TÍNH TOÁN , PHÂN TÍCH cấu TRÚC, ĐỘNG học, lực, của cơ cấu ĐỘNG cơ đốt TRONG HAI kỳ, CHUYỂN ĐÔNG THỰC của máy

Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI
VIỆN KHOA HỌC CƠ SỞ
BỘ MÔN NGUYÊN LÝ – CHI TIẾT MÁY

BÀI TẬP LỚN
MÔN HỌC NGUYÊN LÝ MÁY

Tên đề tài :
TÍNH TOÁN , PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, ĐỘNG HỌC, LỰC, CỦA CƠ CẤU ĐỘNG
CƠ ĐỐT TRONG HAI KỲ, CHUYỂN ĐÔNG THỰC CỦA MÁY
Các số liệu cho trước :
Số đề

S (mm)

S/D

Nhóm 2

196

1,48

(m/s)
0,272

Ghi chú

14,36

Trong đó:
S : Hành trình của pittông (mm)
D : Đường kính pit tông
l : Chiều dài thanh truyền
r : Bán kính tay quay
: Vận tốc trung bình của pittông
Người thực hiện

: Đỗ Hải Ninh

Nhóm

: N01

Nhóm BTL

:2

Giáo viên hướng dẫn : Ths.GVC Mai Tuyết Lê


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
MỤC LỤC

Phần 1: Tính Toán Số Liệu Ban Đầu
1.1.Chiều dài bán kính tay quay r
S = 2r => r = S/2 = 196/2 =98 (mm)
1.2.Tính chiều dài thanh truyền l
l = r/2 = 98/0,272 = 360,3 (mm)

1.3.Tốc độ khâu dẫn 1 : ω1
VCP = 2Sn1/60 => n1 = Vcp.60/2S = 14,36.60/2. 0,196 = 2198 (v/p)
ω1 = 2πn1/60 = 2π.2198/60 = 230,1 (s -1)
1.4.Trọng lực các khâu
(Bỏ qua trọng lực các khâu)
1.5.Tính chiều dài lAS (S là trọng tâm của khâu 2)
lAS = 0,35lAB = 0,35 . 360,3 = 126,1 (mm)
1.6. Tính đường kính piston


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
Có S/D = 1,48

=> D = S/(S/D) = 196/1,48 = 132,43 (mm)
= 13,243 (cm)

Phần 2: Phân Tích Cấu Trúc Và Xếp Loại Cơ Cấu
2.1.Cấu tạo và nguyên lý làm việc
-Cơ cấu tay quay con trượt đã cho (hình 2.1) gồm 3 khâu.
+Tay quay 1: chuyển động quay quanh điểm A
+Thanh truyền ( tay biên) 2: chuyển động song phẳng
+Con trượt (pittông) 3: chuyển động tịnh tiến.
-Các khâu này được nối với nhau bằng 4 khớp thấp loại 5
+Khớp quay giữa O và tay quay 1
+Khớp quay giữa tay quay 1 và thanh truyền 2
+Khớp quay giữa thanh truyền 2 và con trượt 3
+Khớp trượt giữa con trượt 3 và phương OB giá tại B.


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

3

B

2

A
1
O

Hình 2.1: Cơ cấu tay quay con trượt
2.2. Số bậc tự do của cơ cấu
Vì cơ cấu trên là cơ cấu phẳng nên áp dụng công thức
W = 3n –(2P5 +P4 – Rtr – Rth ) - Wth
Trong đó:
n:

số khâu động

n=3

P5 :

số khớp thấp loại 5

P5 =4

P4 :

số khớp cao loại 4

P4=0

Rtr:

số ràng buộc trùng

Rtr=0

Rth:

số ràng buộc thừa

Rth=0

Wth:

số bậc tự do thừa

Wth=0

W= 3n – 2P5 =3.3 – 2.4 =1
Bậc tự do bằng 1 nghĩa là cơ cấu đã cho có 1 khâu dẫn.
2.3.Xếp loại cơ cấu
Để xếp loại cơ cấu ta tách ra từ nó các nhóm Axua
+Chon 1 làm khâu dẫn


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

+Nhóm Axua gồm khâu 2, khâu 3, hai khớp quay tại A, B và khớp trượt B.
Tách nhóm Axua:
3

B

2

A

Khâu dẫn 1 nối với giá bằng khớp quay:

1
O
Kết luận: Do nhóm Axua là nhóm loại 2 nên cơ cấu đã cho là cơ cấu loại 2.
Phần 3: Phân Tích Động Học Cơ Cấu
3.1.Họa đồ chuyển vị của cơ cấu.


