Giáo trình Nguyên lý máy Chương 1

Học phần 1: Cấu trúc và động học cơ cấu
Ch ơng 1: Cấu trúc và xếp loại cơ cấu phẳng
1. Các khái niệm cơ bản
1.1. Chi tiết máy
Chi tiết máy (gọi tắt là tiết máy) là phần tử cấu tạo hoàn chỉnh
của máy, nó đ ợc chế tạo ra không kèm theo một nguyên công lắp ráp
nào.
Ví dụ:
1.2. Khâu
1.2.1. Định nghĩa
Trong máy và cơ cấu có những bộ phận chuyển động t ơng đối đối
với nhau gọi là khâu. Khâu có thể gồm một hoặc nhiều tiết máy ghép
cứng với nhau tạo thành.
Mô hình khâu là mô hình vật rắn tuyệt đối.
Kích th ớc của khâu không có giới hạn trong không gian.
Ví dụ:
1.2.2. Bậc tự do của khâu
Xét hai khâu A và B để rời nhau trong không gian.
Chọn B làm hệ quy chiếu và gắn vào B một hệ trục toạ độ 0xyz
thì A có 6 khả năng chuyển động độc lập so với B (Tx, Ty, Tz, Qx,
Qy, Qz). Ta nói A có 6 bậc tự do so với B.
Chọn A làm hệ quy chiếu, B cũng có 6 khả năng chuyển động độc
lập so với A.
Ta nói B có 6 bậc tự do t ơng đối so với A.
Hai khâu để rời trong mặt phẳng tồn tại 3 bậc tự do t ơng đối.
A
B
0
x
y
z

T
x
T
z
T
y
Q
x
Q
z
Q
y
1.3.1. Nối động
Các khâu để rời trong không gian hoặc mặt phẳng sẽ có
khả năng chuyển động hoàn toàn độc lập đối với nhau
không thể tạo thành cơ cấu máy. Vì thế ng ời ta phải giảm
bớt số bậc tự do t ơng đối giữa chúng bằng cách cho chúng
tiếp xúc với nhau theo một quy cách nhất định. Nối động
giữa hai khâu là giữ cho hai khâu tiếp xúc với nhau theo
một quy cách nào đó.

1.3.2. Khíp ®éng

Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu khi nối động hai khâu gọi là
thành phần khớp động.
Hai thành phần khớp động trong một phép nối động gọi là
một khớp động.
1.3.3. Phân loại khớp động

Khớp động đ ợc phân loại theo 2 cách:

- Theo tính chất tiếp xúc
Khớp loại cao Khớp cao (tiếp xúc điểm hoặc đ ờng)
Khớp loại thấp Khớp thấp (tiếp xúc mặt)
- Theo số bậc tự do bị hạn chế giữa hai khâu (ràng buộc)
Khớp từ loại 1 loại 5
Ví dụ:
A
B
A
B
B
A
A
B
Khíp
tÞnh tiÕn lo¹i 5
Khíp b¶n lÒ lo¹i 5
K
A
B
Khíp cao lo¹i 4
1.3.4. L ợc đồ khâu khớp
- L ợc đồ khâu (thể hiện đ ợc kích th ớc động) và khớp.
- L ợc đồ khớp - hình vẽ quy ớc đơn giản về khớp động
- Ví dụ:
1.4. Chuỗi động và phân loại
1.4.1. Chuỗi động
-
Nhiều khâu nối động với
nhau tạo thành chuỗi động.

