KHẮC ClỄM I HỌC MÁY ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA L i K h ắ c L ỉễm ctf HỌC MÁY (Tái lần thứ sáu) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q uốc GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2013 GT.07.CK(V) ĐHQG.HCM-13 155-2012/CXB/50-08 CK.GT.19-13(T) MỤC LỤC Lời nói đẩu Mở đầu 7 Đối tượng môn học Nội dung môn học Vị trí môn học Chương Một CẤU TẠO Cơ CẤU 10 1.1 1.2 1.3 1.4 Định nghĩa khái niệm 10 Bậc tự câu .19 Nhóm tĩnh định 25 Thay khớp cao băng khớp thấp 28 Chương Hai PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC C Ấ U 31 2.1 2.2 2.3 2.4 Nội dung, ý nghĩa phương pháp 31 Phân tích động học phương pháp giải tích 32 Phân tích động học phương pháp họa đồ vectơ 37 Phân tích động học phương pháp đồ thị 53 Chương Ba PHÂN TÍCH Lực Cơ CẤU 55 3.1 Đại cương 55 3.2 Xác định áp lực khớp động 59 3.3 Tính lực khâu dẫn 64 Chương Bốn MA SÁT 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 68 Đại cương 68 Ma sát khớp tịnh tiến : 71 Ma sát khớp quay 76 Ma sát dây dai 83 Ma sát lă n 86 Chương Năm CÂN BẰNG M Á Y .88 5.1 Mục đích nội dung cân máy 88 5.2 Cân vật quay 89 5.3 Cân cấu 98 Chương Sáu CHUYỂN ĐỘNG THựC VÀ ĐIỂU CHỈNH CHUYỂN ĐỘNG M Á Y 106 6.1 6.2 6.3 6.4 Phương trình chuyển động m áy 106 Chuyển động thực máy 110 Làm chuyển động máy .118 Tiết chế chuyển dộng máy 124 Chương Bảy HIỆU SUẤT 131 7.1 Định nghĩa 131 7.2 Hiệu suất chuỗi khớp động hay chuỗi m áy 131 Chương Tám Cơ CẤU PHẲNG toàn khớp t h ấ p 135 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Đại cương 135 Đặc điểm động học cấu bốn khâu lề 138 Đặc điểm động học cấu biến th ể 142 Góc áp lực 147 Một số ứng dụng cấu phẳng toàn khớp th ấ p 149 Chương Chín Cơ CẤU CAM 9.1 9.2 9.3 9.4 153 Đại cương 153 Phân tích động học cấu cam 156 Phân tích lực học cấu eam 161 Tổng hợp cấu cam 164 Chương Mười Cơ CẤU BÁNH RĂNG PHẲNG 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 175 Đại cương 175 Bánh thân khai đặc điểm ăn khớp bánh thân khai 180 Khái niệm hình thành biên dạng thân khai 190 Bánh tiêu chuẩn bánh có dịch dao 198 Các chế độ ăn khớp cặp bánh thân k h a i 203 Bánh thẳng bánh nghiêng 207 Chương Mười Một Cơ CẤU BÁNH RĂNG KHÔNG G IAN 215 11.1 Cơ cấu bánh trụ chéo 216 11.2 Cơ cấu trục vít - bánh vít 218 11.3 Cơ cấu bánh nón 220 Chương Mười Hai HỆ THỐNG BÁNH RÀNG 227 12.1 Đại cương 227 12.2 Phân tích động học hệ bánh thường 231 12.3 Phân tích động học hệ bánh vi sai 232 Chương Mười Ba Cơ CẤU ĐẶC BIỆT 238 13.1 Cơ cấu Các-đăng 238 13.2 Cơ cấu Man 243 13.3 Cơ cấu bánh cóc 245 Tài liệu tham khảo 246 LƠI NÓI ĐẨU c HỌC M Á Y soạn theo đề cương môn học “Nguyền lý m ả y” Khoa Cơ khí Trường Đại học Bách khoa - Đ ại học Quốc gia Thành p h ố Hồ Chí Minh Với mục đích giú p sinh viên viết s t với nội dung giản g d y đủ rõ đ ể d ễ hiểu Tuy tà i liệu liệu tham khảo cho bạn đọc Cơ học máy dễ học hơn, tà i liệu lớp lập luận, diễn g iả i có th ể dùn g làm tà i quan tâm đến nội dung Đ ây lần tái thứ hai có chinh lý, sửa chữa, bổ sung Tác giả rấ t mong tiếp tục nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp độc giả Tác giả chân thành cảm ơn PG S - P T S Bùi Xuân