Bài giảng Nguyên lý máy: Chương 1 - ĐH Giao thông Vận Tải

TRƯỜNG
ƯỜ
ĐẠI HỌC GIAO THƠNG
Ơ
VẬN
Ậ TẢI
Ả
Khoa Cơ Khí-Bộ mơn Kỹ thuật mỏy
----------&&&&&---------

NGUYấN Lí MY
CHNG I
Phân tích cấu trúc cơ cấu

10/01/2011

1


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
1.1. Nội
ộ dungg v mục
ụ đích p
phân tích cấu trúc cơ
cấu


Ni dung:
Khảo sát cơ cấu v điều kiện để cơ cấu có chuyển
động xác định.

Phân loại cơ cấu theo đặc trng cấu trúc.
trúc
Nghiên cứu nguyên lý tạo thnh cơ cấu.
Xây dựng lợc đồ cơ cấu.

10/01/2011

2


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Mc ớch


Biết nguyên lý hỡnh thnh v khả nng chuyển động
của cơ cấu từ đó xác định đợc tính công nghệ v khả
nng sử dụng của cơ cấu



Vỡ các tính chất động
ộ g học
ọ v động
ộ g lực
ự học
ọ của cơ cấu
v máy phụ thuộc vo cấu trúc của chúng nên từ đó

ta chọn đợc phơng pháp nghiên cứu động học v
động lực học đối với từng loại cơ cấu, máy một cách
hợp lý

10/01/2011

3


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
1.2. Các khái niệm
ệ v định
ị nghĩa
g
cơ bản


Khâu v chi tiết máy


Chi tiết máy: l một bộ phân không thể tách rời của máy. Bất
cứ cơ cấu hay máy no cũng đều do nhiều chi tiết máy ghép
thnh. Các chi tiết máy trong cơ cấu hoặc máy đợc nối động
hoặc nối cứng với nhau.
nhau



Khâu: Máy gồm nhiều bộ phận có chuyển động tơng đối với

nhau. Mỗi bộ phận chuyển động riêng biệt ny của máy gọi l
một khâu. Khâu có thể l một chi tiết máy hoặc nhiều chi tiết
máy ghép cứng lại với nhau

10/01/2011

4


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Khớp động v phân loại khớp động


Khớp động: l một liên kết động của 2 khâu. Hay nói
cách khác hai khâu nối với nhau có khả nng chuyển
động tơng đối đối với nhau tạo thnh khớp động.



Thnh p
phần của khớp
p động:
ộ g l điểm, đờng,
g mặt
ặ m
theo đó hai khâu tiếp xúc nhau. Tính chất chuyển động
của các khâu tạo thnh khớp phụ thuộc vo thnh phần

của khớp động.

10/01/2011

5


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Phân loại khớp động: Phân loại theo số BTD bị hạn chế: Khớp
động loại k h¹n chÕ k bËc tù do

Khớp loại I

Khớp loại IV

10/01/2011

Khớp loại III

Khớp loại II

Khớp loại V

6


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Phân loại

ạ theo đặc
ặ điểm tiếpp xúc của thnh pphần khớpp


Khớp loại thấp: l khớp có thnh phần tiếp xúc của các
ạ thnh khớpp l mặt.
ặ Ưu điểm của các loại
ạ khớpp thấpp
khâu tạo
l khả nng chịu v truyền tải lớn, lâu mòn hơn các khớp
loại cao. Khớpp loại thấpp có tính thuận nghịch
g



Khớp loại cao: l khớp có thnh phần tiếp xúc của các
khâu tạo
ạ thnh khớpp l điểm v đờng.
g Ưu điểm của các
khớp loại cao l dễ dng thực hiện các chuyển động phức
ạp với kết cấu đơn ggiản hơn cơ cấu ton khớpp loại
ạ thấp.
p
tạp
Khớp loại cao không có tính thuËn nghÞch

10/01/2011

7

I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Lc
khp:
p
2

2

2

2

2

1
1
2

1

1

1
2

3

1

1
6

7
2
1

11

10/01/2011

2

2

1
9

8

2
1

5

4

2
1

1

1

12

2
10
2

2
1

1

13

14

Quy ớc một số khớp động thờng gặp

8


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Lc
khõu:

10/01/2011

Các lợc ®å quy −íc

9


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Chui ng
g
Chuỗi động l hệ thống các khâu đợc nối với nhau bằng
các khớp động. Chuỗi động l cơ sở của bất cứ cơ cấu hoặc
máy
á no.