1.4.2. Phân loại
-
Chuỗi động không gian
và phẳng
- Chuỗi động kín và hở
Ví dụ:
1.5. Cơ cấu
- Một chuỗi động có một khâu cố định còn các khâu khác chuyển
động theo quy luật xác định gọi là cơ cấu. Th ờng cơ cấu là một chuỗi
động kín.
- Cơ cấu có 2 loại: Cơ cấu không gian và phẳng
- Khâu cố định trong cơ cấu gọi là giá.
2. Bậc tự do của cơ cấu phẳng
2.1. Định nghĩa
-
Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần thiết để xác định
hoàn toàn vị trí của cơ cấu.
Ví dụ: Cho cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng
ABCD, biết L
AB
, l
BC
, l
CD
, l
AD
. Nếu
cho tr ớc giá trị của thông số
1

thì vị trí của cơ cấu hoàn toàn
xác định. Ta nói cơ cấu có 1
bậc tự do
2.2. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng
A
B
C
D

1
Cho tr ớc l ợc đồ cơ cấu, số khâu, khớp, loại khớp. Tính số bậc tự do
của cơ cấu W.
2.2.1. Tr ờng hợp đơn giản
W = Wo - R
- Wo là tổng số bậc tự do của các khâu để rời so với giá.
- R là tổng số ràng buộc gây ra bởi các khớp động.
W
o
= 3n n là tổng số khâu động
R = 2p
5
+ P
4
P5 và P4 là tổng số khớp loại 5 và 4
có trong cơ cấu
Nên: W = 3n (2P
5
+ P
4

)
2.2.2. Tr ờng hợp có ràng buộc trùng
Tính bậc tự do của cơ cấu chêm.
W = 2.3 (2.3) = 0
Thực tế cơ cấu có W=1
W = 2.3 (2.3-1) = 1
r =1 do bậc tự do quay t ơng
đối giữa A và C đ ợc ràng buộc 2 lần.
Y
X
Vậy: W = 3n- (2.P5 + P4 r)
r là số ràng buộc trùng có trong cơ cấu.
2.2.3. Tr ờng hợp có ràng buộc thừa
Ràng buộc có trong cơ cấu mà không làm ảnh h ởng tới
chuyển động của cơ cấu gọi là ràng buộc thừa (r)
Ví dụ: Tính số bậc tự do của cơ cấu hình bình hành kép
ABCDEF
W = 3.4 (2.6) = 0
Khâu EF và 2 khớp E, F đ a
vào cơ cấu 1 ràng buộc thừa.
r = 2.2 1.3 = 1
W = 3.4 (2.6 1) = 1
W = 3n (2P5 + P4 r)
r là số ràng buộc thừa có trong cơ cấu.
A
B
C
D
E
F

2.2.4. Bậc tự do thừa
Bậc tự do có trong cơ cấu mà không làm ảnh h ởng tới chuyển
động của cơ cấu gọi là bậc tự do thừa.
W = 3.3 (2.3 + 1) = 2
Bậc tự do quay quanh trục của con lăn là thừa s = 1
W = 3.3 (2.3 +1) 1 = 1
W = 3n (2P
5
+ P
4
) - s
s là số bậc tự do thừa có trong cơ cấu.
2.2.5. Công thức tổng quát
W = 3n (2P5 + P4 r r) s
W = 3n (2P5 + P4) + r + r s
2.2.6. Bậc tự do của cơ cấu không gian
W = W
o
R = 6n R
n là tổng số khâu động, R= là tổng số ràng buộc gây ra bởi các
khớp động có trong cơ cấu, P
j
là số khớp loại j.
2.3. Xếp loại cơ cấu phẳng
2.3.1. Nguyên lý tạo thành cơ cấu Nhóm át xua

j
jP
Một cơ cấu gồm một hay nhiều khâu dẫn, nối với giá và với một số

nhóm tĩnh định (nhóm có bậc tự do bằng 0)
Xét cơ cấu toàn khớp thấp
Nhóm tĩnh định
- Có số khâu khớp thoả mãn: 3n 2P5 = 0
- Nhóm tối giản
- Khi cố định các khớp chờ của nhóm 1 dàn tĩnh định
2.3.2. Xếp loại nhóm
Nhóm đ ợc xếp loại theo hai tập hợp sau:
Tập hợp các nhóm không chứa một chuỗi động kín nào.
- Nhóm loại 2 (2 khâu 3 khớp)ABC
- Nhóm loại 3 (nhóm có khâu cơ sở khâu có 3 thành phần khớp
động)
Ví dụ:
Tập hợp các nhóm có chứa ít nhất một chuỗi động kín.
Loại của nhóm bằng số cạnh của chuỗi động kín đơn có số cạnh
nhiều nhất ( 4). Tham khảo và vẽ vào vở.
-
Nhãm Atxua lo¹i 2 vµ lo¹i 3
-
VÝ dô xÕp lo¹i c¬ cÊu ph¼ng
A
B
C
A
B
C
1
O
D
2

