diém B=>o,

khớp B thành khớp tịnh tiễn thì cơ cấu đó

trở thành cơ cấu Tang

BC

- Theo hinh vé ta cé: ¢ 2(9,) Bi =——

néu chon BC=1 => tg(g,) = BC

- Diém P trong hình vẽ là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tương đối giữa khâu

4B

1 va khau 3 Ta co v; = @.——>

cos(ø)

d) Co cau sin

- Néucho diém A cua co cau culit ra xa

vô cùng thì điểm A thành khớp tinh tiến, C12 khâu 2 và khâu 3 chuyển động tịnh tiến 2 ⁄ eo 4 cH ta có cơ cầu Sin 3 | BH | - Theo hinh vẽ ta có: sin(ø)=——— nếu chon BC=1=>sin(g)=BH |

- Diém P là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tương đối giữa khâu 1 và khâu 3:

Trang 15

e) Các cơ cầu khác -_ Cơcấu Elip 3 OM = #cos(g) — (2) (2%) 4 _ 2 2 A Yu = a.sin(g) a b A eq P > Điểm M có quỹ đạo là hình Elip : a a Ứ„ œ.PB PB /Z "cu 777z j 7 Cc D x va B = G ~ PC I: % “2 © Ru ° ~~-4 : b* - — Cơ cầu Ondam

Trang 16

Chương 2:

BÀI TOÁN TỎNG HỢP CƠ CẤU

Thiệt kê cơ câu thường được tiến hành theo các bước sau :

— Chọn lược đỗ cơ cấu

2 Dựa vào các yêu cầu về động học của cơ cấu (chủ yếu là vị trí của các khâu hoặc quỹ đạo chuyển động của điểm thuộc khâu) để xác định kích thước động học của các khâu trong lược đồ đã chọn

3 Tính toán sức bền, xác định kích thước của các tiết diện, bề mặt tiếp xúc của các khâu và các khớp trên khâu

4 Tính toán kiểm nghiệm, xét ảnh hưởng của kết cấu thực đến động học, động lực học của cơ cấu, máy

5 Nghiên cứu về sản xuất, lắp ráp, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, liên quan đến quá

trình sử dụng, vòng đời sản phẩm

6 Trong các bước trên thì bước 2 — Tổng hợp hình học cơ cấu là quan trọng nhất

Chương này đề cập đến vấn đề tổng hợp cơ câu 4 khâu bản lề bằng 2 phương pháp,

phương pháp giải tích và phương pháp đồ họa

2.1 Phương pháp giải tích

Cho cơ cấu 4 khâu bản lề có lược đồ và ký hiệu như hình

Bằng các tính toán hình học ta được kết quả như sau:

b? = e? + a2 + d2 ~2.a.e.cos8.cosø — 2.4.6.sin sin ø —2.a.đ.cosØ +2.c.đd.cosø d a —-b +e +d?

Dat: k= dy =——;k; a ad Cc 5 ac , ta CÓ

Trang 17

k,.cosg+k,.cos6 +k, = cos(Ø —ø);

Với 3 vị trí cho trước của khâu dẫn và khâu bị dẫn, ta được 3 phương trình xác định kạ, kạ, kạ

Giải các phương trình trên ta tìm được các giá trị kụ, kạ, ks cụ thể

Thông thường sẽ chọn trước chiều dài của giá d, từ các giá trị kị, kạ, kạ sẽ tìm được các kích thước động a, b, c Ví dụ: 6, =20° gp, = 35° 6, =35° 9 = 45° 6; = 50” 93 = 60° Giải phương trình trên và chọn d =1, ta có kết qua a=3.66 b=1.02 c=3.57 đ=l

Việc giải các phương trình tìm kị, kạ, k› có thể dùng các máy tính thông thường hoặc lập trình

Nếu bài toán có yêu cầu về điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá thì dùng định lý Grashốp

để kiểm tra điều kiện này

Việc giải bài toán bằng phương pháp giải tích phù hợp với điều kiện cho trước 3 vị trí của khâu

dẫn và khâu bị dẫn

Trang 18

2.2 Tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng phương pháp đồ họa

Trong một số bài toán tổng hop cu thé , có thể giải bằng phương pháp đồ họa

Cỏ sở của việc giải bài toán này là phương pháp qui tích tương giao : muốn tìm một

điểm phải xác định 2 đường chứa nó.Bằng một số phân tích hình học , việc giải bài

toán khá đơn giản Một vài trường hợp thể kết hợp phương pháp này với phương

pháp đổi giá

Chương này trình bày một số bài toán tổng hợp cơ cấu bốn khâu bản lề bằng phương pháp dé họa

2.2.1 Bài toán cho trước 2 vị trí và kích thước của thanh truyền, xác định các kích thước động của các khâu còn lại

THU VIEN TRIG p"YPKT| Tỉ

$( 005308

Trang 19

2.2.2 Bài toán cho trước 3 vị trí và chiều dài của thanh truyền

A? ,

D?

