Chương 9 phân tích lực động

Chương 9
Phân tích lực động
Nguyên lý máy
Mục tiêu
Sau khi học xong chương này, sinh viên cần nắm được:
• Xác định các tải trọng tác dụng lên từng khâu trong cơ cấu
• Xác định lực tại các khớp động
• Xác định mô men cân bằng trên khâu dẫn để tạo ra chuyển động
của cơ cấu theo yêu cầu cụ thể.
Các nội dung chính
1. Giới thiệu
2. Trọng tâm và khối tâm
3. Mô men quán tính và mô men quán tính ly tâm
4. Lực quán tính và nguyên lý D’alembert
5. Phương pháp đồ thị
6. Khâu chuyển động quay quanh 1 trục cố định
7. Lực rung và mômen rung
Tại sao phải phân tích áp lực?
1. Giới thiệu
Mục tiêu chính
Thiết kế cơ cấu
Xác định các bộ phận sẽ
hỏng trong quá trình làm
việc
Phân tích ứng suất và chuyển vị
của các khâu
Xác định các tải trọng (lực
mômen) tác dụng lên các khâu
* Các thông số cần thiết cho quá trình phân tích lực động :
- Gia tốc góc của các khâu (
α

)
- Gia tốc dài của khối tâm tất cả các khâu (A
CM
)
- Khối lượng các khâu
- Mô men quán tính khối tâm của các khâu I
CM
- Ngoại lực và mômen
* Giả thiết các thông số này đã biết hoặc có thể xác định được
thông qua việc giải các bài toán ở chương trước
1. Giới thiệu
1. Giới thiệu
Các thông số cần thiết để phân tích lực động
Phân tích chuyển vị
Phân tích vận tốc
Gia tốc góc các khâu α
A
CM
của các khâu
Phân tích
lực
Ngoại lực và
mô men
Khối lượng các khâu
I
CM
của các khâu
2. Tâm và khối tâm
Phân tích lực động: Cáclực động sinh ra bởi gia tốc khối tâm.
Hình (a) thể hiện một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn có gia tốc

hướng tâm  chịu lực quán tính ly tâm. Lực này ngược chiều với gia
tốc hướng tâm và tạo ra áp lực tại khớp quay.
Trên hình (b) thể hiện một trục quay với một khối lượng lệch tâm
ω =
const
Cần
Lực ly tâm
Vận tốc góc
không đổi
Lực ly tâm
Vật quay
Khối tâm
2. Trọng tâm và khối tâm
 Trọng tâm của một vật thể hay một hệ các vật thể là điểm trung bình
theo phân bố trọng lượng của vật thể
 Khối tâm của một vật thể hay một hệ các vật thể là điểm trung bình
theo phân bố khối lượng của vật thể(có khối lượng bằng khối lượng
của hệ)
(a) Các khối lượng tập trung trên một đường thẳng;
(b) Các khối lượng tập trung trên một mặt phẳng
2. Trọng tâm và khối tâm
Vị trí khối tâm của một khối trụ tròn(a), một khối hình chữ nhật(b),
một lăng trụ tam giác(c)
Khi vật rắn có hình dạng phức tạp, khối tâm có thể được xác định bằng
cách coi vật thể đó được tạo bởi các khối nhỏ có hình dạng đơn giản.
2. Trong tâm và khối tâm
Vật có hình dạng phức tạp
3. Mô men quán tính và mô men quán tính ly tâm
Mô men quán tính
Mô men quán tính ly tâm

Tensor quán tính
k: bán kính quay
Biến đổi giữa các trục song song
I
G
: Mô men quán tính đối với trục đi qua tâm
I: Mô men quán tính qua trục song song với
trục đi qua, cách nhau một khoảng d
Hệ trục quán tính chính: Tất cả các mô men quán tính ly tâm bằng 0
Mô men quán tính chính
 Ví dụ:
Thanh truyền làm bằng gang có khối
lượng riêng 0.260 lb/in
3
. Tìm mô
men quán tính đối với trục z.
1”.dia. holes
3. Mô men quán tính và mô men quán tính ly tâm
4. Lực quán tính và nguyên lý D’alembert
(a) Hệ lực không cân bằng trên một vật rắn; (b) Các giá trị gia tốc làm hệ lực mất cân bằng
 Nguyên lý D’Alembert :
• Tổng các ngoại lực và lực quán tính tác dụng lên một hệ vật bằng 0.
• Tổng các mô men ngoài và mô men quán tính tác dụng lên một hệ
vật bằng 0.
Có thể sử dụng nguyên lý D’Alembert Σ F=0 & Σ M=0 khi phân tích
lực bằng phương pháp hoạ đồ/vẽ
• Giả thiết: Trọng lượng các khâu nhỏ hơn nhiều so với các lực tác
dụng và các lực quán tính  có thể bỏ qua
4. Lực quán tính và nguyên lý D’alembert
 Ví dụ:

