Bài giảng: Nguyên lý máy - chương 1 doc

CHƯƠNG 1. CẤU TẠO CƠ CẤU-CAÙC KHAÙI
NIEÄM CÔ BAÛN
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ
NGUYÊN LÝ MÁY
NGUYÊN LÝ MÁY


1. Chi tiết m
1. Chi tiết m
á
á
y v
y v
à
à
khâu
khâu


Chi tiết máy
Chi tiết máy
(part): máy hay cơ cấu có thể tháo rời ra thành nhiều
(part): 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
bộ phận khác nhau, bộ phận không thể tháo rời ra được nữa gọi là chi
tiết máy.
tiết máy.
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả

Khâu (link)
Khâu (link)
: trong cơ cấu và máy, tòan bộ những bộ phận có
: trong cơ cấu và máy, tòan bộ những bộ phận có
chuyển động tương đối so với bộ phận khác gọi là khâu.
chuyển động tương đối so với bộ phận khác gọi là khâu.


§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả


2. Thành phần khớp động và khớp động
2. Thành phần khớp động và khớp động
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
-
-
Bậc tự do (DOF) của khâu
Bậc tự do (DOF) của khâu
+ Một khả năng chuyển động độc lập đối với một hệ qui chiếu
+ Một khả năng chuyển động độc lập đối với một hệ qui chiếu


1 btd
1 btd

+ Giữa hai khâu trong mặt phẳng
+ Giữa hai khâu trong mặt phẳng


3 btd:
3 btd:
Tx, Ty
Tx, Ty
,
,
Qz
Qz
+ Giữa hai khâu trong không gian
+ Giữa hai khâu trong không gian


6 btd:
6 btd:
Tx, Ty, Tz
Tx, Ty, Tz
,
,
Qx, Qy, Qz
Qx, Qy, Qz




2. Thành phần khớp động (pair) và khớp động (joint)
2. Thành phần khớp động (pair) và khớp động (joint)

§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
- Nối động (joint): để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể rời nhau
- Nối động (joint): để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể rời nhau
mà phải được liên kết với nhau theo một qui cách xác định nào đó,
mà phải được liên kết với nhau theo một qui cách xác định nào đó,
sao cho khi nối với nhau các khâu vẫn còn khả năng chuyển động
sao cho khi nối với nhau các khâu vẫn còn khả năng chuyển động
tương đối
tương đối




nối động các khâu
nối động các khâu




2. Thành phần khớp động và khớp động
2. Thành phần khớp động và khớp động
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
+ Khi nối động, các khâu sẽ có thành phần tiếp xúc nhau. Tòan bộ
+ Khi nối động, các khâu sẽ có thành phần tiếp xúc nhau. Tòan bộ
chỗ tiếp xúc giữa hai khâu gọi là một thành phần khớp động.
chỗ tiếp xúc giữa hai khâu gọi là một thành phần khớp động.
+ Hai thành phần khớp động trong một ghép nối động hai khâu hình
+ Hai thành phần khớp động trong một ghép nối động hai khâu hình

thành nên một khớp động.
thành nên một khớp động.


3. Phân lọai khớp động
3. Phân lọai khớp động
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
Theo số btd bị hạn chế: Khớp động lọai
Theo số btd bị hạn chế: Khớp động lọai
k
k
->hạn chế
->hạn chế
k
k
btd hay có
btd hay có
k
k
ràng
ràng
buộc
buộc




Theo đặc điểm tiếp xúc
Theo đặc điểm tiếp xúc

+ Khớp cao (High pair-joint): thành phần khớp động là
+ Khớp cao (High pair-joint): thành phần khớp động là
điểm hay đường
điểm hay đường
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
+ Khớp thấp (Lower pair Joint): thành phần khớp động là mặt


4. Lược đồ (Skeleton)
4. Lược đồ (Skeleton)
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
- Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các khớp được biễu diễn trên những
hình vẽ bằng những lược đồ qui ước.


- Các khâu cũng được thể hiện qua các lược đồ đơn giản gọi là lược đồ khâu
- Các khâu cũng được thể hiện qua các lược đồ đơn giản gọi là lược đồ khâu
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
- Trên lược đồ khâu phải thể hiện đầy đủ các khớp chuyển động, các kích
thước có ảnh hưởng đến chuyển động của khâu và chuyển động của cơ cấu.