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
x

B1
B8

B2

B3

B7

B6 B4
B5

s21
s28

s22

s27
A8

A7

s23

A1

A2

s26

s24

s25

A3

o
A4

A6
A5

x

Hình 3.1: Họa đồ chuyển vị cơ cấu.
Chọn OA = 50 mm
=> Tỉ lệ xích họa đồ chuyển vị :

μl =

r
= =1,96 .10-3
OA

Xác định chiều dài kích thước vẽ của thanh truyền
l

360,3

AB = µ = 1,96 = 183,82 mm
l
Xác định các điểm Bi là các giao điểm của các cung tròn tâm Ai bán kính AB và
đường thẳng xx.
Trên các đoạn AiBi lấy các điểm Si sao cho :
AiSi = 0,35.AiBi = 0,35.183,82 = 64,34 mm


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

Nối các điểm Si bằng đường cong trơn, ta được quỹ đạo của trọng tâm thanh
truyền S gọi là đường cong thanh truyền.
Họa đồ chuyển vị đối xứng qua đường thẳng xx.
3.2. Vẽ họa đồ vận tốc

p2

3

B

2

b2

A

a
2
s22

1
O

Hình 3.2: Họa đồ vận tốc ở vị trí bất kì (vị trí 2)
Xét 1 vị trí bất kì của cơ cấu (hình 3.2).
Trị số vận tốc góc của khâu 1 (theo phần 1) :

ω1 = 230 s-1

Xác định vận tốc điểm A:


v A1 ┴ OA

vA1= ω1.r = 230,1 . 98.10-3 = 22,55 m/s
Xác định vận tốc điểm B:




v B 2 = v A 2 + vB 2 A 2
//xx

*

┴AB

Phương trình trên có 2 ẩn là trị số của 2 vecto đã biết phương, có thể giải bằng họa
đồ vectơ.


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
Tỉ lệ xích họa đồ vận tốc được chọn như sau:

μv = = = 0,451
pa- độ dài đoạn thẳng biểu diễn vecto vận tốc trên họa đồ vận tốc.
(chọn pa = 50 mm)
Trị số vận tốc góc của khâu 2 :

ω2 =

ω2: vận tốc góc thanh truyền
lAB: chiều dài thanh truyền lAB = 360,3 mm (theo phần 1).
Cách vẽ họa đồ vận tốc:
Vẽ vòng tròn bán kính 70 mm, chia thành 8 vị trí pi (p1 đến 8) trên đường tròn như
họa đồ chuyển vị.



Op theo chiều quay đã cho ( pa  v A ) với pa = 50 mm.

-

Vẽ pa

-

Qua a vẽ ∆1

-

Qua p vẽ ∆2 // phương thẳng đứng.

-

∆1 cắt ∆2 tại b, ta được pb  v A

AB



Từ họa đồ vecto xác định các thông số tính toán ghi trong bảng 3.1.
Từ cách vẽ họa đồ vận tốc ta thấy tại các vị trí 1 và 5 ,2 và 8 , 3 và 7, 4 và 6 các
vận tốc tương ứng có trị số bằng nhau.

Bảng 3.1: Kết quả tính toán vận tốc tại 8 vị trí


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
Vị trí
TT
1
2
3
4
5
6
7
8
9

Thông
số
pa (mm)
VA (m/s)
pb (mm)
VB (m/s)
ps2 (mm)
vS2 (m/s)

ab (mm)
VBA (m/s)
ω2 (s-1)

1

2

3

4

5

6

7

8

50
22,55
0
0
32,5
14,658
50
22,55
62,588

50
22,55
41,91
18,9
44,1
20
36,244
16,346
45,368

50
22,55
50
22,55
50
22,55
0
0
0

50
22,55
28,44
12,83
40,1
18,085
36,092
16,277
45,176

50
22,55
0
0
32,5
14,658
50
22,55
62,588

50
22,55
28,44
12,83
40,1
18,085
36,092
16,277
45,176

50
22,55
50
22,55
50
22,55
0
0
0

50
22,55
41,91
18,9
44,1
20
36,244
16,346
45,368

3.3. Vẽ họa đồ gia tốc

π2

3

B

2

A

a'2

s'22

1
O

b'2

nBA

Hình 3.4: Họa đồ gia tốc của cơ cấu tại vị trí bất kì (vị trí 2)
Xét một vị trí bất kì của cơ cấu (hình 3.4)
Xác định gia tốc điểm A:


 t  n  n
a A1 = a A1 + a A1 = a A1


(vì khâu 1 quay đều nên gia tốc góc =0 do đó a A1t = 0 )

 n
a A1 hướng từ A về O


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
.r = 230,12 . 98.10-3 = 5188,7 m/s2