Liềm đọc toàn thảo góp nhiều ỷ kiến Trong lần in thứ năm này, giáo trình chỉnh lý, sửa chữa bổ sung Đ ịa liên hệ: Bộ môn M áy thiết bị, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - Đ ại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, số 268 Lý Thường K iệt, Q.10, TP Hồ Chí Minh Điện thoại: (083) 8650484 (083) 8647256/5680 TS L i K h ắ c L ien t MỞ ĐẦU Cơ học máy lấ môn học sở kỹ thuật có nhiệm vụ nghiên cứu nguyên lý cấu tạo, động học, động lực học cấu máy ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌC Đôi tượng môn học cấu máy Cơ cấu: tập hợp vật thể có chuyển động xác định làm nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động Máy: tập hợp cấu có nhiệm vụ biến đởi sử dụng để làm công có ích Như vậy, tập hợp cấu nên thân máy giông cấu chỗ: bao gồm vật thể có chuyển động xác định làm nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động, đồng thời máy có nhiệm vụ cao cấu chỗ: biến đổi sử dụng làm công có ích V í dụ: Xét tập hợp gồm xylanh 1, pixtông 2, truyền 3, tay quay H o.l Nếu xét tập hợp có nhiệm vụ biến đổi chuyển động tịnh tiến pixtông thành chuyển động quay tay quay chuyển động tịnh tiến xác định chuyển dộng quay xác định; cấu Nếu xét phương diện lượng: nhờ hỗn hợp khí cháy xylanh làm cho pixtông chuyển động chuyển động tay quay qua hệ thông truyền động làm cho bánh xe quay; máy - động nổ loại xe Nhờ bánh xe quay nên lăn mặt đường làm cho xe di chuyển Có thể phân máy lam hai loại chính: - Máy biến đổi lượng bao gồm máy biến đối thành dạng lượng khác (máy phát điện), máy biến đổi dạng lượng khác thành (động điện, động đốt trong, ) - Máy công tác máy sử dụng để thực công việc có ích làm thay đổi kích thước, hình dáng, vị trí, trạng thái, vật thể Đó loại máy cắt kim loại, máy vận chuyển, máy nông nghiệp, máy dệt, máy hóa chất, Thực khái niệm máy nêu máy x ét giáo trình Trong thực tế kỹ thuật có loại máy khác máy tính điện tử (thay th ế cho người trình suy diễn logic), tim nhân tạo, thận nhân tạo (thay th ế chức sinh học người) Như cách tổng quát hiểu: Máy tập hợp nhân tạo vật thể nhằm thực hiện, thay thế, mở rộng hoạt động người Các vật th ể máy không vật rắn mà có vật đàn hồi (như lò xo), vật uốn (dây đai, dây cáp), chất lỏng, chất khí, th iết bị điện, điện tử, quang học (nguồn sáng, hệ thống kính), Trong trình làm việc máy phải thực nhiệm vụ: - Truyền biến đổi lượng, - Truyền biến đổi tín hiệu, - Biến đổi kích thước, vị trí, trạng thái, hình dáng vật, - Thực động tác theo yêu cầu, - Kiểm tra, đánh giá hoạt động máy, - Giữ an toàn cho thân máy người vận hành Về m ặt chức năng, có th ể coi máy hệ thông bao gồm phận chức quan hệ chặt chẽ với theo sơ đồ sau: NỘI DUNG CỦA MÔN HỌC Nội dung Cơ học máy nghiên cứu nguyên lý cấu tạo, dộng học động lực học cấu máy nói chung, nhằm giải hai toán bản: Phân tích nguyên lý cấu tạo, dộng học, động lực học cấu máy cho trước Tổng hợp (hay th iết kế) cấu máy thỏa mãn điều kiện dộng học, động lực học dã cho Đây hai toán ngược sở Đồng thời Cơ học máy có tác dụng xây dựng cho người đọc kiến thức kỹ thuật cần thiết để từ khảo sát, giải vấn đề kỹ thuật có liên quan Với nội dung