3
4
5
Nhãm lo¹i 2:
(4-5), (2-3)
Kh©u dÉn 1
2.3.3. Xếp loại cơ cấu phẳng
- Cơ cấu không chứa một nhóm tĩnh định nào là cơ cấu loại 1.
- Cơ cấu có chứa từ một nhóm tĩnh định trở lên, loại cơ cấu là loại
của nhóm tĩnh định cao nhất có trong cơ cấu.
Trình tự xếp loại
- Tính số bậc tự do của cơ cấu.
- Chọn khâu dẫn (khâu cho tr ớc quy luật chuyển động nếu khâu
dẫn là khâu nối giá bằng khớp loại 5 thì số khâu dẫn = W).
- Tách các nhóm át xua từ xa về gần khâu dẫn, từ giản đơn đến phức
tạp.
- Khi tách nhóm ra khỏi cơ cấu, phần còn lại của cơ cấu phải là 1 cơ
cấu hoàn chỉnh có W = W ban đầu.
- Xếp loại cơ cấu.
- Trừ khâu dẫn và giá các khâu còn lại trong cơ cấu đều là khâu bị
dẫn.
Ví dụ:
2.4. Thay thế khớp cao bằng khớp thấp
Khi nghiên cứu cấu trúc cơ cấu có khớp cao, ta phải
thay thế khớp cao bằng khớp thấp để đ a cơ cấu về cơ cấu
toàn khớp thấp.
Ví dụ: Xét cơ cấu có khớp cao nh hình vẽ.
Trong quá trình chuyển động của cơ cấu: BC = r
1
+

r
2
= const. Có thể đ a thêm 1 khâu BC và 2 khớp bản lề loại
5, vào hai tâm hình học B và C của 2 vòng tròn trên khâu 1
và 2 (thêm 1 ràng buộc r = 2.2 3 =1) mà không làm thay
đổi chuyển động của cơ cấu. Ràng buộc do khớp cao F gây
ra (r = 1) sẽ trở nên thừa và có thể loại bỏ khỏi cơ cấu. Ta
đ ợc cơ cấu thay thế là cơ cấu 4 khâu bản lề phẳng.

Điều kiện thay thế:
- Số bậc tự do của cơ cấu không thay đổi;
- Quy luật chuyển động của khâu bị dẫn không thay đổi;
- Việc thay thế có thể áp dụng cho khớp cao bất kỳ và có
tính chất tức thời.
Vậy việc nghiên cứu cấu trúc cơ cấu thực chất là nghiên
cứu các nhóm tĩnh định. Mức độ phức tạp của cơ cấu phụ
thuộc vào mức độ phức tạp của các nhóm tĩnh định.
Nguyên lý tạo thành cơ cấu là cơ sở tạo nên cơ cấu mới.
Các vấn đề thảo luận và bài tập
1. Bậc tự do t ơng đối giữa hai khâu, Nối động?
2. Khớp động, phân loại khớp động? ràng buộc?
3. Chuỗi động? Kín, Hở, Không gian, phẳng?
4. Nguyên lý tạo thành cơ cấu, nhóm Atxua và xếp loại?
5. Bậc tự do của cơ cấu, ràng buộc trùng, thừa, bậc tự do
thừa trong cơ cấu?
6. Xếp loại cơ cấu phẳng?
7. Thay thế khớp cao bằng khớp thấp?
Bài tập

1. Tạ Ngọc Hải, Bài tập Nguyên lý máy
2. Trần Văn Lầm, Bài tập Nguyên lý máy