Định nghĩa và phõn loại mối ghộp then

m  kgvà kớch thước cỏc khõu là lAB 0,1 ,m lBC 0, 4m. Giải bài toỏn ứng với hai vị trớ của khõu dẫn AB là 10,190o

Hỡn h 4.7

Hỡn h 4.8

Chương 5: Cơ cấu khớp loại thấp Giới thiệu

Trong thực tế, cỏc mỏy múc hầu hết đều được cấu thảnh từ một hoặc một số cơ cấu đơn giản hơn. Việc kết hợp nhiều cơ cấu đơn giản để thành cơ cấu phức tạp hơn cú khả năng thực hiện nhiều chuyển động theo quy luật cho trước đó làm phong phỳ thờm về cả số lượng và chủng loại mỏy. Chương 5 sẽ giới thiệu lược đồ động, cụng dụng, và quy luật chuyển động của một số cơ cấu phẳng toàn khớp thấp đơn giản thụng dụng.

Mục tiờu:

+ Trỡnh bày được biến thể của cơ cấu 4 khõu bản lề;

+ Phõn tớch được đặc điểm về quỹ đạo và chuyển vận tốc của cơ cấu 4 khõu bản lề;

+ Phõn tớch được miền tự hóm của tay quay; + Cú ý thức trỏch nhiệm, chủ động học tập.

Nội dung chớnh: 5.1 Khỏi niệm

5.1.1 Định nghĩa và cụng dụng

Định nghĩa: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp là cơ cấu phẳng trong đú khớp

động giữa cỏc khõu là khớp thấp (khớp tịnh tiến loại 5 hay khớp bản lề)

Cụng dụng: Được sử dụng nhiều trong thực tế kỹ thuật, đặc biệt là trong

cỏc cơ cấu biến đổi chuyển động. Vớ dụ:

+ Cơ cấu culớt dựng trong mỏy bào (Hỡnh 5.1)

+ Cơ cấu tay quay - con trượt dựng trong động cơ nổ, mỏy ộp trục khủy, … + Cơ cấu 4 khõu bản lề dựng trong hệ thống giảm chấn của xe đạp, (Hỡnh 5.2)

5.1.2 Ưu nhược điểm

5.1.2.1 Ưu điểm

+ Thành phần tiếp xỳc là mặt nờn ỏp suất tiếp xỳc nhỏ, vỡ vậy độ bền mũn và khả năng truyền lực cao

+ Khụng cẩn cỏc biện phỏp bảo toàn như ở khớp cao

+ Dễ dàng thay đổi kớch thước động của cơ cấu bằng cỏch điều chỉnh khoảng cỏch giữa cỏc bản lề. Việc này khú thực hiện ở cỏc cơ cấu khớp loại cao

Hỡnh 5.1. Cơ cấu culớt

Hỡnh 5.2. Cơ cấu 4 khõu bản lề dựng trong giảm chấn xe đạp

5.1.2.2 Nhược điểm

Việc thiết kế cỏc cơ cấu này theo những điều kiện cho trước rất khú, khú thực hiện chớnh xỏc bất kỳ quy luật chuyển động chớnh xỏc nào.

5.1.3 Cơ cấu bốn khõu bản lề và cỏc biến thể

5.1.3.1 Cơ cấu bốn khõu bản lề

* Sơ đồ động

Cơ cấu 4 khõu bản lề cú 4 khõu được nối với nhau bằng 4 khớp bản lể (Hỡnh 5.3).

+ Khõu 4 cố định được gọi là giỏ + Khõu 2 đối diện với giỏ được gọi là thành truyền

+ Khõu 1,3 được gọi là tay quay. Hai khõu này cú thể quay được toàn vũng hoặc khụng quay được toàn vũng tựy từng cơ cấu cụ thể.

* Ứng dụng : Cơ cấu 4 khõu bản lề

được dựng nhiều trong thực tế. Vớ dụ :

+ Khõu 1 quay, khõu 3 quay: cơ cấu hỡnh bỡnh hành, ... + Khõu 1 quay, khõu 3 lắc: cơ cấu ba – tăng mỏy dệt, ... + Khõu 1 lắc, khõu 3 quay: Cơ cấu bàn đạp mỏy may, ... + Khõu 1 lắc, khõu 3 lắc: Cơ cấu đo vải, ...