5. Chuỗi động (Kinematic chain): nhiều khâu nối với nhau tạo thành một chuỗi động
5. Chuỗi động (Kinematic chain): nhiều khâu nối với nhau tạo thành một chuỗi động
- Phân lọai chuỗi động:
- Phân lọai chuỗi động:
+ Chuỗi động kín (closed

+ Chuỗi động kín (closed
+ Chuỗi động hở (open)
+ Chuỗi động hở (open)
+ Chuỗi động phẳng (Planar)
+ Chuỗi động phẳng (Planar)
+ Chuỗi động không gian
+ Chuỗi động không gian


(Spatial)
(Spatial)
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
§1. Đ nh nghĩa và khái ni m c b nị ệ ơ ả
6. Cơ cấu (Mechanism): Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố định và
chuyển động theo qui luật xác định. Khâu cố định được gọi là giá (Base link).
- Phân lọai cơ cấu: tương tự như đối với chuỗi động.


II. Tính bậc tự do của cơ cấu không gian (trường hợp tổng quát)
II. Tính bậc tự do của cơ cấu không gian (trường hợp tổng quát)
W = W
W = W
0
0
– R.
– R.
Trong đó:
Trong đó:
W
W

0
0
– bậc tự do tổng cộng của các khâu động nếu để rời
– bậc tự do tổng cộng của các khâu động nếu để rời
R – số ràng buộc của tất cả khớp động trong cơ cấu
R – số ràng buộc của tất cả khớp động trong cơ cấu
W – bậc tự do của cơ cấu
W – bậc tự do của cơ cấu
1.
1.
Số bậc tự do trong cơ cấu
Số bậc tự do trong cơ cấu
1 khâu để rời trong không gian có 6 btd
1 khâu để rời trong không gian có 6 btd


btd tổng cộng của
btd tổng cộng của
n
n
khâu động là
khâu động là
W
W
0
0
= 6n
= 6n
2. Số ràng buộc chứa trong cơ cấu
2. Số ràng buộc chứa trong cơ cấu

Khớp lọai
Khớp lọai
k
k
hạn chế
hạn chế
k
k
bậc tự do. Nếu gọi
bậc tự do. Nếu gọi
p
p
k
k
là số khớp lọai
là số khớp lọai
k
k
chứa trong cơ cấu
chứa trong cơ cấu


tổng các ràng buộc do
tổng các ràng buộc do
p
p
k
k
khớp lọai
khớp lọai

k
k
gây nên là
gây nên là
p
p
k.
k.
k
k
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
I. Định nghĩa
-
Bậc tự do (btd) của cơ cấu là thông số độc lập cần thiết để xác định hòan tòan vị
trí của cơ cấu, nó cũng là số khả năng cđ tương đối độc lập của cơ cấu đó.
Trong thực tế số ràng buộc thường nhỏ hơn giá trị trên vì
Trong thực tế số ràng buộc thường nhỏ hơn giá trị trên vì
trong cơ cấu tồn tại các ràng buộc trùng.
trong cơ cấu tồn tại các ràng buộc trùng.
5
1
k
k
R p k
=
=
∑

§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
Ví dụ: Xét cơ cấu 4 khâu bản lề
+ Ràng buộc trực tiếp: ràng buộc giữa hai khâu do khớp nối trực tiếp giữa hai
khâu đó được gọi là ràng buộc trực tiếp.
+ Ràng buộc gián tiếp: nếu tháo khớp A, giữa khâu 1 và 4 có ràng buộc gián tiếp
+ Ràng buộc trùng: nối khâu 1 và 4 bằng khớp A, giữa chúng có ràng buộc trực
tiếp sau
 3 ràng buộc trùng. Ràng buộc trùng chỉ xảy ra ở khớp đóng kín của cơ cấu.
Gọi R
0
là số ràng buộc trùng  tổng số ràng buộc trong cơ cấu:
5
0
1
k
k
R kp R
=
= −
∑


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
3. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian
6
k 0
k=1
W=6n- kp R

 
−
 ÷
 
∑
Ví dụ: Tính bậc tự do của cơ cấu 4 khâu bản lề
Số khâu động n = 3
Số khớp lọai 5 p
5
= 4
Số ràng buộc trùng R
0
= 3
 Bậc tự do của cơ cấu
W = 6x3-(5x4-3) = 1 btd
Ví dụ: Tính bậc tự do của cơ cấu bàn tay máy


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
III. Bậc tự do của cơ cấu phẳng
1. Số bậc tự do trong cơ cấu
1 khâu để rời có 3 btd  số btd tổng cộng của n khâu động: W
0
= 3n
2. Số ràng buộc chứa trong cơ cấu
Cơ cấu phẳng có hai lọai khớp: - khớp lọai 4 chứa 1 ràng buộc
- khớp lọai 5 chứa 2 ràng buộc
 tổng số ràng buộc trong cơ cấu: R = 1p
4