=

Xác định gia tốc điểm B:







aB 3 = aB 2 = a A2 + a n B 2 A2 + a t B 2 A2


a A1 = a A 2

Mà:







//xx

*

n

Ta có phương trình gia tốc: aB 3 = aB 2 = a A1 + a

B 2 A2


+ a t B 2 A2

*

AB

hướng từ B về A
=

lAB

Phương trình trên có 2 ẩn là trị số của 2 vectơ đã biết phương, có thể giải được
bằng họa đồ vectơ.
Tỉ lệ xích họa đồ gia tốc được chọn như sau:

μa = = = 103,774
a’: độ dài đoạn thẳng biểu diễn vecto trên họa đồ gia tốc.
(chọn

a’ = 50 mm)

Cách vẽ:
- Vẽ đường tròn tâm O bán kính 120 mm
- Chia đường tròn thành 8 vị trí như họa đồ chuyển vị, lấy
lượt theo chiều quay đã cho (

1

đến

8

i

trên đường tròn lần

)



- Vẽ Π i a'i hướng vào tâm O ( Π i a'i  a A ) với

a’i = 50 mm

i


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
- Từ a’i vẽ a'i nBA
- Vẽ ∆1

ω 22 .l AB
n
hướng từ B về A ( a'i nBA  a B 2 A 2 ) với a’inBA =
mm
µa

AiBi qua nBA

- Vẽ ∆2 // OB qua

i



- ∆1 cắt ∆2 tại bi ta được Π i b'i  a B

Trị số gia tốc góc của khâu 2 xác định theo công thức:
ε2 =
Vẽ họa đồ gia tốc tại 8 vị trí sau đó tính gia tốc của các điểm và gia tốc góc của
khâu 2. Kết quả tính toán gia tốc ghi trong bảng 3.2.
Từ cách vẽ họa đồ gia tốc ta thấy tại các vị trí 2 và 8, 3 và 7, 4 va 6 các gia tốc
tương ứng có trị số bằng nhau.
Bảng 3.2:Kết quả tính toán gia tốc tại 8 vị trí
TT

vị trí
Thông
số

1

a’(mm)

1

2

3

4

5

6

7

8

50

50

50

50

50

50

50

50

2

aA (m/s2)

5188,7

5188,7

5188,7

5188,7

5188,7

5188,7

5188,7

5188,7

3

anBA(m/s2)

1411,39

741,59

0

735,326

1411,39

735,326

0

741,59

4

a’nBA(mm)

13,6

7,146

0

7,085

13,6

7,085

0

7,146

63,6

35,766

14,529

34,92

36,4

34,92

14,529

35,766

6598,19

3710,51

1507,3

3622,74

3777,37

3622,74

1507,3

3710,51

b’(mm)

0

34,623

52,068

34,536

0

34,536

52,068

34,623

8

atBA (m/s2)

0

3591,93

5401,74

3582,9

0

3582,9

5401,74

3591,93

9

ε2(s-2)

0

9969,26

14992,34

9944,21

0

9944,21

14992,34

9969,26

10

a’b’(mm)

13,6

35,403

52,068

35,286

13,6

35,286

52,068

35,403

11

aBA (m/s2)

1410,82

3672,85

5401,74

3660,71

1410,82

3660,71

5401,74

3672,85

54,76

42,28

32,89

40,49

45,24

40,49

32,89

42,28

5
6
7

12

b’ (mm)
aB(m/s2)
BA

s’2(mm)


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
13

as2(m/s2)

5681,02

4386,3

3412,14

4200,6

4694,74

4200,6

3412,14

4386,3

Phần 4: Phân tích lực cơ cấu
* Các điều kiện cho trước:
- Trọng lực: bỏ qua.
- Áp suất khí cháy: pi(max) = 420 N/cm2.
Pi(min) = 50 N/cm2.
4.1. Xác định lực khí cháy
- Từ pi (max) và pi (min) đã cho vẽ đồ thị áp suất khí cháy với hệ trục pi – S của động cơ
2 kỳ.
- Khai triển đồ thị áp suất khí cháy:
Đặt đoạn B1B5 vừa xác định trên họa đồ chuyển vị sao cho B1 ≡ B1’ ( B1’, B5’
nằm trên trục S ứng với vị trí piston ở ĐCT và ĐCD) hợp với trục hoành S một góc α

bất kỳ.
Từ các điểm Bi dóng các tia song song với B5B5’ cắt trục hoành tại các điểm Bi’
tương ứng.
Sau đó, từ các điểm Bi’ vừa xác định dóng song song với trục tung ta xác định
được các điểm i tương ứng đó trên đồ thị.
-Từ điểm 1 ÷ 4 hành trình cháy, giãn nở.
-Từ điểm 5 ÷ 8 hành trình nạp,nén.
P max