5.1.3.2 Cỏc biến thể của cơ cấu bốn khõu bản lề

* Cơ cấu tay quay - con trượt

Cơ cấu 4 khõu bản lề cú khớp D lựi ra ∞ theo phương ⊥AD thỡ được gọi là cơ cấu tay quay - con trượt. Cú hai loại cơ cấu tay quay - con trượt:

- Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm (hỡnh 5.4) - Cơ cấu tay quay - con trượt lệch tõm tõm (Hỡnh 5.5)

Hỡnh 5.3. Sơ đồ động cơ cấu 4 khõu bản lề

* Cơ cấu cu-lớt

Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm cho khõu 1 hoặc khõu 2 làm giỏ thỡ ta được cơ cấu cu-lớt

Hỡnh 5.4. Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm

Hỡnh 5.5 Cơ cấu tay quay - con trượt lệch tõm

Hỡnh 5.7. Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm cho khõu 2 làm giỏ

Hỡnh 5.6. Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm cho khõu 1 làm giỏ

- Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm cho khõu 1 làm giỏ (Hỡnh 5.6) - Cơ cấu tay quay - con trượt chớnh tõm cho khõu 2 làm giỏ (Hỡnh 5.7)

* Cơ cấu tang: Từ cơ cấu cu-lớt, cho khớp B lựi ra ∞ theo phương của

giỏ 1 ta được cơ cấu tang (Hỡnh 5.8)

Hỡnh 5.8. Cơ cấu tang

Hỡnh 5.9. Cơ cấu sin

* Cơ cấu sin

Từ cơ cấu cu-lớt, cho khớp A lựi ra ∞ theo phương của giỏ 1 ta được cơ cấu sin (Hỡnh 5.9)

* Cơ cấu ellipse

Từ cơ cấu sin, đổi khõu 4 làm giỏ ta được cơ cấu ellipse (hỡnh 5.10)

* Cơ cấu Oldham

Từ cơ cấu sin, đổi khõu 2 làm giỏ ta được cơ cấu Oldham (Hỡnh 5.11)

Hỡnh 5.10. Cơ cấu

ellipse

5.2 Đặc điểm chuyển động

Mục tiờu :

- Trỡnh bày định nghĩa tỷ số truyền của hai khõu tựy ý, tỷ số truyền của cơ cấu;

- Viết cụng thức tớnh tỷ số truyền của hai khõu tựy ý, tỷ số truyền của cơ cấu;

- Phỏt biểu được định lý Kennedy, định lý Willi;

- Trỡnh bày được đặc điểm động học cơ cấu 4 khõu bản lề; - Chủ động trong học tập.

5.2.1 Tỷ số truyền

Trong cơ cấu 4 khõu bản lề, khõu dẫn 1 quay đều với vận tốc gúc 1, khõu 2 chuyển động song phẳng với vận tốc gúc 2, khõu bị dẫn 3 quay với vận tốc gúc 3.

- Tỷ số truyền giữa hai khõu tựy ý của một cơ cấu là tỷ số vận tốc gúc giữa hai khõu đú:

1 12 2 i    ,, 2 23 3 i   

- Tỷ số truyền của cơ cấu là tỷ số truyền giữa khõu dẫn và khõu bị dẫn của cơ cấu: 1 13 3 i   

- Định lý Kennedy: Trong cơ cấu 4 khõu bản lề, tõm quay tức thời trong chuyển động tương đối giữa hai khõu đối diện là giao điểm giữa hai đường tõm

Hỡnh 5.12. Cơ cấu 4 khõu bản lề

13 13 13 13 13 13 1 13 3 / / P AP DP P DP AP V l l i V l l     

- Định lý Willi: Trong cơ cấu 4 khõu bản lề, đường tõm thanh truyền chia đường tõm giỏ làm hai đoạn thẳng tỉ lệ nghịch với vận tốc gúc của hai khõu nối giỏ.

5.2.2 Đặc điểm động học cơ cấu 4 khõu bản lề

+ Tỷ số truyền là một đại lượng biến thiờn phụ thuộc vị trớ cơ cấu + P13 chia ngoài đoạn AD  i13 > 0: 1 cựng chiều 3

+ P13 chia trong đoạn AD  i13 < 0: 1 ngược chiều 3

+ Khi tay quay AB và thanh truyền BC duỗi thẳng hay dập nhau, tức P13  A, khõu 3 đang ở vị trị biờn và chuẩn bị đổi chiều quay. (Hỡnh 5.13)

+ Nếu AB = CD, AD = BC: cơ cấu hỡnh bỡnh hành thỡ khõu dẫn và khõu bị dẫn quay cựng chiều và cựng vận tốc (Hỡnh 5.14)

5.2.3 Điều kiện quay toàn vũng của khõu nối giỏ

Xột cơ cấu 4 khõu bản lề (Hỡnh 5.15)

Tưởng tượng khớp quay B được thỏo dời: mỗi thành phần khớp động (B1, B2) được gọi là khớp chờ, mỗi vị trớ của nú gọi là vết chờ. Tập hợp cỏc vị trớ của nú gọi là tập hợp vết chờ.

Tập hợp vết chờ của khõu (1) kớ hiệu {B1} là vũng trũn tõm A, bỏn kớnh AB trong quỏ trỡnh chuyển động. Tập hợp vết chờ của khõu (2) kớ hiệu {B2} là

Hỡnh 5.13. Cơ cấu 4 khõu bản lề (Khi tay quay AB và thanh truyền BC duỗi thẳng)

Hỡnh 5.14. Cơ cấu 4 khõu bản lề (Khi AB = CD,

tập cỏc điểm phủ miền vành khăn tõm D, bỏn kớnh lớn l3l2 và bỏn kớnh nhỏ

3 2

l l .

Muốn cú điều kiện quay toàn vũng của khõu (1) thỡ vết chờ {B1} đi đến đõu vết chờ {B2} cũng phải đến đú, nghĩa là {B1}là tập con của {B2}.

Định lý: Khõu nối giỏ (i) quay được toàn vũng khi và chỉ khi tập hợp vết

chờ {Xi} của nú chứa trong tập hợp vết chờ {Xj} của thanh truyền (j) kề nú.

Cõu hỏi ụn tập

1. Trỡnh bày định nghĩa, cụng dụng, ưu nhược điểm của cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ?

2. Trỡnh bày sơ đồ động và ứng dụng của cơ cấu bốn khõu bản lề ?

3. Vẽ và giải thớch sơ đồ động của cỏc cơ cấu biến thể của cơ cấu bốn khõu bản lề?

4. Trỡnh bày đặc điểm chuyển động của cơ cấu 4 khõu bản lề ?

5. Trỡnh bày điều kiện quay toàn vũng của khõu nối giỏ trong cơ cấu 4 khõu bản lề ?

Chương 6: Cơ cấu khớp loại cao Giới thiệu

Ngoài cỏc cơ cấu toàn khớp thấp như đó giới thiệu ở chương 5, trong thực tế cũn cú thể sử dụng kết hợp cơ cấu khớp thấp với cơ cấu khớp cao để tạo thành mỏy cú những cụng dụng khỏc nhau. Những cơ cấu khớp cao hay được sử dụng là cơ cấu bỏnh răng, cơ cấu cam, cơ cấu cỏc đăng …

Mục tiờu:

+ Phõn tớch được chuyển động cỏc cơ cấu: Cơ cấu cam; Cỏc cơ cấu bỏnh răng; Cơ cấu cỏc đăng;

+ Phõn tớch được điều kiện ăn khớp của bỏnh răng thõn khai; + Phõn tớch được chuyển động của hệ bỏnh răng;

+ Cú ý thức trỏch nhiệm, chủ động học tập.

