Bài giảng nguyên lý máy - Chương 1 pptx

Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 4 -
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.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 5 -
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:
- Tònh tiến theo ba trục
OzOyOx ,, :
x
T ,
y
T ,
z
T
- Quay quanh ba trục
OzOyOx ,,
:
x
Q ,
y
Q
,
z
Q
 Giữa hai khâu để rời trong mặt phẳng có 3 bậc tự do:
- Tònh tiến theo hai trục
OyOx, :
x
T ,
y
T
- Quay quanh trục
Oz :
z
Q

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 đònh 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 bò khớp động làm mất đi được gọi là số ràng buộc.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 6 -
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
A
B

y
x
z
O
A
B

d) e) f)
Hình 1.4
- Khớp trên H.1.4a là khớp loại 1 vì hạn chế 1 chuyển động:
y
T .
- Khớp trên H.1.4b là khớp loại 2 vì hạn chế 2 chuyển động:
y
T
,
x
Q .
- Khớp trên H.1.4c là khớp cầu loại 3 vì hạn chế 3 chuyển động:
x
T ,
y
T ,
z
T .

- Khớp trên H.1.4d là khớp trụ loại 4 vì hạn chế 4 chuyển động:
y
T
,
z
T
,
y
Q
,
z
Q
.
- Khớp trên H.1.4e là khớp bản lề loại 5 vì hạn chế 5 chuyển động:
x
T
,
y
T
,
z
T
,
x
Q
,
y
Q
.
- Khớp trên H.1.4f là khớp vít cho phép 2 chuyển động

x
T ,
x
Q , nhưng 2 chuyển động
này không độc lập với nhau, tức là chỉ còn 1 chuyển động độc lập (hoặc
x
T hoặc
x
Q ),
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).
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 7 -
4. LƯC 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
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 8 -
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

a) b)
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).
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 9 -
1
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:
 Đònh nghóa khác về cơ cấu: Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố đònh và chuyển
động theo qui luật xác đònh. Khâu cố đònh 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
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 10 -

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 đònh hoàn toàn vò 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 HP TỔNG QUÁT)
Gọi
0
W

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:

RWW
−
=
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:

nW 6
0
=
(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 bò 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).


Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 11 -
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
1

2
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 tònh 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
DCB ,,
. 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 tònh tiến theo phương
Oz .
(2) Không thể quay quanh trục Ox .
(3) Không thể quay quanh trục

Oy
.
(4) Không thể tònh tiến theo phương
Ox .
(5) Không thể tònh tiến theo phương
Oy
.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 12 -
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 bò hạn chế thì khớp loại
k hạn chế
k
bậc tự do. Nếu gọi
k
p
là số khớp loại
k
chứa trong cơ cấu thì tổng các ràng buộc
do
k
p

khớp loại k gây nên sẽ là
k
pk
. Số ràng buộc trong cơ cấu bằng tổng các ràng
buộc ở tất cả các khớp trừ đi số ràng buộc trùng
0
R ở các khớp khép kín, nghóa là:

0
5
1
RpkR
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
RpknW (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:
3
=
n
Số khớp loại 5 (
5=k ):
4
5
=
p

Số ràng buộc trùng:
3
0
=
R

Vậy bậc tự do của cơ cấu tính theo công thức (1.2) bằng:
1)345(36
=
−
×−×=W
.