450

- Chọn µp = y max =
= 3,125
144
-Áp suất khí cháy tại vị trí i:
-Xác định áp lực khí:

N / cm2
mm

pi = Bi’i . µp

P3 = (πD2/4).pi

Với D = 13,243 cm (theo phần 1).


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

P

(N/cm2)

450

P
(N/cm2)

1

y1

2

y2

y3
y8

3
8
4

y4
y7
y5
y6

5
7
6

b'1
b1

b'3 b'7

b'2 __ b'8

_
_
_

b'4 ___ b'6

b'5

s (mm)

b2 __ b8
b3 b7
_
_

b4 ___ b6

b5

Hình 4.1: Đồ thị áp suất khí cháy.
Từ đồ thị trên ta lập được bảng 4.1.
Bảng 4.1: Xác định áp lực khí tại các vị trí.

Vị trí

1

2

3

4

5

6

7

8

Bi’i (mm) - yi

143

111,678

66,377

44,036

31,864

20,346

32,021

62,052

Pi (N/cm2)

446,88

348,99

207,43

137,61

99,575

63,58

100,07

193,91

P3 (N)

61522,4

48045,8

28557,1

18944,9

13708,6

8753,1

13776,7

26695,8

Đại lượng

4.2. Tính áp lực khớp động.
Xét một vị trí bất kỳ của cơ cấu (chọn vị trí 2).


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
P

o2
3

h

B

N03

2

c2

d2

t

N12

A
n

N12
N12

Hình 4.2: Họa đồ lực và lực ứng với vị trí 2.
Tách nhóm Axua gồm các khâu 2, 3, các khớp quay A, B và khớp trượt B. Bỏ qua lực
ma sát trong các khớp động, khi đó các lực tác dụng lên nhóm Axua gồm: N03, N12, P.
+ Viết phương trình cân bằng cho cả nhóm:


 
N12 + P + N 03 = 0

N 03 đã biết phương vuông góc với phương trượt OB.

+ Giải phương trình:





t



n



t

Chia N12 = N12 + N12 sau đó ta xác định N12 .
Xét riêng cho khâu 2 ta có:

 t
∑mB = N12 .lAB = 0



=> N12 t = 0
 t 
=> N12 = N12

Tách khâu 3:


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
P

B

3

h

N23

N03
∑M3B = N03.h = 0

Ta có:

=> N03 = 0

+ Vẽ đa giác lực:


Vẽ ∆1 biểu diễn phương N12 n (∆1 // AB). Lấy o bất kỳ trên ∆1, vẽ oc biểu diễn P, từ
c vẽ ∆2 vuông góc với xx biểu thị phương của N03, ∆2 cắt ∆1 tại d.
Tỉ lệ xích: µN = P3,max/70 = 61522,4/70 = 878,89 N/mm
Từ họa đồ đo đoạn od => N23
Bảng 4.2: Kết quả các nội lực.
1

2

3

4

5

6

7

8

P3 (N)

61522,4

48045,8

28557,1

18944,9

13708,6

8753,1

13776,7

26695,8

oc (mm)

70

54,67

32,49

21,56

15,60

9,96

15,68

30,37

cd (mm)

0

11

9,08

4,13

0

1.89

4,56

5,89

N03 (N)

0

9667,79

7980,32

3629,82

0

1661,1

4007,74

5176,66

do (mm)

70

55,77

33,74

21,95

15,6

10,14

16,33

30,94

N12 (N)

61522,4

49015,7

29653,75

19291,64

13710,68

8911,94

14325,27

27192,86

od

70

55,77

33,74

21,95

15,6

10,14

16,33

30,94

N23

61522,4

49015,7

29653,75

19291,64

13710,68

8911,94

14325,27

27192,86


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
4.3 Xác định momen cân bằng
4.3.1 Phương pháp áp lực khớp động
Khi tách nhóm Axua ra khỏi cơ cấu, phần còn lại của cơ cấu là khâu dẫn chịu tác
dụng của N21.
Giả sử tác dụng vào khâu dẫn momen cân bằng ta có phương trình sau:
∑Mo(1) = N21.h21 – M1cb = 0
=> M1cb = N21.h21

N21
Mcb
h21
O

Tỉ lệ xích họa đồ momen cân bằng:

m
r
98.10 −3
µl =
= 0,817.10-3
=
mm
120
120

Cách vẽ:
+ Vẽ đường tròn tâm O bán kính 120 mm. Chia đường tròn thành 8 vị trí như họa
đồ chuyển vị.





