Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Lêi nãi đầu Nguyên lý máy môn học sở kỹ thuật nghiên cứu nguyên lý cấu tạo, động học động lực học cấu máy nhằm giải hai toán sau: + Phân tích động học động lực học cấu máy + Tổng hợp (hay thiết kế) cấu hay máy Đối tượng nghiên cứu môn học máy cấu: Cơ cấu tập hợp vật thể chuyển động theo quy luật xác ®Þnh cã nhiƯm vơ biÕn ®ỉi hay trun chun ®éng Máy tập hợp số cấu có nhiệm vụ biến đổi sử dụng để làm công có ích - Điểm giống máy cấu chuyển động cấu máy có quy luật xác định - Điểm khác cấu biến đổi truyền chuyển động, máy biến đổi sử dụng lượng Nội dung nghiên cứu: - Nguyên lý máy không nghiên cứu tất loại máy tất vấn đề máy mà nghiên cứu nguyên lý cấu tạo, động học động lực học cấu hợp thành máy vấn đề động lực học nói chung máy - Mục đích môn học nghiên cứu phương pháp phân tích máy cấu phương diện trên, sở nghiên cứu nguyên tắc phương pháp thiết kế động học động lực học máy cấu - Ngoài môn học nghiên cứu phương pháp làm tốt điều kiện làm việc máy Các phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp đồ thị: có ưu điểm nhanh, gọn, tương đối xác thường làm bật ý nghĩa vật lý kỹ thuật toán - Phương pháp giải tích: xác hơn, cho phép thấy rõ quan hệ biến thiên đại lượng, thông số phức tạp nhiều ý nghĩa vËt lý Ýt râ h¬n HiƯn ng­êi ta th­êng sử dụng hai phương pháp - Ngoài hai phương pháp phát triển kỹ thuật dụng cụ đo lường, ghi chép thí nghiệm ngày xác người ta dùng phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu nguyên lý máy Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : C S THIT K MY chương cấu trúc xếp loại cấu 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Chi tiết máy - Máy cấu tháo rời thành nhiều phận, phận tháo rời gọi chi tiết máy (hay gọi tắt tiết máy) 1.1.2 Khâu 1.1.2.1 Định nghĩa - Khâu tiết máy độc lập hay tập hợp cứng tiết máy - Trong máy cấu có phận chuyển động tương gọi khâu Khâu nhiều chi tiết máy ghép cứng với tạo thành Ví dụ bánh xe khâu tạo thành chi tiết lốp, vành, lăn hoa, may ghép với - Mỗi khâu máy xem vật rắn tuyệt đối bỏ qua tính chất đàn hồi vật liệu Ngoài khâu rắn có khâu đàn hồi lò xo, nhíp, khâu làm vật liệu dẻo cao su, cáp, đai, xích khâu hơi, thuỷ, khí Khâu đối tượng nghiên cứu môn học nguyên lý máy xem thành phần cấu Các tính chất động học động lực học cấu máy hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước, khối lượng khâu 1.1.2.2 Bậc tự tương đối hai khâu Xét hai khâu A B để rời không gian, hai khâu có sáu khả chuyển động tương đối Nếu gắn lên khâu A hệ toạ độ Oxyz hệ toạ độ khâu B có chuyển động sau: Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz Trong Tx, Ty, Tz chuyển động tịnh tiến theo trục Ox, Oy, Oz Qx, Qy, Qz chuyển động quay quanh trục tương ứng Ox, Oy, Oz Sáu khả chuyển động Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz hoàn toàn độc lập với ta gọi khả chuyển động bậc tự Như khâu B có bậc tự tương đối khâu A chọn khâu A làm chuẩn, ngược lại ta cịng cã thĨ nãi kh©u A cã bËc tự tương đối khâu B chọn khâu B làm chuẩn Vậy hai khâu để rời không gian có bậc tự tương đối y Qy B Ty x O Qx Qz z Tx A Tz Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY H×nh 1.1 NÕu xÐt khâu để rời mặt phẳng số bậc tự tương đối khâu bậc tự tương đối Ty, Qz, Qx bị lại bậc tự tương ®èi lµ Tx , Tz , Q y y Qy x O z Tx B A Tz H×nh 1.2 Ta hiểu khâu để rời mặt phẳng khâu có tất điểm chuyển động mặt phẳng hay mặt phẳng song song 1.1.3 Khớp động 1.1.3.1 Nối động Nếu cho hai vật rắn (2khâu) tiếp xúc với theo quy cách ta nói vật rắn (2khâu) bị liên kết hay nối động Mục đích nối động hạn chế bớt số bậc tự tương đối khâu Khi bị nối động bậc tự tương đối chúng < B A Hình 1.3 Xét cầu B đặt vật phẳng A số bậc tự tương đối chúng là: Tx, Tz, Qx, Qy, Qz, bậc tự bị hạn chế Ty Ta nói A B có ràng buộc Số bậc2 tự bị hạn chế gọi số ràng buộc nhiều hay đặc điểm ràng buộc thành phần tiếp B hai khâu định ràng buộc B A bậc tự A bậc tự Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MY ràng buộc B B ràng buộc Hình 1.4 A A bËc tù bËc tù 1.1.3.2 Phân loại khớp động Có cách để phân loại khớp động: a) Phân loại khớp động theo đặc điểm tiếp xúc: có loại: - Khớp loại thấp: có thành phần tiếp xúc mặt - Khớp loại cao: có thành phần tiếp xúc đường hay điểm b) Phân loại theo số bậc tự bị hạn chế: theo cách có loại khớp động: - Khớp loại hạn chế bậc tù - Khíp lo¹i h¹n chÕ bËc tù - Khíp lo¹i h¹n chÕ bËc tù - Khíp lo¹i h¹n chÕ bËc tù - Khíp lo¹i h¹n chÕ bËc tự c) Phân loại theo tính chất chuyển động tương đối, có loại: - Khớp động phẳng: hai khâu để rời mặt phẳng số bậc tự tương đối chúng 3, nối động khâu phẳng số bậc tự bị hạn chế tối đa - Khớp động không gian: hai khâu không gian sau nối động khớp động mà chuyển động tương đối chúng chuyển động không gian gọi khớp động không gian 1.1.3.3 Lược đồ khớp lược đồ khâu a) Lược đồ khớp: để tiện cho việc nghiên cứu, khớp động biểu diễn hình vẽ lược đồ quy ước đơn giản - Khớp cầu loại 3: - Khớp cầu loại 4: - Khớp trụ loại - Khớp ren vít: - Khớp lề (khíp quay): - Khíp tÞnh tiÕn: - Khíp cao: Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIT K MY b) Lược đồ khâu: Các khâu cấu biểu diễn lược đồ Trên lược đồ khâu phải biều diễn đầy đủ khớp động kích thước định tính chất chuyển động cấu, kích thước gọi kích thước động khâu kích thước xác định vị trí tương đối khớp động khâu 1.1.4 Chuỗi động phân loại - Chuỗi động: nhiều khâu nối động với gọi chuỗi động - Dựa vào tính chất chuyển động tương đối khâu người ta phân thành chuỗi động không gian chuỗi động phẳng Chuỗi động không gian Chuỗi động phẳng Hình 1.5 Chuỗi động phẳng chuỗi động có điểm khâu chuyển động mặt phẳng mặt phẳng song song Chuỗi động không gian chuỗi động có điểm khâu chuyển động mặt phẳng khác - Dựa vào cấu tạo phân làm chuỗi động kín chuỗi động hở ( Chuỗi động kín chuỗi động khâu tham gia khớp động, chuỗi động hở có khâu tham gia khớp ®éng ) 4 Chuỗi động hở Chuỗi động kín Hình 1.6 1.1.5 Cơ cấu phân loại cấu - Một chuỗi động có khâu cố định khâu khác chuyển động theo quy luật xác định gọi cấu, khâu cố định cấu gọi giá - Phân loại: gồm cấu không gian cấu phẳng Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY 3 1 Hình 1.7 1.1.6 Máy Cơ phẳng Máy nói chung cấu tập hợp số cácCơ cấu không gian cấu có nhiệm vụ biến đổi sử lượng để làm công có ích 1.2 Bậc tự cấu 1.2.1 Định nghĩa Xét cấu khâu lề phẳng ABCD, gọi góc giá AD khâu AB Khi cho trị số định (nói cách khác cho AB vị trí định) vị trí cấu (tức vị trí toàn khâu khác lại cấu) hoàn toàn xác định phép dựng hình đơn giản Ta nói cấu có bậc tự Như bậc tự cấu số thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí cấu 1.2.2 Lập công thức tính bậc tự cấu phẳng Cho cấu phẳng có n khâu động Gọi p4 số khớp loại có cấu Gọi p5 số khớp loại có cấu B A α C D H×nh 1.8 Nếu khâu đặt mặt phẳng có bậc tự tương đối so với giá có n khâu động đặt mặt phẳng có 3n bậc tự so với giá Một khớp loại tạo ràng buộc hai khâu mặt phẳng, có p4 khớp loại tạo p4 ràng buộc khâu mặt phẳng Một khớp loại tạo ràng buộc hai khâu mặt phẳng, có p5 khớp loại tạo 2p5 ràng buộc khâu