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:

nW 3
0
=
(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
4
p
khớp loại 4 là
4
1p
. Mỗi khớp loại 5 trong mặt
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 13 -
phẳng có thêm 2 ràng buộc nên số ràng buộc của
5
p
khớp loại 5 là
5
2p
. Do đó tổng số
ràng buộc của các khớp trong cơ cấu phẳng là (
54
2pp
+
).
- Trong tất cả các cơ cấu phẳng, chỉ có duy nhất cơ cấu chêm (hình 1.14) là có ràng buộc
trùng (
1
0
=R ), 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:
54
2ppR
+
=
(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(3

54
ppnW
+
−
=
(1.3)
Chú ý:

5
p
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:
2
=
n ,
3
5
=
p
. Để xác đònh 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) Tònh tiến theo phương
Ox .
(2) Tònh tiến theo phương
Oy
.
(3) Không thể quay quanh trục
Oz

⇒
ràng buộc.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 14 -
- Sau khi đóng khớp
A
(hình 1.14b), khâu 1 có các khả năng chuyển động tương đối sau:
(1) Không thể tònh tiến theo phương
Ox
⇒
ràng buộc.
(2) Tònh 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 bò hạn
chế trước khi đóng khớp
A
. Như vậy, cơ cấu chêm có 1 ràng buộc trùng (
1
0

=R
). Do đó,
bậc tự do của cơ cấu chêm là:
1)132(23
=
−
×
−
×
=
W
.

Ví dụ 2:
Tính bậc tự do của cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 1.13a.
Ta thấy: Số khâu động:
3
=
n
Số khớp loại 5 (
5=k ):
4
5
=
p

Vậy bậc tự do của cơ cấu tính theo công thức (1.3) bằng:
1)42(33
=
×−×=W

.
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:
EFCDAB
lll
=
= ;
AFBE
ll
=
;
DFCE
ll
=

A
B
E
F
1
ω
3
ω
C
D
5
4
1

2
3


Hình 1.15

- Trong quá trình chuyển động các hình
ABCD
và
A
BE
F
luôn luôn là hình bình hành.
- Cơ cấu toàn khớp loại 5 với:
4
=
n , 5
=
k , 6
5
=
p . Bậc tự do của cơ cấu là:
0)62(43 =×−×=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
FE, ) 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. Nghóa là về phương
diện khả năng chuyển động thì việc thêm khâu 5 (cùng hai khớp
FE, ) là thừa. Việc thêm
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 15 -
khâu 5 (cùng hai khớp
FE,
) làm cho bậc tự do tăng thêm. Khi thêm khâu 5 (cùng hai
khớp
FE, ) 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(3
45
rppnW
−
+
−
=

(1.4)

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


1)1062(43
=
−
+
×
−
×
=
W : 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 :
3=n
Số khớp loại 4 :
1
4
=p (khớp
B
)
Số khớp loại 5 :
3
5
=p (các khớp DCA ,, )
Số ràng buộc thừa :
0=r
Bậc tự do của cơ cấu tính theo (1.4) là:
2)0132(33 =
−
+
×
−
×
=
W
.

Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 16 -
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:

11)0132(33
=
−
−
+
×
−
×
=
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:

srRkpnW
k
k
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−−=
∑
=
5
1
0
6 (1.5)
 Đối với cơ cấu phẳng (trừ cơ cấu chêm):
srppnW
−
−
+
−
=

)2(3
45
(1.6)
trong đó,
n : số khâu động

k : loại khớp động

k
p : số khớp loại k

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

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

0
R : 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 nghóa 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
ϕ
4
ϕ
1
2
3
4
5

a) b)
Hình 1.17
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 17 -
- Cơ cấu bốn khâu bản lề có 1 bậc tự do (
14233
=
×
−
×
=
W
) nên:
• Chỉ cần 1 thông số độc lập (giả sử là góc
1
ϕ
của khâu 1) để xác đònh hoàn toàn vò
trí của cơ cấu.
• Cơ cấu chỉ có 1 khả năng chuyển động độc lập (khâu 1 quay quanh
A
), nếu dừng
chuyển động này thì cơ cấu sẽ cố đònh.
• Nếu cho trước qui luật thay đổi của
1
ϕ
(theo thời gian) thì qui luật thay đổi vò trí cơ
cấu (theo thời gian) hoàn toàn xác đònh, nghóa là nếu cho trước một qui luật chuyển
động của một khâu nào đó thì qui luật chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác đònh.

