Nguyên Lý Máy chương 1: cấu trúc và phân loại cấu trúc

Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

CHƯƠNG I: CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CƠ CẤU
Nội dung và mục đích của chương:
Mục đích là phân tích cấu trúc (cấu tạo) cơ cấu, phân loại cơ cấu, thể
hiện qua các nội dung chính sau đây:
- Khảo sát cấu tạo, các thành phần của cơ cấu và điều kiện để cơ cấu có
có chuyển động xác định.
- Phân loại cơ cấu theo đặc trưng cấu trúc.
- Nghiên cứu nguyên lý hình thành cơ cấu
- Xây dựng lược đồ cơ cấu
1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản:
1.1.1. Chi tiết máy và khâu
- Chi tiết máy (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. Các chi tiết máy có thể có thể được nối động hay nối cứng với nhau, do
vậy sẽ có chuyển động tương đối với nhau hay khơng.

- Khâu: trong cơ cấu và máy, tồn bộ những bộ phận (nối cứng với
nhau tạo thành vật rắn) có chuyển động tương đối đối so với các bộ phận
khác gọi là khâu.
Như vậy, khâu là đơn vị chuyển động, còn chi tiết máy là đơn vị chế
tạo. Nguyên lý máy xem khâu là thành phần cơ bản.
Tất cả các tiết máy cố định, hợp thành một hệ thống cứng và cố định
gọi là khâu cố định hay giá. Các khâu còn lại là khâu động. Như vậy, bất cứ

Học viện KTQS

1

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

cơ cấu hoặc máy nào đều chỉ gồm một khâu cố định nối với một hay nhiều
khâu động.

- Bậc tự do (btd) của khâu là số khả năng chuyển động độc lập của
khâu
+ Một khả năng chuyển động độc lập đối với một hệ quy chiếu → một
btd
+ khâu tự do trong không gian → 6 btd: Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz
+ khâu tự do trong mặt phẳng → 3 btd: Tx, Ty, Qz

1.1.2. Khớp động và phân loại
- Nối động: Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể để rời nhau mà
phải được liên kết với nhau theo một quy cách xác định nào đó sao cho sau

Học viện KTQS

2

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

khi nối động các khâu vẫn cịn có khả năng chuyển động tương đối với nhau,
đó là nối động các khâu.
- Khớp động: Khớp động là một liên kết động (hình học) của hai khâu
có chuyển động tương đối với nhau (nối động với nhau). Khi nối động, các
khâu sẽ có thành phần tiếp xúc nhau (điểm, đường, mặt). Toàn bộ chỗ tiếp
xúc giữa hai khâu 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. Tính
chất chuyển động giữa các khâu tạo thành khớp phụ thuộc vào thành phần
của khớp.

Khi một khâu được nối động với khâu khác, số btd của khâu sẽ giảm đi.
Số chuyển động tương đối giữa hai khâu bị mất đi r được gọi là số giàng
buộc của khớp động 0 < r < 6. Số chuyển động tương đối độc lập còn lại d
được gọi là số bậc của khớp động 0 < d < 6. Ta có r + d = 6.

Học viện KTQS

3

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

khop loai 5 1a khop thap

- Phân loại khớp động:
+ Theo số btd bị hạn chế r (hoặc d) ta có khớp động loại r hạn chế r btd
(hay có r ràng buộc)
+ Theo dạng tiếp xúc của thành phần khớp:
* Khớp cao: tiếp xúc theo đường, điểm

* Khớp thấp: tiếp xúc theo mặt

Học viện KTQS

4

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

Khớp thấp có ưu điểm là khả năng chịu và truyền tải trọng lớn, lâu mòn
hơn so với khớp cao. Khớp cao có ưu điểm dễ dàng thực hiện các quy luật
chuyển động phức tạp với kết cấu đơn giản hơn các cơ cấu tồn khớp thấp.
+ Theo tính chất chuyển động tương đối giữa hai khâu:
* Khớp động phẳng: các điểm thuộc khâu trong chuyển động
tương đối chuyển động trong cùng một mặt phẳng hoặc trong những mặt
phẳng song song với nhau.
* Khớp động không gian: quỹ đạo chuyển động của các điểm
thuộc khâu trong chuyển động tương đối vạch nên các đường cong khơng
gian.