mặt phẳng Như bậc tự cấu phẳng tính: W = W0 - R = 3n - (2p5 + p4) = 3n - (2t + c) Trong đó: W bậc tự cấu W0 tổng số bậc tự khâu động R tổng số ràng buộc khớp động tạo t = p5 số khớp thấp có cấu (loại 5) c = p4 số khớp cao có cấu (loại 4) VD Tính bậc tự cấu bốn khâu lỊ ph¼ng: Ta cã n = 3, p5 = 4, p4 = 0, → W = 3.3 - (2.4 - 0) = * Ràng buộc trùng Xét cấu chêm phẳng hình vẽ, có n =2, p5 =3 W = 3.2 - 2.3 = Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY y C B A O x z H×nh 1.8 Thùc tÕ bËc tù cđa c¬ cÊu b»ng 1, có tượng giảm bậc tự thân khớp động A C đà hạn chế chuyển động quay tương đối quanh trục Oz hai khâu, khớp động B hạn chế chuyển động quay tương đối nên đà gây nên ràng buộc trùng (Rtr) nên áp dụng ta phải loại bỏ ràng buộc W = 3n - (2p5 + p4 - Rtr.) * Rµng buéc thõa: XÐt vÝ dơ: tÝnh bËc tù cho c¬ cÊu elÝp nh­ h×nh vÏ, cã AB = BC = BD Theo cách tính ta có: n = 4, p5 = 6, p4 = 0, Rtr = W = 3n - (2p5 + p4 - Rtr) = 3.4 - (2.6 + - 0) = cã nghĩa cấu không chuyển động Thực tế bậc tự cấu 1, nguyên nhân cấu có ràng buộc thừa Nếu ta bỏ qua khâu khớp A, B quỹ đạo điểm B vòng tròn (c) tâm A bán kính AB = BD = CB, ta nối thêm khâu khớp động A B quỹ đạo điểm B vòng tròn (c) Như ràng buộc khâu AB rõ ràng ràng buộc thừa C B D A (c) Hình 1.9 Mỗi ràng buộc thừa cấu làm bậc tự do, có Rth ràng buộc thừa cấu tính ta phải céng vµo Rth bËc tù W = 3n - (2p5 + p4 - Rtr) + Rth * BËc tù thõa: XÐt vÝ dô : tÝnh bËc tù cho cấu cam cần lắc đáy lăn h×nh vÏ Cã n = 3, p5 = 3, p4 = 1, Rtr = 0, Rth = → W = 3n - (2p5 + p4 -Rtr) + Rth = 3.3 - (2.3 + 1) + = Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY B y I ϕ A C x Hình 1.10 Như để xác định hoàn toàn vị trí cấu cần có thông số độc lập Thực tế ta cần thông số xác định hoàn toàn vị trí cấu Nghĩa bậc tự cấu Sở dĩ cấu có bậc tự thừa, chuyển động lăn quanh trục nó, chuyển động không ảnh hưởng đến quy luật cần mà có tác dụng làm giảm ma sát cam cần Như bậc tự cấu phẳng viết đầy đủ lµ: W = 3n - (2p5 + p4 - Rtr) + Rth - Wth Wth lµ sè bËc tù thừa 1.2.3 Bậc tự cấu không gian W = 6n − (∑ jPj − Rtr − Rth) Wth j =1 Trong đó: n: số khâu động Pj: số khớp loại j Rtr: số rầng buộc trïng Rth: sè rµng buéc thõa Wth: sè bËc tù thõa 1.2.4 ý nghÜa bËc tù cđa c¬ cấu - khâu dẫn Xét cấu khâu bẩn lề, bậc tự cấu W = Nói cách khác cần thông số để xác định vị trí cấu Thật vậy, cho trước góc , nghĩa xác định vị trí khâu 1, vị trí điểm B khoảng BD xác định, tam giác BCD có cạnh cho trước có vị trí hoàn toàn xác định Nếu cho khâu chuyển động với quy luật cho trước thời điểm xác định góc xác định vị trí tất khâu cấu thời điểm, hay nói cách khác xác định quy luật chuyển động khâu (Quy luật chuyển động khâu quy lt biÕn thiªn cđa α theo thêi gian) - Khâu có quy luật chuyển động cho trước gọi khâu dẫn, khâu lại cấu gọi khâu bị dẫn - Số khâu dẫn cÊu ph¶i b»ng sè bËc tù cđa nã - Khâu dẫn nối với giá cố định, ta quy ước đánh dấu khâu dẫn mũi tên chiều quay (hoặc chiều chuyển động) 1.3 Xếp loại cấu phẳng 1.3.1 Nguyên lý tạo thành cấu Axua Theo Axua, cấu gồm hay nhiều khâu dẫn nối với giá với số nhóm có bËc tù b»ng Nhãm cã bËc tù gọi nhóm tĩnh định W = W + + + + Sè bËc tự cấu Số khâu dẫn Các nhóm tĩnh định Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Nh­ vËy, cø nèi thêm vào cấu giá nhóm có bậc tự cấu phức tạp ngược lại tách khỏi cấu nhóm có bậc tự cấu đơn giản hơn, làm bậc tự cấu không đổi VD: cấu bốn khâu lề gồm khâu dẫn (1) nhóm tĩnh định gồm khâu (2) , (3) khớp loại B, C, D Nhãm nµy lµ nhãm cã bËc tù b»ng ThËt v©y: W = 3n - 2p5 = 3.2 - 2.3 = B C