- Cơ cấu năm khâu bản lề có 2 bậc tự do (
2)52(43

=
×
−
×
=
W ) nên:
• Cần 2 thông số độc lập (giả sử là góc
1
ϕ
của khâu 1 và góc
4
ϕ
của khâu 4) để
xác đònh hoàn toàn vò trí của cơ cấu.
• Cơ cấu có 2 khả năng chuyển động độc lập (khâu 1 quay quanh
A
và khâu 4 quay
quanh
E
), nên khi cả 2 chuyển động này đều dừng thì cơ cấu sẽ cố đònh.
• Nếu cho trước qui luật thay đổi của
1
ϕ
và
4
ϕ
(theo thời gian) thì qui luật thay đổi
vò trí cơ cấu (theo thời gian) hoàn toàn xác đònh, nghóa là nếu cho trước 2 qui luật
chuyển động của hai khâu nào đó thì qui luật chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác
đònh.

- Như vậy, để cơ cấu có chuyển động xác đònh thì số qui luật chuyển động độc lập cần biết
trước phải bằng số bậc tự do của cơ cấu đó.

b. Khâu dẫn và khâu bò dẫn
Khâu có qui luật chuyển động cho trước gọi là khâu dẫn, các khâu động còn lại gọi là
khâu bò dẫn. Thông thường khâu dẫn là khâu được nối với giá bằng một khớp bản lề, nên
mỗi khâu dẫn chỉ ứng với một qui luật chuyển động cho trước. Do đó, để cơ cấu có chuyển
động xác đònh thì số khâu dẫn phải bằng số bậc tự do.

1.3. NHÓM TĨNH ĐỊNH
1. NHÓM TĨNH ĐỊNH
- Cơ cấu có
W bậc tự do bao gồm W khâu dẫn và những nhóm có bậc tự do bằng không.
43421
L
321
00 +++= WW
khâu dẫn nhóm có btd=0

- Nhóm tónh đònh là những nhóm có bậc tự do bằng không và phải tối giản (tức là không thể
chia thành những nhóm nhỏ hơn được nữa).
- Đối với cơ cấu phẳng chỉ chứa toàn khớp thấp, điều kiện thỏa mãn nhóm tónh đònh là:

Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 18 -
023
5nhom

=
−
=
pnW (1.7)


n
5
p
246
L
369
L
⇒


Những nhóm tónh đònh toàn khớp thấp (còn gọi là nhóm A-xua) là những nhóm: 2 khâu 3
khớp, 4 khâu 6 khớp, 6 khâu 9 khớp, …

2. NGUYÊN TẮC TÁCH NHÓM
Khi tách nhóm tónh đònh, ta phải tuân theo các nguyên tắc sau:
 Khi tách, phải biết trước khâu dẫn. Khâu dẫn và giá không phụ thuộc các nhóm.
 Những khâu và khớp trong một nhóm phải thỏa mãn điều kiện (1.7); khớp bò tách ra
được coi là ở nhóm vừa tách ra.
 Sau khi tách nhóm ra khỏi cơ cấu, phần còn lại phải là cơ cấu hoàn chỉnh hoặc là còn
lại khâu dẫn nối với giá. Như vậy, phải tách những nhóm ở xa khâu dẫn trước rồi dần
đến những nhóm ở gần khâu dẫn.
 Khi tách nhóm, thử tách nhóm đơn giản trước, nếu không được (vi phạm các nguyên
tắc trên) mới tách nhóm phức tạp hơn.

Ví dụ 5:
Tách nhóm tónh đònh cơ cấu bơm oxy như hình 1.18.
Ta có thể tách nhóm như sau: cơ cấu gồm giá, 1 khâu dẫn và 1 nhóm tónh đònh:
- Nhóm gồm bốn khâu (5, 4, 3, 2) và sáu khớp (
BCDEFG ,,,,, ).
- Khâu dẫn là khâu 1.