B
A
2
Chuỗi động đơn giản l chuỗi động
3
có tất cả các khâu tham gia không
1
4
C
quá 2 khớp động
Chuỗi động
ộ gp
phức tạp
ạp l chuỗi động

ộ g
A
B
2
4
có trong thnh phần của nó ít nhất
1
một khâu tham gia hơn 2 khớp ®éng
C
3

10/01/2011

10


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Chuỗi động
ộ g phẳng
p
g v không
g ggian


Chuỗi động phẳng: l chuỗi động m các điểm thuộc tất cả các
khâu của chuỗi chuyển động trong cùng một mặt phẳng hoặc trong
các

á mặt
ặt phẳng
hẳ song song nhau.
h



Chuỗi động không gian: l chuỗi động m có các điểm thuộc các
khâu của chuỗi vạch nên các quỹ đạo l các đờng cong nằm trong
z
các mặt phẳng không song song víi nhau.
C

A

2

B

3

1
C
Chuỗi động phẳng
10/01/2011

2

B

3

1
4

4

D

y

A

xChuỗi động khơng gian

11


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Cơ cấu


Cơ cấu l chuỗi động có 1 khâu đợc chọn lm giá v
ạ l các khâu có qquy
y luật
ậ hon ton xác
các khâu còn lại

định trong hệ quy chiếu đà chọn



Khâu của cơ cấu có quy luật chuyển động biết trớc gọi
l khâu dẫn. Các khâu động còn lại của cơ cấu gọi l
khâu bịị dẫn. Q
Quy
y luật
ậ chuyển
y động
ộ g của khâu bịị dẫn
phụ thuộc vo quy luật chuyển động của khâu dÉn vμ
cÊu tróc cđa c¬ cÊu

10/01/2011

12


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Lợc
ợ đồ cơ cấu


ể tiện cho việc nghiên cứu cấu trúc, động học v động
lực học cơ cấu, các cơ cấu đợc biểu thị dới dạng mô
hỡ
h gọii l llợc đồ cơ cấu

ấ
hỡnh
A
B
5

4

1

2
D
C

10/01/2011

C cu

3

Lc đồ cơ cấu

13


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
1.3 Bậc
ậ tự
ự do ((BTD)) của cơ cấu

Khái niệm: Số BTD của cơ cấu l số khả nng chuyển động
độc lập v cũng l số tham số độc lập cần để xác định vị trí
của
ủ cơơ cấu
ấ
Tính BTD của cơ cấu không gian:
5

Công thức tổng quát W = W0 R = 6n − ⎜ ∑ k . pk − R0 ⎞⎟
⎝ k =1

⎠

W: BTD cđa c¬ cÊu
W0: BËc
Ëc tù do tỉng
tỉ g cộng
cộ g của tất cả các khâu
âu động
độ g nếu
ếu để rời.
ờ.
R: Số rng buộc của tất cả các khớp động trong cơ cấu
n: S khõu ng
pk: l số khíp lo¹i k

10/01/2011

14

I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Tính BTD của cơ cấu phẳng
p g

W = 3n ( 2 pt + pc − r ) − s
Trong đó
n : số khâu động
pt : số khớp loại thấp
pc : số khớp loại cao
r : số ràng buộc thừa
s : số bậc tự do thừa

10/01/2011

15


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Ví dụ
ụ tính BTD cđa c¬ cÊu

C cấu
Cơ
ấ 4 khâu
khâ bản

bả lề:
lề
Số khâu động n = 3, số khớp thấp bằng 4, số khớp cao bằng 0,
không tồn tại ràng buộc thừa và bậc tự do thừa
thừa. Bậc tự do:
W = 3× 3 − ( 2 × 4 − 0) − 0 = 1

10/01/2011

16


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Tính BTD của cơ cÊu tay quay con tr−ỵt
A

A'