A D Hình 1.11 1.3.2 Xếp loại nhóm axua - nhóm tĩnh định * Nguyên tắc tạo thành nhóm axua: nhóm axua (nhóm tĩnh định) chuỗi động thoả m·n ®iỊu kiƯn sau: + 3n - 2p5 = 0: tức nhóm có khớp loại (toàn khíp thÊp) → p5 = 3n/2 , nghÜa lµ sè khâu n phải số chẵn, số khớp p5 số nguyên n p5 6 + Nhóm axua phải nhóm tối giản, tức từ nhóm axua tách thành hay nhiều nhóm khác Nhóm axua tối giản nhóm gồm khâu khớp động Không phải nhóm tĩnh định chưa phải nhóm tối giản Hình 1.12 + Khi cố định khớp chờ nhóm ta giàn tĩnh định (khớp chờ khớp có thành phần khớp động) Hình 1.13 * Xếp loại (hạng) nhóm axua Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Ta chia c¸c nhóm tĩnh định thành hai tập hợp: tập hợp nhóm không chứa chuỗi động kín tập hợp nhóm có chứa chuỗi động kín a) Tập hợp nhóm không chứa chuỗi động kín xếp thành loại: - Nhóm loại nhóm gồm khâu, khớp Các nhãm lo¹i : n = 2, p5 = Hình 1.14 - Nhóm axua loại gồm nhóm có khâu gọi khâu sở nối với khâu khác nhóm khớp động nhóm loại : n = 4, p5 = Hình 1.15 nhóm loại : n = 6, p5 = b) Nh÷ng nhãm cã chøa Ýt chuỗi động kín xếp loại theo số cạnh chuỗi động kín đơn nhiều cạnh nhóm Những nhóm thuộc loại cao loại nhãm lo¹i : n = 4, p5 = nhãm lo¹i : n = 6, p5 = Hình 1.16 1.3.3 Xếp loại cấu phẳng Trong cấu có số nhóm axua, loại cấu loại cao nhóm axua chứa cấu Riêng với cấu gồm khâu, khớp loại gọi cấu hạng 1, cấu máy điện, tua bin, động điện Hình 1.17 O * Nguyên tắc trình tự xếp loại c¬ cÊu: - TÝnh bËc tù cđa c¬ cÊu - Chọn khâu dẫn, số khâu dẫn chọn phải số bậc tự cấu khâu dẫn chọn thường khâu nối với giá cố định khớp quay 10 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY r r r r a D = a D1 + a k D / D + a r D / D1 Mặt khác: Viết lại ta cã: r r r r aD3 = aB + aD2 B + a D2B r r r r a D1 = a D1 + a k D1B1 + a r D1B1  ? r r r r a D1 = a D + a k D1D + a R D1D  r r r r r r a D = a B + a D B + a D B + a D3 / D + a D3 / D r r r r r r a D3 − a k D3 / D − a r D / D = a B + a D B + a D B ? Hay: Trong (2-39) vÕ tr¸i: r r a D B , a k D / D ®· biÕt Chó ý ®ã: (2-36) (2-37) (2-38) (2-39) µ v b.d r a k D / D = 2ω VD / D = d d l BD r Còn chiều chiều vận tốc trượt tương đối V D / D quay ®i 90o theo chiỊu ω2(thn chiỊu kim ®ång hå) r a D / D cã ph­¬ng song song với x-x r r Còn vế phải a B ; a D B ®· biÕt r a D B Biết phương vuông góc với BD2 giá trị ta giải phương pháp vẽ sau: Chọn tỷ xích a cực hoạ đồ Trước hết đặt d3 biểu thị gia tốc r điểm D3 Sau từ d đặt véc tơ d.KD3/D2 biĨu thÞ a D / D ? Rồi qua điểm KD3/D2 kẻ đường thẳng biểu thị phương aD3/D2 ?song song với phương x-x Rồi lại từ đặt b biểu thị gia tốc điểm B, từ b đặt véc tơ bnD2b biểu thị anD2B qua nD2b kẻ đường biểu thị phương atD2B Giao cho ta điểm d2 Tìm hoạ đồ gia tốc ta có: Dựng hoạ đồ gia tốc nhóm a-xua hạng dạng thứ Khác với dạng khớp D khớp tịnh tiến - hai khớp B C khớp quay Để lập phương trình giải toán gia tốc trường hợp giả thiết hoạ đồ vị trí, hoạ đồ vận tốc cần biết gia tốc toàn phần điểm B Quy luật chuyển động khâu (khâu nối với trượt D) khảo sát toán sau: Gắn lên khâu mặt phẳng S4 Tại C ta có: C C3 ≡ C4 Mµ VC2 = VC3 vµ aC2 = aC3 (hai kh©u nèi víi b»ng mét khíp quay) Tõ viết phương trình gia tốc cho điểm C3 27 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY VC4 B c4 p C2=C3=C4 aB c3=c2 aC4 D VB b aC4 π c3 k anCB aB Hình 2-17 Ta có: Trong phương trình (2-43); aB; aCB; aC4; akC2/C4 đà biết, hoàn toàn xác định từ hoạ đồ vận tốc Chỉ atCB akC2/C4 đà biết phương: atCB có phương vuông góc với CB, akC2/C4 có phương song song với phương d-d (hình 2-22) Sau chọn tỷ lệ xích àa cực ta tiến hành dựng hoạ đồ gia tốc ví dụ ta tìm ®­ỵc gia tèc cđa ®iĨm C2 NhËn xÐt: Sau vẽ hoạ đồ tìm gia tốc tìm aC3 lúc khâu biết gia tốc điểm B điểm C, khâu biết gia tốc aC3 và toán gia tốc coi đà giải xong - Trong trường hợp = = có nghĩa khâu cố định lúc aC3/C4 = phương trình (2-43) thành phần aC3/C4 không 2.2.4 Ví dụ Ví dụ 1: Xét cấu bốn khâu lỊ nh­ h×nh vÏ E ω2 ω1 B C c2c3 p 3 A D * Bài toán vận tốc: a) Lập phương trình véctơ: V B1 = ω L AB - V B1 cã: e2 b1≡b2 Ph­¬ng ⊥ AB, chiỊu thn chiỊu ω1 - V B = VB1 (vì hai khâu nèi víi b»ng khíp b¶n lỊ) - V C2 = V B2 + V C2B2 (1), ®ã V C B có phương BC Mặt khác: V C = V C (2), (vì khâu nối với khớp lề) 28 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Tõ (1) vµ (2) ta cã: - V B2 + V C 2B = V C - V E = V B + V E 2B - V E = V c + V E 2c → V B + V E B = V c + V E 2c ®ã: V E 2B cã ph­¬ng ⊥ EB V E 2C có phương EC b) Vẽ hoạ đồ vận tốc (như hình vẽ) - Chọn điểm p làm gốc hoạ ®å V B1 - Chä tû xÝch µ v = pb1 , pb1 biĨu diƠn V B1 c) T×m vËn tốc góc khâu = = V C Bb LBC V C3 LCD (b2 c ) µ v , chiỊu V C B hoạ đồ LBC = = ( pc3 ) v , chiều V C hoạ đồ LBD d) Nhận xét: - Các véctơ biểu diễn vận tốc tuyệt đối điểm khâu có gốc trùng với gốc hoạ đồ véctơ vận tốc - Các véctơ biểu diễn vận tốc tương đối điểm khâu có gốc nằm gốc hoạ đồ véctơ vận tốc e) Định lý đồng dạng hoạ đồ vận tốc: Hình nối điểm khâu đồng dạng thuận với hình nối mút véctơ vận tốc tuyệt đối điểm hoạ đồ vận tốc Từ hoạ đồ ta thấy: BCE đồng dạng thuận với b2c2e2 Vì: BC c2b2 CE c2e2 góc tương ứng cđa tam gi¸c b»ng EB ⊥ e2b2 * Bài toán gia tốc: a) Phương trình véctơ gia tốc τ n a B1 = a B1 + a B1 víi n a B1 = ω 12 L AB , ph­¬ng chiỊu h­íng tõ B vỊ A τ a B1 = (vì khâu quay với = const) a B = a B1 (v× V B = V B1 thời điểm) n (1) = ω LBC , ph­¬ng chiỊu h­íng C→B a C = a B + a C 2B = a B + a C 2B + a C 2B ®ã: a n C2B2 τ a C B cã ph­¬ng ⊥ BC mặt khác: n (2) = LCD , ph­¬ng chiỊu h­íng C → D aC2 = aC3 = aC3 + aC3 víi a n C3 τ a C3 có phương CD 29 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY τ τ tõ (1) vµ (2): a B + a C B + a C 2B = a C + a C Gia tèc điểm E thuộc khâu a E xác định định lý đồng dạng thuận hoạ ®å gia tèc n E n π ε2 C B nc2b2 b1’≡b2’ e2’ nc3 ε3 ω1 D A c2c3 b) Vẽ hoạ đồ gia tốc - Chọn làm gốc hoạ đồ - Chọn tỷ lệ xích: a = a B1 πb1 ' , πb1 ' biÓu diÔn gia tèc a B1 c) TÝnh gia tèc góc khâu = a C B (nC B c ' ) = ε2 = µa LCB LCB τ a C (nC c ' ) = ε3 = µa LCD LCD d) Nhận xét: - Các véctơ biểu diễn gia tốc tuyệt đối điểm khâu có gốc trùng với gốc hoạ đồ véctơ gia tốc - Các véctơ biểu diễn gia tốc tương đối điêm khâu có gốc nằm gốc hoạ đồ véctơ gia tốc e) Định lý đồng dạng thuận hoạ đồ gia tốc: Hình nối điểm khâu đồng dạng thuận với hình nối mút véctơ gia tốc tuyệt đối điểm hoạ đồ gia tốc (SV tự chứng minh BCE đồng dạng thuận với b2c2e2 tìm a E theo a B aC ) VÝ dơ 2: Cho c¬ cÊu culÝt nh­ h×nh vÏ, biÕt ω1 = const, LO1A, LO2A, LAE, ϕ1 hÃy vẽ hoạ đồ vận tốc, hoạ đồ gia tốc cho cấu vị trí trên, tìm vận tốc, gia tốc điểm E khâu tìm 2, a) Phương trình véctơ vận tốc - V B1 cã: V B1 = ω L AB Ph­¬ng ⊥ AB, chiều thuận chiều 30 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY - V B = VB1 (vì hai khâu nèi víi b»ng khíp b¶n lỊ) - V B3 = V B + V B3 / B (1) ®ã V B / B có phương trượt BC V C có phương CB Để tìm vận tốc điểm D2 thuộc khâu phương pháp đồng dạng thuận véctơ vận tốc ta cần tìm thêm vận tốc khác thuộc khâu 2, điểm C2 - V C = V C + V C / C , v× V C = nªn: V C = V C / C = V B / B = −V B3 / B b) Vẽ hoạ đồ vận tốc (như hình vẽ) - Chọn