Nội dung chớnh:

6.1 Khỏi niệm chung

Định nghĩa: Cơ cấu khớp loại cao là cơ cấu trong đú khớp động giữa cỏc

khõu cú ớt nhất một khớp loại cao.

Cụng dụng: Được sử dụng nhiều trong thực tế kỹ thuật: cơ cấu cam, cơ cấu bỏnh răng, cơ cấu cỏc đăng ...

6.2 Cơ cấu cam

Mục tiờu:

- Trỡnh bày được định nghĩa cơ cấu cam, khỏi niệm gúc ỏp lực và ý nghĩa gúc ỏp lực trong cơ cấu cam;

- Nhận biết được cỏc loại cơ cấu cam;

- Phõn tớch được động học cơ cấu cam bằng cỏch lập đồ thị chuyển vị, đồ thị vận tốc, đồ thị gia tốc của cần theo gúc quay của cam;

- Vẽ được đồ thị chuyển vị, đồ thị vận tốc, đồ thị gia tốc của cần theo gúc quay của cam;

- Tuõn thủ đỳng chỡnh tự vẽ đồ thị.

2.1. Định nghĩa và phõn loại 2.1.1 Định nghĩa

Cơ cấu cam là cơ cấu trong đú khõu bị dẫn được nối với khõu dẫn bằng khớp cao và chuyển động của khõu bị dẫn theo qui luật, là do hỡnh dạng tiếp xỳc

trờn khõu dẫn quyết định. Trong cơ cấu cam, khõu bị dẫn được gọi là cần và khõu dẫn là cam.

Vớ dụ: Cơ cấu cam (hỡnh 6.1) Khõu 1 là cam, khõu 2 là cần.

2.1.2. Phõn loại cơ cấu cam

Cơ cấu cam được phõn loại theo ba đặc điểm: chuyển động của cam, chuyển động của cần và tớnh chất tiếp xỳc giữa cần và cam.

Theo chuyển động của cam cú 3 loại: cam chuyển động quay (hỡnh 6.1a), cam chuyển động tịnh tiến (hỡnh 6.1b) và cam chuyển động lắc (hỡnh 6.1d)

Theo chuyển động của cần cú 3 loại: cần chuyển động lắc (hỡnh 6.1a), cần chuyển động tịnh tiến (hỡnh 6.1b) và cần chuyển động song phẳng (hỡnh 6.1c).

Theo tớnh chất tiếp xỳc giữa cần và cam cú 3 loại:

- Cần đỏy bằng (phương của cần tiếp xỳc với biờn dạng cam, hỡnh 6.1a ); - Cần nhọn (phương của cần cắt biờn dạng cam, hỡnh 6.1b);

` A    1 3 2 A 2 1 A   2 1 A a) b) d) c) Hỡnh 6.1 Hỡnh 6.1. Cơ cấu cam

Cơ cấu cam được dựng rộng rói trong cỏc cơ cấu và mỏy tự động như: cơ cấu phõn phối khớ và cơ cấu dịch chuyển thanh răng nhiờn liệu của động cơ đốt trong,vv…

2.2. Phõn tớch động học cơ cấu cam

Phõn tớch động học cơ cấu cam được tiến hành dưới dạng bài toỏn xỏc định qui luật chuyển vị và qui luật biến thiờn vận tốc và gia tốc của cần.

2.2.1. Phương phỏp giải bài toỏn phõn tớch động học cơ cấu cam

Phương phỏp đồ thị động học được sử dụng để giải bài toỏn phõn tớch động học cơ cấu cam. Nội dung của phương phỏp này như sau:

a. Vẽ hoạ đồ chuyển vị cơ cấu, lập đồ thị chuyển vị của khõu bị dẫn (cần), theo thời gian hoặc gúc quay của khõu dẫn (cam).

b. Từ đồ thị chuyển vị của cần, bằng phương phỏp tớch phõn đồ thị suy ra đồ thị biến thiờn của vận tốc và gia tốc của cần, theo thời gian hoặc gúc quay của cam.

2.2.2. Phõn tớch động học cơ cấu cam cần lắc nhọn

Xột cơ cấu cam cần lắc nhọn cú lược đồ động (hỡnh 6.2a).