Như vậy, ta chỉ có khớp phẳng loại 4, (r = 1) và loại 5 (r = 2), chứ
khơng có khớp phẳng loại 1, 2, 3.
- Lược đồ khớp động: Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các khớp
được biểu diễn trên những hình vẽ bằng lược đồ quy ước. Sau đây là một số
khớp thường gặp:
+ Khớp quay và khớp tịnh tiến
+ Khớp cầu

khớp thấp (tiếp xúc mặt) loại 5 (r = 5), phẳng
khớp thấp loại 3 (r =
3), không gian
+ Khớp cam
+ Khớp bánh răng

Học viện KTQS

5

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

khớp cao loại 4 (r = 4), phẳng
phẳng

khớp cao loại 4 (r = 4),

V.v… (SGK)
- Lược đồ khâu: Đó là hình biểu diễn quy ước khâu bao gồm các khớp
động khâu tham gia và kích thước giữa các khớp (kích thước động học) có
ảnh hưởng đến chuyển động của khâu và cơ cấu

Học viện KTQS

6

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

- Chuỗi động: Các khâu nối với nhau bằng các khớp động gọi là chuỗi
động. Chuỗi động được phân thành
+ Chuỗi động kín và chuỗi động hở
+ Chuỗi động phẳng (các khâu trong những mặt phẳng song song) và
chuỗi động không gian.

- Cơ cấu: (theo quan điểm cấu trúc) Cơ cấu là một chuỗi động có một
khâu cố định hay coi như cố định (giá) các khâu cịn lại chuyển động có quy
luật (khâu động).
Phân loại cơ cấu, tương tự như đối với chuỗi động ta có cơ cấu phẳng
và khơng gian. Ngoài ra, tùy theo các dấu hiệu khác nhau, ta có các cách
phân loại khác nhau.
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.1. Định nghĩa: Btd của cơ cấu là số khả năng chuyển động độc lập của

các khâu động đối với giá, hay là số thông số độc lập cần thiết để xác định
hồn tồn vị trí của cơ cấu.
Ký hiệu: W
Những khâu cho trước quy luật chuyển động gọi là khâu dẫn, khâu dẫn
thường nối với giá bằng khớp loại 5. Khi cho trước một quy luật chuyển
động có nghĩa là cho trước một thông số xác định vị trí. Như vậy số btd của
cơ cấu bằng số khâu dẫn.
1.2.2. Cách tính btd:
- Btd của chuỗi động: Chuỗi động không gian gồm k khâu do tất cả các
khớp động từ loại 1 tới loại 5 tạo thành. Khi các khâu chưa liên kết, số btd
của các khâu sẽ là 6k. Gọi pi là số khớp động loại i có trong thành phần của
chuỗi động, số btd mà các khâu bị mất đi do tham ra các khớp động sẽ là
5

 ip

i

. Số btd H của chuỗi động khi đó:

i 1

Học viện KTQS

7

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

H 6k 

Cấu trúc và phân loại cơ cấu
5

 ip

i

6k  ( p1  2 p2  3 p3  4 p4  5 p5 ) 

i 1

(1.1)

6k  p1  2 p2  3 p3  4 p4  5 p5 .

- Btd của cơ cấu: Ta biết rằng, cơ cấu là chuỗi động có một khâu cố
định (giá – thường gọi là khâu 0), nên khi cố định một trong các khâu của
chuỗi động, số khâu động của cơ cấu sẽ là n = (k – 1) khâu. Khi đó số btd W
của cơ cấu, hay btd của chuỗi đối với giá (khâu cố định) sẽ là:
W 6(k  1) 

5

 ip

i

i 1

6n 

5

 ip

i



i 1

(1.2)

6n  p1  2 p2  3 p3  4 p4  5 p5 .