điểm p làm gốc hoạ ®å V B1 - Chä tû xÝch µ v = pb1 , pb1 biĨu diƠn V B1 - VËn tèc điểm D thuộc khâu xác định định lý đồng dạng thuận véctơ vận tốc: BCD ®ång d¹ng thn víi ∆ b2c2d2 b2 B ω1 A ϕ1 V B 3B d2 D b3 b1≡b2 k a B3B quay 900 theo ω2 c2’ π≡c3 c2 ε2≡ε3 d2’ b3 ω2≡ω3 C nC3 b1’≡b2’ p≡c3 b3 kC3C2 c) T×m vËn tèc gãc ω cđa khâu = = V B3 = LBC ( pb3 ) àv LBC d) Phương trình véctơ gia tèc τ n a B1 = a B1 + a B1 n víi a B1 = ω 12 L AB , ph­¬ng chiỊu h­íng tõ B vỊ A τ a B2 a B1 = (vì khâu quay với ω1 = const) = a B1 (v× V B = V B1 thời điểm) k đó: r a B3 = a B + a B3 / B = a B + a B3 / B + a B3 / B (1) k a B / B = 2ω VB / B , có phương chiều ph­¬ng chiỊu cđa V B / B quay ®i 900 theo chiỊu cđa ω3 r a B B có phương phương trượt BC mặt khác: n τ a B3 = a B3 + a B3 (2) 31 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY víi: n a B = ω 32 LBC , ph­¬ng chiỊu h­íng B → C τ a C3 cã ph­¬ng ⊥ CD τ tõ (1) vµ (2): a + a B = a B + a B3 / B + a B / B Để tìm gia tốc điểm D2 thuộc khâu phương pháp đồng dạng thuận véctơ gia tốc ta phải tìm thêm gia tèc cđa ®iĨm C2 - a C = a C + a C / C = −a C / C = −a B / B e) Vẽ hoạ đồ gia tốc - Chọn làm gốc hoạ đồ n B3 - Chän tû lƯ xÝch: µ a = a B1 πb1 ' k r , πb1 ' biĨu diƠn gia tèc a B1 - VËn tèc cđa ®iĨm D thc khâu xác định định lý đồng dạng thuận véctơ vận tốc: BCD đồng dạng thuận với b2c2d2 f) Tính gia tốc góc khâu a B ( nC c ' ) ε2 = ε3 = µa = LCB LCB * Chó ý: Đối với cấu phẳng có khớp cao để giải toán phân tích động học ta có thĨ thay thÕ khíp cao b»ng khíp thÊp hc cã thể giữ nguyên để giải Ví dụ 3: HÃy vẽ dạng hoạ đồ vận tốc gia tốc cấu khâu lề, sở xác định VB aB Những giải thiết cho trước gồm: - Vị trí cấu - Quy luật chuyển động khâu dẫn = const - Các kích thước động 32 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : C S THIT K MY ta giải cụ thể toán, mà phân tích để tìm phương hướng giải Phân tích: Cơ cấu gồm có khâu dẫn nhóm tĩnh định gồm khâu và khớp lề (thuộc dạng thứ nhất) Trong biết = const nên VB = 1lAB chiều đà biết anB = ω21lAB (cã chiÒu tõ B → A) VD aD không Cho nên khâu ta tìm vận tốc gia tốc cho điểm C, khâu biết vận tốc gia tốc điểm Còn VE aE suy nhờ định lý đồng dạng Ví dụ 4: HÃy dựng hoạ đồ vận tốc cấu máy bào ngang hình Khi biết cấu vị trí hình vẽ = const Phân tích: Dựa theo nguên lý cấu tạo cấu, cấu gồm khâu dẫn Ab nối với nhóm A- xua BDC DEF gồm khâu 2-3 4-5 - Nhóm thứ thuộc dạng thứ (hai khâu nhóm nối với khớp tịnh tiÕn - khíp B nèi víi tay quay cßn khíp C nối với giá Nên vận tốc gia tốc khớp B C hoàn toàn xác định áp dụng trường hợp Viết phương trình vận tốc gia 33 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY tèc cho ®iĨm B3 = B3 = B ta xác định vận tèc vµ gia tèc cđa nã Sau cã VB3 vµ aB3 ta dƠ dµng suy VD vµ aD dựa vào nguyên lý đồng dạng thuận - Nhóm thứ 2: Gồm khâu khâu khâu nối với giá khớp tịnh tiến F khâu nối vơí khâu khớp lề E riêng khâu nối với khâu khớp lề D nên VD4 = VD3 Qua phân tích nhóm thứ hai thuộc dạng thứ 3, áp dụng trường hợp viết phương trình cho điểm E5 ta dễ dàng xác định vận tốc gia tốc đầu bào Câu hỏi ôn tập thi Trình bày nội dung toán phân tích động học cấu phẳng? Trình bày phương pháp phân tích động học cấu phẳng? Trình bày nội dung phương pháp vẽ hoạ đồ vận tốc hoạ đồ gia tốc? Phát biểu định lý đồng dạng vận tốc đồng dạng gia tốc? Nêu ý nghĩa định lý đồng dạng này? Phân tích động học cấu bốn khâu, cấu tay quay trượt, cấu culit? 