A
B
C
D
E
F
G
1
2
4
3
5
1
ω
B
C
D
E
F
G
2
4
3

5
A
1
1
ω

Hình 1.18

Ta không thể tách nhóm như hình 1.19 và hình 1.20:
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 19 -

A
B
C
D
E
F
G
1
2
4
3
5
1
ω
A

B
C
1
2
1
ω
C
D
F
G
4
3
D
E
5

Hình 1.19
A
B
C
D
E
F
G
1
2
4
3
5
1

ω
C
D
E
F
3
5
F
G
4
A
B
C
1
2
1
ω

Hình 1.20

Ví dụ 6:
Tách nhóm tónh đònh cơ cấu động cơ Diezel như hình 1.21.
Ta có thể tách nhóm như sau: cơ cấu gồm giá, 1 khâu dẫn và 3 nhóm tónh đònh:
- Nhóm 1 gồm hai khâu (7, 6) và ba khớp (
HIJ ,, ).
- Nhóm 2 gồm hai khâu (5, 4) và ba khớp (
EFG ,, ).
- Nhóm 3 gồm hai khâu (3, 2) và ba khớp (
BCD ,, ).
- Khâu dẫn là khâu 1.

H
I
J
6
7
E
F
G
H
54
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
1
ω
4 5
6
7
3
1
2
A
B

C
D
E
F
G
H
1
ω
4 5
3
1
2
A
B
C
D
E
1
ω
3
1
2
C
D
E
3
2
B
A
B

1
ω
1

Hình 1.21
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 20 -
3. XẾP LOẠI NHÓM
- Nhóm chứa 2 khâu 3 khớp thấp được gọi là nhóm loại 2.

Ví dụ: Các nhóm loại 2 như hình 1.22.
A
B
C
1
2

A
1
C
B
2

a) b)
Hình 1.22

- Nhóm trong đó có những khâu (gọi là khâu cơ sở) nối với các khâu khác trong nhóm bằng 3

khớp động được gọi là nhóm loại 3.
Ví dụ:
Nhóm loại 3 trong cơ cấu bơm ôxy (hình 1.18) với khâu 3 là khâu cơ sở. Nhóm
gồm 6 khâu 9 khớp (khâu 2, khâu 4 là những khâu cơ sở) trên hình 1.23 là nhóm loại 3.
1
2
3
5
4
6

Hình 1.23

- Những nhóm có ít nhất một chuỗi động kín thì loại nhóm là số cạnh của chuỗi động kín đơn
cao nhất trong nhóm đó. Chuỗi động kín đơn là chuỗi động kín không chứa chuỗi động nào
khác trong nó.
Ví dụ: Nhóm trên hình 1.24a là những nhóm loại 4 vì số cạnh của chuỗi động kín đơn là
4. Nhóm trên hình 1.24b là nhóm loại 5.

a) b)
Hình 1.24
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 21 -
4. XẾP LOẠI CƠ CẤU
- Cơ cấu loại 1 là cơ cấu chỉ gồm khâu dẫn nối với giá bằng khớp bản lề như máy điện, tua-
bin, máy bơm, … Như vậy cơ cấu loại 1 không chứa một nhóm tónh đònh nào cả.
- Cơ cấu có chứa nhóm tónh đònh thì loại (hay hạng) của cơ cấu là loại cao nhất của các nhóm

có trong cơ cấu đó.
Ví dụ:
Các cơ cấu trên hình 1.17a, hình 1.17b, hình 1.21 là các cơ cấu loại 2. Cơ cấu
trên hình 1.18 là cơ cấu loại 3.


1.4. THAY THẾ KHỚP CAO BẰNG KHỚP THẤP
- Trong cơ cấu phẳng thường có khớp cao loại 4, để tách thành những nhóm tónh đònh như
những cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ta phải thay thế khớp cao này bằng những khớp thấp,
nhưng vẫn đảm bảo được chuyển động của cơ cấu.