2.2.2.1. Lập đồ thị chuyển vị của cần theo gúc quay của cam

a. Lập đồ thị chuyển vị của cần bằng phương phỏp chuyển động tuyệt đối; (hỡnh 6.2b)

- Lấy đường OB làm chuẩn để đo gúc lắc  của cần, ứng với vị trớ thấp nhất A0của đầu cần so với tõm cam; tại điểm tiếp xỳc A0

trờn mặt cam, là gúc 0

. Vị trớ của cần hoàn toàn được xỏc định bởi gúc lắc i

của nú, vỡ thế chuyển vị của cần được đo bằng gúc lắc i

. - Để xỏc định chuyển vị gúc i

(i= 1,2,3,….n) của cần, khi cần tiếp xỳc với điểm Ai trờn mặt cam, phải xỏc định được vị trớ Ai tương ứng của đầu cần. Khi cam quay, quĩ đạo ki

của điểm Ai trờn mặt cam là đường trũn tõm O, bỏn kớnh OAi, cũn quĩ đạo g của đầu cần là cung trũn tõm B, bỏn kớnh bằng chiều dài

l của cần.Vị trớ Ai tương ứng của đầu cần là giao điểm của hai quĩ đạo kivà g núi trờn.

AiOAi = i

- là gúc quay tương ứng của cam, AiOA0 = i

OBAi= i

- là gúc chuyển vị của cần.

Đồ thị chuyển vị gúc của cần theo gúc quay của cam; (), được biểu thị trờn hệ trục toạ độ O; trờn trục tung O biểu diễn chuyển vị gúc  của cần, trờn trục hoành O biểu diễn gúc quay  của cam. Xỏc định cỏc điểm I( i

, i

), nối cỏc điểm này lại, ta được đường cong (), (hỡnh 6.3)

- Nhược điểm của phương phỏp chuyển động tuyệt đối là khú cú thể chọn được cỏc điểm Ai

trờn mặt cam, sao cho cỏc gúc i

trờn đồ thị chuyển vị cỏch đều nhau, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tớch phõn đồ thị chuyển vị, để xỏc định qui luật biến thiờn của vận tốc và gia tốc đầu cần.

b. Lập đồ thị chuyển vị của cần bằng phương phỏp chuyển động đổi giỏ

- Cam 1 được coi là đứng yờn; cú nghĩa là cam được đổi thành giỏ. Giỏ 3

 O 3 B l A 1 2 O B l 2 A0 A0 Ai g l  1  ki i i  i Ai a) b)

Hỡnh 6.2. cơ cấu cam cần lắc nhọn

 O       n    

B là một đường trũn, tõm quay O, bỏn kớnh quay OB và được gọi là đường trũn tõm cần.

- Vị trớ của giỏ 3 ứng với mỗi gúc quay i

là Obi. Vỡ trong chuyển động tương đối, đầu cần vẫn luụn tiếp xỳc với mặt cam, cho nờn, nếu lấy Bi làm tõm, quay cỏc cung trũn với bỏn kớnh bằng chiều dàil của cần, thỡ cung trũn này sẽ cắt biờn dạng cam ở những điểm Ai

; đú là những vị trớ tiếp xỳc tương ứng của đầu cần với biờn dạng cam.

- Bằng phương phỏp đổi giỏ, ta cú thể xỏc định được cỏc chuyển vị i

của cần, ứng với những gúc quay i

cỏch đều nhau của cam với i1 - i = n  2 ,

i ( = 1, 2, … n ) là số vị trớ cần xột trong một vũng quay 2 của cam, cú thể lấy

n = 6, 8, 12 … tuỳ mức độ cần thiết. Như vậy điểm Bi là những điểm chia

đều đường trũn tõm cần. - Từ hỡnh 6.4, cú thể nhận thấy:

Khi đầu cần tiếp xỳc với những điểm cú cựng kớch thước với tõm cam, thỡ chuyển vị của cần khụng thay đổi.

- Gúc  là gúc lắc của cần;  = max - min. O    