34 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIT K MY Chương Phân tích lực cấu phẳng Đặt vấn đề: Phân tích lực học cấu nhằm xác định phản lực (áp lực) khớp động mô men cân khâu dẫn Cơ sở để giải toán PTLH cấu nguyên lý Đa lăm be Giới hạn toán phân tích áp lực nghiên cứu cấu phẳng 3.1 Lực tác dụng lên cấu 3.1.1 Ngoại lực bao gồm lực phát động, lực cản kỹ thuật trọng lượng khâu - Lực phát động: (hoặc mô men phát động) đặt lên khâu phát động Lực phát động sinh công dương, lực phát động thường cho trước Ví dụ: áp lực tác động lên pits-tông động đốt mô men quay lực điện từ đặt lên Roto động điện - Lực cản kỹ thuật: gọi lực cản có ích lực công nghệ, lực cần thiết để thực quy trình công nghệ máy Lực cản kỹ thuật thường đặt lên số khâu bị dẫn máy Lực cản kỹ thuật sinh công âm, lực cho trước dạng giá trị cụ thể, biểu đồ dạng hàm số theo vị trí thời gian Ví dụ: Lực cắt tác dụng lên dụng cụ cắt máy gọt, trọng lượng hàng hoá máy nâng, máy vận chuyển - Trọng lượng khâu: cấu máy đặt trọng tâm khâu có trị số tích số khối lượng khâu với gia tốc trọng trường Trọng lượng khâu sinh công dương, công âm không sinh công tuỳ theo vị trí chuyển động cấu 3.1.2 Lực quán tính Để giải toán phân tích lực cấu phẳng ta dùng phương pháp động tĩnh học Cơ cấu chuyển động hệ trạng thái không cân khâu chuyển động có gia tốc Vì để giải toán phân tích lực ta phải dựa vào nguyên lý Đa-lăm-be để đưa cấu từ trạng thái vận động trạng thái cân bằng, cách đặt thêm lực quán tính vào khâu ta hoàn toàn lập phương trình cân lực để giải toán Cách xác định hợp lực quán tính: r - Đối với khâu có khối lượng m chuyển động tịnh tiến với gia tốc a s lực quán tính: r r Fq = ma S (đặt khối tâm ) - Đối với khâu có chuyển động quay quanh trục qua trọng tâm khâu có mô men lực quán tính: r r Mq = − J S ε 3.1.3 Néi lùc Néi lùc lµ phản lực khớp động Trong khớp động tồn cặp phản lực hai thành phần khớp động nên có phản lực khớp chờ có mặt phương trình cân 35 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : C S THIT K MY Vì khớp động bôi trơn tốt nên thành phần ma sát bỏ qua so với thành phần áp lực toán phân tích áp lực khớp động 3.2 Phân tích áp lực khớp động * Điều kiện trình tự giải toán phân tích áp lực khớp động 3.2.1 Điều kiện tĩnh định Số phương trình cân = số ẩn phản lực (khớp loại = 1, khớp lo¹i = 2) Rij i Rij Rij t Rij n Rij j n Rij t Hình -1 Tách khỏi cấu nhóm có n khâu, p5 khớp loại 5, p4 khớp loại Số phương trình cân bằng: 3n Số ẩn phản lực (áp lực): 2p5 + p4 * VËy: 3n = (2p5 + p4) hay 3n – (2p5 + p4) = p4 = ta cã ®iỊu kiƯn cđa nhãm Axua Nhãm tÜnh định có cấu trúc hoàn toàn giống nhóm Axua Do tiến hành nghiên cứu toán phân tích áp lực khớp động người ta tiến hành tách cấu thành nhóm Axua để tính áp lực khớp động 3.2.2 Trình tự giải - Tách cấu thành nhóm tĩnh định (nhóm Axua) đặt phản lực liên kết tương ứng Khi tách cần lưu ý tách dần từ nhóm xa khâu dẫn tới khâu dẫn - Viết phương trình cân lực cho nhóm - Dựa vào phương trình cân mô men khâu nhóm khâu để giảm ẩn số chứa phương trình, ẩn số chứa phương trình lớn - Vẽ hoạ đồ lực với tỷ lệ xích chọn phù hợp để xác định ẩn số lại - Tính lực mô men cân tác động lên khâu dẫn 3.2.3 Các ví dụ ã Ví dụ 1: Phân tích áp lực khớp động lên cấu Tay quay tr­ỵt B A C ϕ1 h * Ví dụ 2: Phân tích áp lực khớp động lên cấu Culít 36 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY B C A D 3.3 Ph©n tÝch lùc c©n b»ng kh©u dÉn 3.3.1 Phương pháp phân tích áp lực Trên cấu bậc tự sau đà tách hết nhóm Axua, lại khâu dẫn nối với giá cố định n khớp A Đó cÊu lo¹i cã bËc tù b»ng: 3n-2p5 = 3.1-2.1=1 R21 B P1 h21 Pcb h1 A Mcb l M1 Hình 3.2 Đối với khâu dẫn điều kiện cân lực lập phương