A
B
1
O
2
O
1
r
2
r
C
1
23
1
ω
2
ω

A

B
1
O
2
O
1
2
3
1
ω
2


a) b)
Hình 1.25

- Xét cơ cấu có khớp cao như hình 1.25a. Cơ cấu gồm đóa 1 có là tâm
A
, bán kính
1
r và đóa 2
có tâm là
B
, bán kính
2
r . Đóa 1 quay quanh
1
O đẩy đóa 2 quay quanh
2
O nhờ sự tiếp xúc

giữa 1 và 2 ở khớp cao
C . Trong quá trình cơ cấu chuyển động, hai tâm
A
và
B
có các
tính chất sau:
 Hai tâm
A
và B luôn cách nhau một khoảng cố đònh
21
rrl
+
=
.
 Chuyển động tương đối của
A
so với
B
là chuyển động quay quanh
B
và ngược
lại chuyển động tương đối của
B
so với
A
là chuyển động quay quanh
A
.
 Đường

A
B luôn là pháp tuyến chung của 2 thành phần khớp cao tại chỗ tiếp xúc C .

- Nếu ta đặt tại hai tâm
A
và
B
hai khớp bản lề và nối chúng lại với nhau bằng một khâu 3
có chiều dài bằng
21
rrl +=
thì cơ cấu vẫn chuyển động như trước.
- Như vậy, tính chất chuyển động của cơ cấu không thay đổi khi thêm một khâu với hai khớp
thấp tức là khi thêm một ràng buộc
⇒ cơ cấu có thêm một ràng buộc thừa. Lúc này, để
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 22 -
bậc tự do của cơ cấu không đổi, ta phải bỏ đi khớp cao ở
C
và nhận được cơ cấu bốn khâu
bản lề
21
ABOO (chứa toàn khớp thấp) như hình 1.25b.
- Bậc tự do của cơ cấu trước khi thay thế:

1)221(23
=

×
+
−
×
=
W
và sau khi thay thế:


1)42(33
=
×
−
×
=
W
- Khi thay thế khớp cao bằng khớp thấp, phải đảm bảo 2 điều kiện:
 Bậc tự do của cơ cấu không thay đổi.
 Qui luật chuyển động không đổi.
Nguyên tắc là dùng một khâu với hai khớp bản lề, đặt các bản lề tại tâm cong của các
thành phần khớp cao.

- Trường hợp tổng quát, nếu đóa 1 và đóa 2 không tròn mà cong bất kỳ thì tại vò trí đang xét,
có thể thay đường cong bằng đường tròn mật tiếp. Do đó, việc thay thế khớp cao có thể áp
dụng cho bất kỳ khớp cao nào và cơ cấu thay thế có giá trò tức thời, tức là kích thước động
của cơ cấu ứng với từng vò trí nhất đònh của cơ cấu (có khớp cao) được thay thế.

Ví dụ 7:
Trên hình 1.26a là cơ cấu cam có khớp cao tại C được thay bằng khớp thấp như
hình 1.26b. Khớp cao tại

C
được thay bằng khâu 3 với khớp bản lề tại
A
và khớp trượt B.
A
là tâm cong của biên dạng cam tại điểm tiếp xúc C . Biên dạng của cần 2 tại điểm tiếp
xúc
C là thẳng nên tâm cong
B
ở vô cùng, tức là khớp quay
B
ở vô cùng chính là khớp
tònh tiến
B
(ở gần).
1
ω
C
1
O
2
O
21

1
ω
1
O
2
O

A
B
3
2
1
∞
B

a) b)
Hình 1.26

- Sự thay thế khớp cao bằng khớp thấp không phải chỉ để xem xét nhóm tónh đònh mà việc
phân tích động học cơ cấu thay thế cho biết cả về đònh tính cũng như đònh lượng của cơ cấu
thay thế tại vò trí đang xem xét.