3
2

B

O
1

4

S4

B'
B
S' 4

W = 3n − ( 2 pt + pc )
= 3.3 − ( 2.4 + 0 ) = 1
10/01/2011

17


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


BTD của cơ cấu 5 khâu bản lề phẳng
C

2

3

B

D

1

4
2

1
5
A

E

W = 3n ( 2 p5 + p4 )
= 3.4
3 4 − ( 22.55 + 0 ) = 2
10/01/2011

18


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Tính BTD của cơ cÊu cam

W = 3n − ( 2 pt + pc )
= 3.3
3 3 − ( 22.3
3 + 1) = 2
Tuy nhiên ta thấy bậc tự do của con lăn
không làm thay đổi
ổ vị trí của các khâu

khác trong cơ cấu. Đây chính là BTD
thừ của
thừa
ủ cơ cấu
ấ màà khi tính
tí h toán
t á ta
t phải
hải
bỏ đi
W = 3n − ( 2 pt + pc ) − 1

3
2

1

= 3.3 − ( 2.3 + 1) − 1 = 1
10/01/2011

19


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.


Tính BTD của cơ cấu 5 khâu 6 khớp bản lề
W = 3n ( 2 pt + pc )
= 3.4 − ( 2.6 + 0 ) = 0

Ở đây EF đóng vai trị là một
ràng buộc thừa, không ảnh
hưởng đến
ế chuyển
ể động của
cơ cấu mà chỉ làm cơ cấu
vững chắc thêm
W = 3n − ( 2 pt + pc − 1)

C

2

B

4

E

F

1
5
A

D

= 3.4
3 4 − ( 2.6

2 6 + 0 − 1) = 1
10/01/2011

20


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
1.4. Nguyên
g y lýý hỡnh thnh v pphân tích cấu trúc cơ cấu
Nguyên lý hình thμnh c¬ cÊu:
“BÊt cø c¬ cÊu nμo cịngg đều có thể hỡnh thnh bằngg cách nối
lần lợt các nhóm chuỗi có bậc tự do bằng 0 với (các) khâu dẫn
v giá
A

B

3

3

C

4

2
O

4

2

5

5

E 6

D

6

1
1

1
(a)

(b)
3
4

2

5
6

10/01/2011

(c)

21


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Nhúm tnh nh

Nhóm có W = 0 v không thể tách thnh các nhãm cã W = 0
nhá h¬n gäi lμ nhãm tÜnh ®Þnh

W = 3n − 2 pt = 0 ⇔ 2 pt = 3n
n ph¶i lμ béi sè cđa 2 vμ pt l bội số của 3
Loại của nhóm tĩnh định đợc xác định theo loại
cao nhất của đa giác khép kÝn cã trong nhãm ®ã

10/01/2011

22


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Loi
nhúm tnh nh

B

B

A

B

2
1

1

2

1

F

3
D

C

A
B

Loi II

B

A

1

2

1

C

2
B

A

C

A

2

E
3
D

B
2

C

A
1

E

Loại IV

3

D

3

C
D

10/01/2011

4

2

B

F

1

4

C

Loại III

E

C

A

F

1

4

C

2

A

F

4

E

23


I Phân tích cấu trúc cơ cấu

I.
Thayy thế khớpp cao b»ngg khípp thÊpp
ƒ ĐiỊu kiƯn 1: Sè BTD cđa cơ cấu trớc v sau khi thay
không đổi.
iều kiện 2: Chuyển
ể động tơng đối (tức thời) trớc v
II
sau khi thay không đổi.
C
Vớ d:
N

I
N

O1

2

C

II
A

O2

3

A
I

3

N

B
2

1

3
B

C

I

2
1

II
A

10/01/2011

A

B

1

N

24


I Phân tích cấu trúc cơ cấu
I.
Phân tích cấu trúc cơ cấu
Thc hin theo cỏc bc sau:
ạ bỏ các rμngg buéc
é thõa vμ BTD thõa nÕu cã
ƒ Lo¹i
ƒ Thay khớp loại cao thnh chuỗi động gồm 1 khâu v 2
khớpp thấpp
Tính BTD của cơ cấu để xác định số khâu dẫn
Chọn
ọ khâu dẫn hoặc
ặ ggiá sao cho cơ cấu có hạng
ạ g bé nhất
Tách khỏi cơ cấu các nhóm tĩnh định với chú ý loại của
ị lμ nhá nhÊt cã thĨ. ViƯc
Ư t¸ch nhãm tiÕpp
nhãm tÜnh định
tục cho đến khi còn lại (các) khâu dẫn với gi¸
10/01/2011

25