Chương 8 phân tích lực tĩnh

Chương 8
Phân tích lực tĩnh
Nguyên lý máy
Mục tiêu
Sau khi học xong chương này, sinh viên cần nắm được:
• Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu ở trạng thái tĩnh bằng phương
pháp hoạ đồ véc tơ.
• Phân tích lực tĩnh tác dụng lên cơ cấu trong trường hợp kể hoặc
không kể đến lực ma sát
• Phân tích lực tĩnh cho cơ cấu 4 khâu và cơ cấu 6 khâu.
Nội dung
1. Giới thiệu
2. Phân tích lực tĩnh
3. Phân tích lực tĩnh bằng phương pháp vẽ
4. Nguyên lý cộng tác dụng
5. Phân tích lực khi kể đến ma sát
1. Giới thiệu
“Nguyên lý máy” không chỉ nghiên cứu mối quan hệ giữa hình học và
chuyển động của các bộ phận của cơ cấu và máy, mà còn nghiên cứu
cả các lực tạo ra các chuyển đó.
Hai nội dung chính của môn học Nguyên lý máy:
1. Động học cơ cấu & máy: Nghiên cứu về hình học và chuyển động
của các bộ phận trong máy khi bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng do lực
gây ra. Mục tiêu của phần này là tìm ra quy luật chuyển động của
các bộ phận trong cơ cấu & máy.
2. Động lực học cơ cấu & máy : Nội dụng của phần này là phân tích
các lực và ngẫu lực trên các phận của cơ cấu & máy gây ra bởi các
ngoại lực (phân tích lực tĩnh), cũng như phân tích các lực và mô
men trên các bộ phận của cơ cấu & máy do gia tốc của các bộ phận
gây ra ( phân tích lực động).
1. Giới thiệu

• Các bộ phận(khâu) của cơ cấu được giả thiết là các vật rắn tuyệt đối
cứng là nhằm bỏ qua biến dạng cũng như chuyển vị của (còn gọi là động
lực học vật rắn). Tuy nhiên trong thực tế các bộ phận của cơ cấu đều là
các vật rắn biến dạng. Do vậy, để cơ cấu có thể thực hiện được đúng các
chức năng đã định dưới các lực tác dụng thì các khâu phải được thiết kế
đảm bảo đủ bền.
• Để thiết kế được các bộ phận (khâu) của máy, cơ cấu có đủ độ bền thì
cần phải xác định được các lực, mô men tác dụng lên các khâu đó.
1. Giới thiệu
1. Giới thiệu
Các ngoại lực tác dụng lên cơ cấu đã biết hoặc được giả thiết là đã biết.
Các lực tĩnh:
• Piston trong động cơ: Áp lực tác dụng lên piston có thể đã biết
hoặc được giả thiết
• QRM – Lực cắt.
• Lực sinh ra do lắp ráp
• Lực sinh ra do sự thay đổi nhiệt độ
• Lực va đập
• Lực lò xo
• Đai và puly
• Khối lượng các khâu
1. Giới thiệu
• Ngoài các lực tĩnh, trên cơ còn xuất hiện cả các lực quán tính do gia
tốc của các khâu gây ra, được gọi là các lực động
• Với tốc độ thấp cơ cấu chủ yếu chịu tác dụng của các lực tĩnh, còn
với tốc độ lớn cơ cấu còn chịu tác dụng lớn của các lực động.
Quá trình phân tích này nhằm mục đích xác định các lực truyền từ điểm
này đến điểm khác, mà thực chất là từ điểm đầu vào đến điểm đầu ra.
Đây là bước đầu tiên trong quá trình tính toán độ bền của một bộ
phận/hệ thống, nhằm định ra kích thước cho các bộ phận của cơ