Đây là cơng thức tính btd cho cơ cấu khơng gian. Với cơ cấu phẳng, ta
có
W 3n  ( p4  2 p5 ) 3n  p4  2 p5 .

(1.3)
Ví dụ 1: tính số btd của cơ cấu 4 khâu bản lề (có một khâu là giá – khâu
0):

n = 3, p4 = 0, p5 = 4  W = 3.3 – (0 + 2.4) = 1 btd. (theo công thức
(1.3) cho cơ cấu phẳng). Điều đó có nghĩa, cơ cấu có 1 khả năng chuyển
động độc lập (của các khâu), hay là cơ cấu chỉ cần có 1 thơng số là xác định
được vị trí. Ví dụ, chọn khâu 1 làm khâu dẫn (khâu biết trước quy luật

chuyển động), các khâu 2, 3 có vị trí phụ thuộc hồn tồn vào vị trí khâu 1.
Ví dụ 2: tính số btd của cơ cấu bàn tay máy. Đây là cơ cấu không gian.

n = 5, p1 = 0, p2 = 0, p3 = 0, p4 = 0, p5 = 5  W = 6.5 – 5.5 = 5 btd.

Học viện KTQS

8

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

1.2.3 Bậc tự do thừa, ràng buộc thừa, ràng buộc trùng
Ví dụ 3: Tính btd của cơ cấu (hình bình hành kép):

Đây là cơ cấu phẳng, gồm 4 khâu, 6 khớp loại 5 nên ta có W = 3.4 – 2.6
= 0 !!!
Trên thực tế, cơ cấu này làm việc được (1 btd), điều này có gì mâu
thuẫn khơng?

W=?

W=1

W=–

1
Sự sai khác ở đây chính là có thêm khâu 4 và 2 khớp E, F. Nếu bỏ đi
khâu 4 và 2 khớp E, F khả năng chuyển động của cơ cấu là không đổi. Như
vậy, khâu 4 và 2 khớp E, F không có tác dụng gì trong chuyển động của cơ
cấu 4 khâu bản lề ABCD. Khâu 4 và 2 khớp E, F là thừa trong truyền động
từ khâu 1 đến khâu 3 (nó chỉ có tác dụng làm cứng vững). Khi thêm vào
khâu 4 và 2 khớp E, F, ta có:
- thêm khâu 4  thêm 3 btd
- thêm 2 khớp E, F  thêm 2.2 = 4
 thêm 1 ràng buộc thừa, ký
hiệu là r .
ràng buộc
Như vậy, khi tính btd của cơ cấu ta phải chú ý bỏ đi các ràng buộc thừa.
Ví dụ 4: Tính btd của cơ cấu cam cần đẩy, đáy con lăn:
Đây là cơ cấu phẳng, gồm 3 khâu, 1 khớp loại 4, 3
khớp loại 5 nên ta có W = 3.3 – 1– 2.3 = 2 !!!
Trong thực tế, cơ cấu bên chỉ có 1 bậc tự do vì chuyển
động lăn của con lăn 2 quanh khớp C không ảnh hưởng

Học viện KTQS

9

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

đến chuyển động có ích của cơ cấu (khâu 3 chuyển động lên, xuống) và như
thế nó khơng có ý nghĩa về mặt truyền động từ khâu 1 đến khâu 3 (nó chỉ có
tác dụng làm giảm tổn thất truyền động do ma sát). Vì vậy btd là chuyển
động lăn của con lăn 2 không được kể vào btd của cơ cấu, nó là bậc tự do

thừa (bậc tự do cục bộ), ký hiệu là s. Btd thừa là btd thêm vào mà
mà không làm ảnh hưởng đến chuyển động của cơ cấu. Như vậy, khi tính btd
của cơ cấu ta phải chú ý bỏ đi các bậc tự do thừa.
Ví dụ 5. Tính btd của cơ cấu chêm:

Cơ cấu phẳng gồm 2 khâu, 3 khớp loại 5, nên ta có W = 3.2– 2.3 = 0 !!!
Trong thực tế, cơ cấu bên có 1 bậc tự do. Vấn đề ở đây là có một ràng
buộc trùng tồn tại trong cơ cấu. Xét cơ cấu khi chưa có khớp A (chưa đóng
khớp A), khâu 1 có 2 khả năng chuyển động: T Ox và TOy, khâu 1 khơng có
khả năng chuyển động QOz (bị ràng buộc). Khi có khớp A, khâu 1 có 1 khả
năng chuyển động TOy, khâu 1 khơng có khả năng chuyển động T Ox, và QOz
(bị ràng buộc). Như vậy ở đây có một

ràng buộc trùng QOz, ký

hiệu là R0, có nghĩa là khớp A thay vì nó hạn chế thêm 2 btd mới (xét ở
cơ cấu phẳng), nó chỉ hạn chế được thêm 1 btd mới. Như vậy khi tính btd
cho cơ cấu, ta chú ý bỏ đi các ràng buộc trùng.
Tóm lại, cơng thức tổng qt tính số btd cho cơ cấu phẳng như sau:
W 3n  ( p4  2 p5  r  R0 )  s.
(1.4)
1.2.4. Ý nghĩa bậc tự do của cơ cấu. Khâu dẫn, khâu bị dẫn
Btd của cơ cấu là thơng số độc lập cần để xác định vị trí của cơ cấu.
Những thông số này, trước hết dùng để xác định vị trí của một số khâu. Từ
vị trí các khâu này, tìm ra vị trí các khâu cịn lại của cơ cấu. Cho thơng số

xác định vị trí của cơ cấu biến thiên theo thời gian, tức là cho cơ cấu một
quy luật chuyển động từ bên ngoài. Khâu nhận quy luật chuyển động gọi là
khâu dẫn. Khâu dẫn thường là khâu nối với giá bằng khớp loại 5
Học viện KTQS

10

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

Cơ cấu có bao nhiêu btd thì có bấy nhiêu khâu dẫn. Ngoài khâu cố định
(giá) và các khâu dẫn, các khâu cịn lại là khâu bị dẫn.

1.3. Ngun lý hình thành cơ cấu
1.3.1. Nhóm Axua (nhóm tĩnh định)
- Định nghĩa: Là một chuỗi động phẳng, tối giản, gồm khớp quay và
tịnh tiến, có bậc tự do bằng khơng.
Cơng thức cấu tạo
Wnhóm= 3n – 2p5 = 0
- Xếp hạng nhóm Axua: Ta có n 

2 p5
, với n, p5 là nguyên dương. Từ
3

đó, ta có

n
p5

2
3

4
6

6
9

…
…

Với n = 2, p5 = 3 ta có nhóm Axua hạng 2 (2 khâu, 3 khớp – 1 khớp
trong, 2 khớp chờ). Nhóm này có 5 dạng sau

Với n = 4, p5 = 6 ta có nhóm Axua hạng 3
Học viện KTQS

11

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

Nhóm Axua hạng 4
Các nhóm Axua là chuỗi động tối giản, điều đó có nghĩa, chúng khơng
thể tách thành nhóm đơn giản hơn có bậc tự do bằng khơng.
Khớp của nhóm dùng để nối với những khâu bên ngoài gọi là khớp
chờ. Vì là nhóm tĩnh định, nên khi cố định các khớp chờ, sẽ được một giàn
tĩnh định.
1.3.2. Nguyên lý hình thành cơ cấu
“Bất kỳ cơ cấu nào đều do các khâu dẫn nối với giá bằng khớp loại 5 và
với một hay nhiều nhóm Axua.”
W
=
W
+
(0 + 0 + … + 0)
Cơ cấu có W btd =
W khâu dẫn +
Số nhóm Axua
Ví dụ về cơ cấu 4 khâu bản lề, cơ cấu tay quay con trượt với con trượt
là khâu dẫn.