trình, áp lực khớp A loại chứa hai ẩn phương suất Như ẩn thứ ba cần xác định thêm hai yếu tố ngoại lực dùng để cân lực khâu dẫn Nói khác cho ngoại lực tác động hoàn toàn, tuỳ ý khâu dẫn: sau định tuỳ ý hai yếu tố ngoại lực này, yếu tố lại phải xác định theo điều kiện cân lực Đối với toàn cấu, ngoại lực xác định khâu dẫn dùng để cân toàn ngoại lực khác gọi lực cân khâu dẫn Giả sử khâu dẫn có lực P1, mômen M1 lực R21 khớp B đà biết Nếu tác động vào khâu dẫn mômen cân Mcb để cân lực trên, viết phương trình cân mômen với điểm A, ta có: Mcb + M1 + P1 h1 - R21 b21 = (3.1) h1 h21 theo thứ tự khoảng cách từ A đến lực P1 R21 Từ công thức ta tính mômen cân khâu dẫn 37 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Mcb = - M1 - P1 h1 + R21 b21 (3.2) Nếu tác động vào khâu dẫn lực cân Pcb mômen Mcb phương trình cân mômen đối víi A lµ: Pcb l + M1 + P1.h1 – R21 h21 = (3.3) Với l khoảng cách tõ Pcb ®Õn A, cã thĨ chän t ý Suy ra: Pcb = (- M1 - P1.h1 +R21 h21 )/l (3.4) So sánh (3.2) (3.4) ta thấy lực cân mômen cân có quan hệ sau: Mcb = Pcb l Biết Mcb tính Pcb ngược lại Theo công thức (3.2) (3.4) muốn tính mômen cân lực cân cần phải biết lực R21 Muốn xác định R21 phải phân tích lực toàn cấu Vì phương pháp tính lực cân khâu dẫn từ áp lực khớp động gọi phương pháp phân tích ¸p lùc 3.3.2 C¸c vÝ dô * VÝ dô 1: phân tích lực tác dụng lên khâu dẫn cấu bốn khâu lề C B A D * Ví dụ 2: phân tích lực tác dụng lên khâu dẫn cấu Tay quay trượt B A C D * VÝ dơ 3: ph©n tÝch lùc tác dụng lên khâu dẫn cấu Culít 38 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIT K MY B D A C Câu hỏi ôn tập thi Trình bày nội dung việc phân tích lực cấu phẳng: Phản lực khớp động áp lực khớp động khác nào? Trình bày nguyên tắc tính lực phản lực khớp động? Trình bày nguyên tắc tính lực cân cấu? í nghĩa lực cân cấu ? 39 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : C S THIT K MY Tài liệu tham khảo Nguyên lý máy Đinh Gia Tường Nguyễn Xuân Lạc Trần DoÃn Tiến Hà Nôi 30/06/1970 Nguyên lý máy Đinh Gia Tường Tạ Khánh Lâm Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 1995 Giáo trình Nguyên lý máy Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên 2001 Bài tập Nguyên lý máy Tạ Ngọc Hải Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2003 Ngô Văn Quyết: Cơ sở Cơ học máy.-Hà nội Giao thông vận tải, 2008, Tập 40 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Môc lôc Lêi nói đầu 01 Chương 1: Cấu trúc xếp loại cấu 02 1.1 Các khái niệm 02 1.2 Bậc tự cấu 05 1.3 Xếp loại cấu phẳng 08 Chương 2: Phân tích động học cấu phẳng 13 2.1 Mục đích nôi dung việc phân tích cấu 13 2.2 Phân tích động học cấu phẳng loại hai 13 Chương 3: Phân tích lực cấu phẳng 33 3.1 Các lực tác dụng lên cấu 33 3.2 Phân tích áp lực khớp động 34 3.3 Phân tích lực cân khâu dẫn 35 Tài liệu tham khảo 38 Mục lục 39 Xuân Canh Dần 41 Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào t¹o theo hƯ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com ... môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY 3 1 H×nh 1.7 1.1.6 Máy Cơ phẳng Máy nói chung.. .Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY ch­¬ng cấu trúc xếp loại cấu 1.1 Các khái niệm 1.1.1 Chi tiết máy - Máy cấu tháo rời thành nhiều phận, phận tháo rời gọi chi tiết máy (hay gọi tắt tiết máy) ... Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hÖ thèng tÝn chØ PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Bài giảng : CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY Ta chia nhóm tĩnh định thành hai tập hợp: tập hợp