cấu/máy
2. Phân tích lực
Phân tích lực là công việc cần thiết nhằm tránh việc ước lượng sai giá
trị của các lực tác dụng lên các bộ phận của cơ cấu: hoặc ước lượng quá
thấp hoặc ước lượng quá cao.
• Ước lượng quá thấp: Sẽ dẫn đến việc thiết kế các khâu/bộ phận
của cơ cấu không đủ độ bền và sẽ sớm bị phá huỷ.
• Ước lượng quá cao: Các khâu/bộ phận của cơ cấu được thiết kế
quá thừa bền dẫn đến lãng phí vật liệu, kích thước lớn, giá thành
cao và không có tính cạnh tranh.
• Phân tích lực trên cơ cấu bằng phương pháp vẽ sẽ được sử dụng
ở đây bởi vì nó đơn giản và thể hiện được đúng bản chất của vấn
đề, đặc biệt khi phân tích tích các cơ cấu phức tạp. Hơn nữa
phương pháp này áp dụng trực tiếp các phương trình cân bằng
lực để giải bài toán
 Phân tích lực
2. Phân tích lực
 Nguyên tắc chung:
• Một cơ cấu/ máy là một vật thể 3 chiều, có các lực tác dụng hoạt
động theo cả 3 phương
• Để giải được bài toán phân tích lực, tất cả các lực được chiếu lên 3
mặt phẳng vuông góc. Để cân bằng, trên mỗi một mặt phẳng tham
chiếu đó, tổng tất cả các véc tơ lực bằng không đồng thời tổng mô
men của tất cả các lực đối với một trục vuông góc với mặt phẳng đó
hoăc với một điểm trên mặt phẳng đó cũng bằng 0
2. Phân tích lực
Lực là một đại lượng véc tơ, sẽ xác định hoàn toàn khi biết 3 yếu tố:
• Độ lớn
• Phương, chiều
• Điểm đặt

Cách biểu diễn một véc tơ:
• Điểm đặt tại A
• Hợp với mặt phẳng tham chiếu
một góc 60°
• Chiều dài véc tơ thể hiện độ lớn
của lực theo tỉ lệ xích µ
F
[lực/đơn vị chiều dài]
60°
F
A
A
 Nguyên tắc chung:
2. Phân tích lực
Phản lực liên kết tại các khớp động (khớp loại thấp/khớp loại cao) khi
bỏ qua tác dụng của lực ma sát:
23 32
FF= −
     
Khớp bản lề
2. Phân tích lực
Điểm đặt lực tại tâm của khớp
12 21
FF= −
 
Phương của lực luôn vuông góc với phương trượt
Khớp răng (khớp loại cao)
23 32
FF= −
     

2
3
23
F
  
32
F
  
2. Phân tích lực
Trượt trên
 Phương trình cân bằng
Với một vật rắn ở trạng thái cân bằng:
1. Tổng tất cả các lực tác dụng bằng không
2. Tổng mô men của tất cả các lực tác dụng lên một trục bất kỳ bằng
không
Với các cơ cấu phẳng (không gian véc tơ 2 chiều)
2. Phân tích lực
 Các khâu chịu tác dụng của hai lực
2. Phân tích lực
Một khâu chỉ chịu tác dụng của hai lực (không có mô men)
Để khâu cân bằng, hai lực này phải có cùng độ lớn, cùng phương và ngược
chiều nhau
 h = 0
 Các khâu chịu tác dụng của ba lực
Một khâu chỉ chịu tác dụng của ba lực (không có mô men/ ngẫu lực)
Để khâu cân bằng, ba lực này phải là ba lực
đồng quy
2. Phân tích lực
 Two and three-force members
2. Phân tích lực

 Các khâu chịu tác dụng của hai lực và một mô men
Để khâu cân bằng, Hai lực này phải là một
ngẫu lực (hai lực có cùng độ lớn, song song
và ngược chiều nhau), để cân bằng với với
mô men trên khâu
 Các phương pháp phân tích lực
1. Phương pháp hoạ đồ/vẽ (Sẽ được giới thiệu ở chương này)
2. Phương pháp giải tích
3. Phương pháp số
2. Phân tích lực
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ
 Ví dụ 1:
Cho cơ cấu tay quay con trượt như trên hình vẽ, áp suất tác dụng lên piston
4: p = 8 x 10
4
N/m
2
, diện tích tiết diện piston là 0,1 m
2
. Cơ cấu được giữ cân
bằng nhờ mô men T
2
đặt trên khâu 2. Hãy xác định các lực tác dụng lên tất
cả các khâu?
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ
Ví dụ 2. Cho cơ cấu bốn khâu bản lề như trên hình vẽ. Khâu 2 được đẫn động
bằng một mô men M

12
, khâu 4 chịu tác dụng của ngoại lực P = 120 220° lb,
đặt tại điểm Q. xác định các lực tác dụng lên các khâu trong cơ cấu.
3. Phân tích lực bằng phương pháp vẽ