+ 2p
5
– R
0
Ví dụ: Tính bậc tự do của cơ cấu chêm như hình vẽ


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
- Cơ cấu tòan khớp lọai 5 với n = 2, p5 = 3
- Chọn hệ qui chiếu gắn với giá


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
Ví dụ: Tính bậc tự do của cơ cấu hình bình hành
Cơ cấu tòan khớp lọai 5 với: n = 4, k = 5, p
k
= 6
-
Bậc tự do của cơ cấu là
W=3x4 – (2x6) = 0 btd
-
Trên thực tế cơ cấu này làm việc được  điều này có gì mâu thuẫn không ?


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
- Chú ý khâu 5 không có tác dụng gì trong chuyển động của cơ cấu ABCD
- Nếu bỏ khâu 5 ra, cơ cấu thành cơ cấu 4 khâu bản lề với btd bằng 1

-
Khi thêm khâu 5 và 2 khớp E, F vào
+ thêm khâu 5 (EF)  thêm 3 bậc tự do
+ thêm 2 khớp lọai 5 (E, F)  thêm 4 ràng buộc
 thêm 1 ràng buộc
Gọi r là số ràng buộc thừa có trong cơ cấu, btd của cơ cấu phẳng
W = 3n – (2p5 + p4 - r)
Trong cơ cấu hình bình hành ở trên, r = 1 và W = 3x4 – (2x6-1) = 1 btd


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
Ví dụ : Tính bậc tự do của cơ cấu cam cần đẩy đáy con lăn
- Trong thực tế cơ cấu trên chỉ có 1 btd vì chuyển động lăn của con lăn 2 quanh
khớp B không ảnh hưởng đến chuyển động có ích của cơ cấu nên không được kể
vào bậc tự do của cơ cấu.
- Btd thêm vào mà không làm ảnh hưởng đến chuyển động của cơ cấu gọi là btd
thừa, kí hiệu là s
- Trở lại cơ cấu cam ở trên W = 3x3 – (2x3+1-0) – 1 = 1 btd


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
Tóm lại công thức tính btd
- đối với cơ cấu không gian
5
k 0
1
W=6n- kp
k

R
=
 
−
 ÷
 
∑
- đối với cơ cấu phảng trừ cơ cấu chêm
( )
5 4
W=3n- 2p p r s
+ − −
Với n: số khâu động k: lọai khớp động p
k
: số khớp lọai k
R
0
: số ràng buộc trùng r: số ràng buộc tru`ng s: số btd thừa


§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
§2. B c t do c a c c uậ ự ủ ơ ấ
IV. Ý nghĩa của bậc tự do – Khâu dẫn và khâu bị dẫn


§3. Nhóm tĩnh đ nhị
§3. Nhóm tĩnh đ nhị
I. Nguyên lý tạo thành cơ cấu
Một cơ cấu có W btd là cơ cấu được tạo thành bởi W khâu dẫn và những
nhóm

có btd bằng zero
W = W + 0 + … + 0
Khâu dẫn nhóm có btd = 0
II. Nhóm tĩnh định
Nhóm tĩnh định là những nhóm cân bằng hay chuyển động, có bậc tự do bằng
zero và phải tối giản (tức là không thể chia thành những nhóm nhỏ hơn được nữa)
Đối với nhóm tĩnh định tòan khớp thấp


§3. Nhóm tĩnh đ nhị
§3. Nhóm tĩnh đ nhị
III. Nguyên tắc tách nhóm tĩnh định
Khi tách nhóm tĩnh định phải theo nguyên tắc sau
+ Chọn trước khâu dẫn và giá
+ Sau khi tách nhóm, phần còn lại phải là một cơ cấu hòan chỉnh hoặc khâu
dẫn
+ Tách những nhóm ở xa khâu dẫn trước rồi dần đến những nhóm ở gần hơn
+ Khi tách nhóm, thử tách những nhóm đơn giản trước, nhóm phức tạp sau
Ví dụ: Tách nhóm tĩnh định cơ cấu động cơ diezen, cơ cấu bơm động cơ oxy


§3. Nhóm tĩnh đ nhị
§3. Nhóm tĩnh đ nhị
III. Nguyên tắc tách nhóm tĩnh định


§3. Nhóm tĩnh đ nhị
§3. Nhóm tĩnh đ nhị
III. Nguyên tắc tách nhóm tĩnh định