(a) Hệ lực mất cân bằng do gia tốc; (b) Lực quán tính và mô men quán tính. (c) Dời
lực quán tính từ khổi tâm của khâu
1. Độ lớn cuả lực quán tính: mA
G
2. Lực quán tính ngược chiều với gia tốc A
G
3. Lực quán tính được rời song song một khoảng h, cho bởi công thức
trên
4. Lực quán tính được rời đi từ tâm sẽ sinh ra một mô men đối với trục
đi qua khối tâm, ngược chiều với gia tốc góc
α
4. Lực quán tính và nguyên lý D’alembert
4. Lực quán tính và nguyên lý D’alembert
Ví dụ 1. Xác định lực F
A
để khâu 2 chuyển với vận tốc 12.6 ft/s như trên hình
vẽ. Giả thiết cơ cấu đặt trên mặt phẳng ngang (bỏ qua tác dụng của trọng
lực), bỏ qua ma sát tại các khớp động. Khối lượng khâu 3 2,2lb, mô men
quán tính I
3
= 0.0479 lb.s
2
.in
5. Nguyên lý cộng tác dụng
• Hệ thống tuyến tính: Phản ứng của bộ phận chấp hành đầu ra tỉ lệ
thuận với lực tác động đầu vào của hệ thống.
• Trong trường hợp bỏ qua ma sát, hầu hết các cơ cấu đều được coi là
tuyến tính khi phân tích lực
• Nguyên lý cộng tác dụng: Với các hệ tuyến tính, chịu tác dụng của
một số lực thì có thể tính kết quả tác dụng của riêng từng lực, sau đó

cộng các kết quả thu được riêng biệt để có kết quả tác dụng đồng thời
của các lực.
• Ví dụ: các yếu tố phi tuyến: lực ma sát tĩnh, Các hệ thống có khe hở
hoặc các hệ thống lò xo có độ cứng thay đổi khi chúng bị uốn cong.
Phân tích áp lực cơ cấu phẳng :
1) Phân tích động học cho cơ cấu.
2) Phân tích các lực tĩnh của cơ cấu.
3) Xác định các lực quán tính và mô men quán tính của từng khâu.
4) Kết hợp kết quả của bước 2 và bước 3, xác định được tất cả các
lực và mô men trên từng khâu.
6. Phương pháp đồ thị
6. Phương pháp đồ thị
Ví dụ: Phân tích lực cho cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng trong hình vẽ.
6. Phương pháp đồ thị
Tách riêng khâu 4 và đặt các lực tác dụng lên khâu như hình vẽ
6. Phương pháp đồ thị
Tách riêng khâu 3 và đặt các lực tác dụng lên khâu như hình vẽ:
6. An example of graphic analysis
Tách riêng khâu 2:
7. Khâu chuyển động quay quanh một trục cố định
Điểm P: Được gọi là tâm va
đập
Tại P mô men của lực quán
tính bằng không
8. Lực rung và mô men rung
Lực rung và mô men rung : Do quán tính của các bộ phận quay mà lực
rung làm cho mô men rung được truyền đến giá hoặc nền của cơ cấu/máy
Four-bar linkage.
Cơ cấu 4 khâu
bản lề

Lực rung tổng hợp
Mô men rung tổng hợp
9. Phương pháp số
 Khâu quay quanh một trục cố định
Các thông số cần thiết
Các thông cần tìm: Mô men cân
bằng và phản lực tại khớp động
• Ngoại lực F
P
cho trên hình
• Giả thiết a
CM
, α, m và I
CM
đã
biết
•
Động cơ đặt tại O
2,
sinh ra α
và a
CM