Trang 20

2.2.4 Bai tod ¡ toán cho trước 3 vị trí của 1 đoạn thẳng thuộc thanh truyền và vị trí của 2 bản den hot tet at

Trang 21

Chương 3:

GIẢI BÀI TOÁN TÔNG HỢP CƠ CÁU BÓN KHẨU

BẢN LẺ PHẲNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỎ HỌA

Dựa trên nguyên tắc của bài toán dựng hình, từ các điều kiện đã cho của đầu đề, có thể xác định được trình tự để giải các bài toán ở phần 2.2

3.1 Giải bài toán cho trước 2 vị trí và kích thước của thanh truyền, xác định các kích thước động của các khâu còn lại

Trình tự giải:

1 Ni Bị với Bạ, C¡ với C¿

2 Vì các tâm quay A, B phải nằm trên trung trực của các đoạn thăng B¡B¿, CịC¿ (tâm

của đường tròn phải nằm trên trục trực của dây), nên để xác định A, B ta vẽ các trung

trực của các đoạn B¡Bạ, CịCa rồi lay 2 điểm A, B trên các trung trực này

3 Do dé dai cia cdc doan thing: AB) =, DC; = 5, AB = lo, BC = BoCa = la

4, Nếu kiểm tra điều kiện quay toàn vòng không thỏa, ta có thể gắng thêm 2 khâu để )

được cơ cấu 6 khâu có khâu dẫn nối giá với toàn vòng

Voi cach lam cu thé nhu sau:

_ˆ Chọn điểm E bắt kỳ trên khâu I, từ đó xác dinh E,E2 trên hình vẽ - — Vẽ đường thẳng EiB

- Chọn một điểm F bất kỳ thuộc đường thẳng E¡E

Trang 22

- Kich thuéc FK =/;, KE) = 1,

Trường hợp này khâu 5 FK quay toàn vòng quanh tâm F, thanh AB chuyển động lắc

quanh tâm A và điểm E chuyển động trên cung E;Ea

3.2 Giải bài toán cho trước 3 vị trí và chiều dài của thanh truyền Trình tự giải

Tương tự như bài toán 2 vị trí:

- _ Nối các đoạn thắng BB;, B;Bạ, C¡Cạ, C2C3

- _ Vẽ các trung trực của các đoạn thẳng trên

- Ta có điểm A là giao điểm của trung trực B¡B; và trung trực B;B¿, điểm D

là giao điểm của trung trực C¡C; và trung trực CạC

- _ Nếu khâu dẫn nối gia không thỏa điều kiện quay toàn vòng thì có thể thêm vào 2 khâu tương tự bài toán trên

Trang 23

3.3 Giải bài toán cho trước 2 vị trí của thanh lắc Trình tự giải: 1 2 G3

Nối Eq với Eạ, Et với Fo

Vẽ trung trực các đoạn thang EE, F\F2 Giao điểm của các trung trực này là

tâm D của bản lề nối giá

Bước còn lại tương tự như việc gắn hai khâu vào cơ cấu đã có để thỏa điều

Trang 25

Trình tự giải cụ thể:

1; Vẽ cung tròn tâm E¡ bán kính AEa và cung tròn tâm F), bán kính AF¿ Giao điểm của

hai cung tròn này là A :

Vẽ cung tròn tâm F¡ bán kính BF¿ và cung tròn tâm F, bán kính BF¿ Giao điểm của

hai cung tròn này là B

Vẽ cung tròn tâm E¡ bán kính AEa và eung tròn tâm F¡ bán kính AFs Giao điểm của hai cung tròn này là A”

Vẽ cung tròn tâm E¡ bán kính BE› và cung tròn tâm F¡ bán kính BF3 Giao điểm của

hai cung tròn này là BỶ”

Nối A với A', rồi A' với A?? Dung trung trực của các đoạn thang AA’ va A’A”’ giao điểm hai đường này là điểm G

Nối B với BỶ, rồi B° với Bˆ Dựng trung trực của các đoạn thăng BB' và B°B'', giao điểm hai đường này là điểm H

Cơ cấu cần dụng là AGHB

Trang 27

3.5 Giải bài toán cơ cấu về nhanh

Trong kỹ thuật, người ta quan tâm đến hệ số năng suất hay hệ số về nhanh của cơ cầu tay quay thanh lắc

Khi điểm B chuyển động quay quanh A, ta có 2 vị trí giới hạn là Bị và B;ứng với 2 vị trí tay quay và thanh truyền duỗi thắng hoặc chập lại như hình

Cơ Câu Trở Vẻ Nhanh

Q = tiến / lùi = (180 + 9) /(180 —a), hệ số về nhanh

Khi Q lớn hơn | ta có cơ cầu về nhanh (giai đoạn đi là giai đoạn sinh công có ích

`

nên cần tốc độ chậm để tạo được lực lớn, giai đoạn về không sinh công có ích nên cần '

tốc độ nhanh để tăng năng suât)

, |

B ài toán € án cho trước hệ số về nhanh, góc lắc của thanh Ẹ CD và chiêu dài 7› của thanh

này

Trang 28

Trinh tự giải cụ thé _ Xác định vị trí của bản lề D _ Vẽ hai vị trí DC¡ và DC; (đã v ⁄ biết trước j; và góc @ X4c định góc ơ từ hệ số năng suất Q = (180° + ø)/(180° - ø) c ° cá

._ Vẽ đường thẳng XX” qua Ci /~ we ⁄ ._ Vẽ đường thang YY’ qua C, va A › _ /f

hop voi XX’ | goc a A ⁄4 Xi << ¥ D

- Giao điểm của hai đường XX'

và YY' là tâm bản lễ A

Trang 29

2 Xác định điểm E trên VY" a điểm E trên YY’ sao cho AE = AC), theo tính toán trên thì /; bằng

2/2

Trang 30

CHUONG 4:

GIAI BAI TOAN Vi DU

Bài toán được chọn làm ví dụ là bài toán thuộc nhóm biết trước 3 vị trí của thanh

truyền (ứng với 3 vị trí của vật cần di chuyển)

Bài toán cần xác định vị trí của các bản lề G, H

Bài toán được giải trên cơ sở được ứng dụng phần mềm Geogebra và mô phỏng trên phân mêm này

BAITOAN CHO TRUOC 3 VI TRI CUA 1 DOAN THANG TREN THANH TRUYEN