1.4. Xếp hạng cơ cấu theo cấu trúc
1.4.1. Nguyên tắc xếp hạng cơ cấu
Hạng 1: Giá + khâu dẫn (ví dụ các máy điện, động cơ điện, tua bin…)

Hạng cao hơn 1: Hạng cơ cấu là hạng cao nhất của nhóm Axua có trong
cơ cấu
1.4.2. Nguyên tắc tách nhóm để xếp hạng
- Cho trước khâu dẫn
- Sau khi tách một nhóm ra khỏi cơ cấu, phần còn lại phải là một cơ cấu
hồn chỉnh có số btd khơng đổi

Học viện KTQS

12

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

- Tách các nhóm hạng thấp trước, hạng cao sau, từ xa khâu dẫn đến gần
khâu dẫn
- Nếu trong cơ cấu có khớp loại 4, phải thay thế chúng bằng khớp loại
5.
Các ví dụ
Ví dụ 6: Tính số btd và xếp hạng cơ cấu động cơ diezen, cơ cấu bơm
oxy như hình vẽ dưới đây.
- Với cơ cấu động cơ diezen: n = 7, p5 = 10, p4 = 0, r = 0, R0 = 0, s = 0.
Ta có: W = 3.7 – 2.10 = 1

- Với cơ cấu bơm oxy: n=5 ; p5= 7; p4=0; r=0; S=0; Ro =0. Ta có:
W=5.3 – 7.2=1
Xếp hạng: Chọn khâu 1 làm khâu dẫn, cơ cấu có hạng 2

Học viện KTQS

13

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

Nếu chọn khâu 3 làm khâu dẫn, cơ cấu vẫn có hạng là 2
Nếu chọn khâu 7 làm khâu dẫn, cơ cấu có hạng là 3!!! Như vậy, khi
chọn khâu dẫn khác đi, hạng của cơ cấu có thể khác đi hoặc giữ nguyên.
- Với cơ cấu động bơm oxy: n = 5, p5 = 7, p4 = 0, r = 0, R0 = 0, s = 0.
Ta có: W = 3.5 – 2.7 = 1
Xếp hạng: Chọn khâu 1 làm khâu dẫn, cơ cấu có hạng 3.
Nếu chọn khâu 4 làm khâu dẫn, cơ cấu vẫn có hạng là 2
Nếu chọn khâu 5 làm khâu dẫn, cơ cấu vẫn có hạng là 2

Học viện KTQS

14

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

1.4.3. Thay thế khớp cao bằng khớp thấp
Trong cơ cấu phẳng, thường có khớp cao loại 4 như cơ cấu cam, cơ cấu
bánh răng…Để tách những nhóm tĩnh định như những cơ cấu phẳng toàn

khớp thấp khi xếp hạng cơ cấu, phải thay thế các khớp cao thành những
khớp thấp nhưng vẫn đảm bảo được chuyển động của cơ cấu.

W = 3.2 – (1 + 2.2) = 1 btd

Học viện KTQS

W = 3.3 – (2.4) = 1 btd

15

Trần Ngọc Châu


Nguyên lý máy

Cấu trúc và phân loại cơ cấu

Khi thay thế khớp cao bằng các khớp thấp phải đảm bảo 2 điều kiện
sau:
- Bậc tự do của cơ cấu không đổi
- Quy luật chuyển động của cơ cấu không đổi
Nguyên tắc: Dùng một 1 khâu 2 khớp bản lề và đặt các khớp bản lề tại
tâm cong của các thành phần khớp cao tại điểm tiếp xúc.
Ví dụ 7: Thay thế khớp cao bằng khớp thấp ở cơ cấu cam cần lắc đáy
bằng và cơ cấu bánh răng

Học viện KTQS

16

Trần Ngọc Châu