+ Từ các điểm Ai vẽ vecto R21i = N 21i (lấy từ họa đồ áp lực khớp động).


+ Từ O dóng đường vuông góc đến phương của vecto R21i . Khoảng cách từ O đến


R21i chính là h21i. Từ đó tính được M1cb, kết quả tính ghi trong bảng 4.3.


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
4.3.2 Phương pháp họa đồ vận tốc xoay
Phát biểu định lý:
Cơ cấu cân bằng dưới tác dụng của các lực kể cả lực cân bằng, nếu xoay họa đồ
vận tốc của cơ cấu đi 90o theo chiều bất kỳ, dời lực song song về các điểm tương ứng
trên họa đồ vận tốc xoay thì tổng momen các lực đó với với tâm họa đồ vận tốc bằng 0.
Tính PCB với điều kiện cho trước, PCB đặt tại A và vuông góc với OA.
Tính M2CB = PCB.r
Tỉ lệ xích lấy theo họa đồ vận tốc: µ = 0,451
Cách vẽ:
+ Chia đường tròn thành 8 vị trí như họa đồ vận tốc.
+ Đặt các họa đồ vận tốc vào các vị trí tương ứng sau đó xoay các họa đồ đi 90o
theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.



+ Đặt P3 tại bi.

P3 . pb
pa

+ Đặt Pcb tại ai sao cho Pcb.pa - P3.pb = 0 => Pcb =
Kết quả tính toán ghi trong bảng 4.3.

Bảng 4.3: Giá trị PCB, MCB tại 8 vị trí
Vị trí

1

2

3

4

5

6

7

8

pb

0

41,91

50

28,44

0

28,44

50

41,91

P3

61522,4

48045,8

28557,1

18944,9

13708,6

8753,1

13776,7

26695,8

pa

50

50

50

50

50

50

50

50

PCB

0

40272

28557,1

10775,86

0

4978,76

13776,7

22367,42

M2cb

0

3946,66

2798,6

1056,03

0

487,92

1350,12

2192

N21

61522,4

49015,7

8911,94

14325,27 27192,86

h21

0

0,082

0,094

0,055

0

0,055

0,094

0,082

M1cb

0

4019,23

2787,45

1061,04

0

490,16

1346,58

2229,81

∆Mcb %

0

1,8

0,4

0,47

0

0,46

0,26

1,72

29653,75 19291,64 13710,68

Phần 5: Chuyển Động Thực Của Máy


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
5.1 Tính momen lực thay thế và momen quán tính thay thế.

Mc
80Nm

Md

40Nm

π

0

Bài giải
a)
• Vì máy chuyển động bình ổn → Ađ = Ac

Ac=

= *(π)*80=40π

→ Ađ=40π

Do Mđ = const → Ađ = Mđ*π →M đ=

=40Nm


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy

• Tại φ =

π
2

π
ω( ) =
2

ϕ

J T (ϕ0 ) 2
2
ω1 (ϕ0 ) +
M T dϕ
J T (ϕ )
J T (ϕ ) ϕ∫0

π

Ađ ( 2 ) = *40=10π

π

Ac ( 2 )= * *40=5π

→ Athừa( )=Ad – Ac=5π

=23.6 (s-1)

→ ω( )=

• Tại

Ad= 40*

= 30π

Ac= * 40 *

+

* 40 +

= 35π


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy
→ Athừa(

→ ω(

)=Ad – Ac= -5π

=15.588(s-1)

)=

=ω( ) =23.6 (s-1)

→

max

=ω(

min

→

)=15.588(s-1)

=19.594(s-1)

=

tb

1
2

1
2

1
2

1
2

2
2
− J T' * ωmin
= J T' * ( ωmax + ωmin ) ( ωmax − ωmin ) = J T' * 2ωtb * ωtb * [ δ ]
• ∆E = JT' * ωmax

∆E

'
→ JT = ω 2 * [ δ ]
tb

t
• Mà ∆E = Amax
( Công thừa lớn nhất)

t
Amax

’

5π
→J
t =1.614
=

• Mặt khác, J T' = J T + J d
→ Jd=JT’-JT=1.614-0.2=1.414kg.m2


Bài Tập Lớn Nguyên Lý Máy