đây, giáo trình Cơ học máy cho sinh viên ngành khí trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh gồm ba phần lớn: - Cấu trúc cấu, - Động học, động lực học cấu máy, - Xét cấu thông dụng VỊ TRÍ CỦA MÔN HỌC Từ hai phần đây, ta thấy rõ: Cơ học máy không nghiên cứu tất vấn đề máy (như tính bền, công nghệ chế tạo, tính kinh tế, ) không nghiên cứu loại máy cụ - Vì Cơ học máy môn học sở kỹ thuật tất ngành khí nói chung chế tạo máy, ôtô máy kéo, khí dệt, máy hóa chất, máy nông nghiệp, Vì môn sở nên Cơ học máy nối liền môn học toán, lý lý thuyết với môn học sau thiết kế máy, công nghệ chế tạo máy, thiết kế máy dệt, Xin lưu ý rằng: Cơ học máy môn học có sở lý thuyết chặt chẽ xây dựng kết nghiên cứu môn học nên công thức, kết xác; đồng thời môn sở kỹ thuật nên việc sử dụng công thức kết phải theo thực tế kỹ thuật Điều đòi hỏi người đọc cần hiểu biết liên hệ với thực tế kỹ thuật Chương Một CẤU TẠO Ctf CẤU 1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ NHỮNG KHÁI NIỆM BẢN T iế t m y Máy cấu tháo rời thành nhiều phận khác - Bộ phận không th ể tháo rời nhỏ cấu hay máy gọi chi tiết máy hay gọi tắ t tiết máy Bu-long, đai ốc, trục, bánh răng, tiết máy K h âu Toàn bộ phận có chuyển động tương đối so với phận khác cấu hay máy gọi khâu Bản thân khâu tiế t máy độc lập hay tập hợp cứng (không có chuyển động tương dối với nhau) tiết máy cấu động nổ H o l gồm pixtông chuyển động xylanh 1, truyền quay tương pixtông quay tương đôi với tay quay 4, tay quay lại quay tương thân máy Như có khâu ký hiệu 1, 2, 3, 4; thân máy xylanh khâu chuyển động tương Tay quay thường mộc chi tiế t độc lập; truvền thường bao gồm nhiều chi tiêt bạc lót a, c, k; thân b, nắp h, bulong d, đaí ôc f đệm vênh g nốì cứng với H l.l c quay với vận tốc góc: 0)g = C0c - C0c = tức cần c đứng yên đôi với người quan sát cần Như người quan sát thấy hệ bánh thường chuyển động với vận tốc góc ũ)~,(0ọ theo quan hệ vận tốc góc hệ thống thường ta có: coĩ ÍỈ2 tOỊ -C0c C02 - ( 0c «2 Một cách tổng quầt ta có: c _ ( 01 -(BC = +112 = ■ 0)2 —C0C Z/Ị ^2 Zi ( 12 ) dấu + ứng với cặp bánh ăn khớp trong; dấu - ứng với cặp bánh ăn khớp Xét quan hệ vận tốíc góc hệ vi sai H.12.5b: Hệ thống gồm bánh Z2,Z2 , cần c hệ vi sai xét Ií.l2.5a nên ta có: ĨỈ2 - ©c = z2 ©1 C02 ay Hệ thông gồm bánh Z3 ,Z '2 cần (c) c hệ vi sai H.12.5a nên ta có: iC2 = m3 l5 úc = + ^ © - ©c (d) z Từ (c) (d) ta có: «1 ĨỈ3 = - ©c ©2 - ©, « - (Oẹ :C ;c 11 - 12 (ữ3 -(ũc Z2Zq (12.3) Ĩ i- U - , J1 z '2) Suy rộng cho hệ vi sai phức tạp có nhiều bánh chung cần c ta có công thức: ■r © — COp iĩn = „ - - ©c -c *c :C = i 12-i - i n - l n í I\k = (-!) ^ Z bị ^chũ /" 10 /f \ N ) Xin lưu ý: 1.) Trong công thức cho hệ vi sai, vế bên phải (cả dấu) hoàn toàn giông công thức cho hệ thông thường dâu the hiẹn quan hẹ chiều chuyển động bánh người đứng cần c tức dấu biểu thức: 233 ctq -C0c COc ) Đối với hệ vi sai không gian không dùng dấu ( - l ) k mà ph xét dấu ký hiệu mũi tên Khi xét chiều chuyển động để xét dấu, không cho cần c chuyển động ) Trong công thức vi sai giả th iết ccq,con,coc chiều với nhau; số vận tốc góc - giả sử ctq« ngược chiều có nghĩa (-Ciq), 0>n,CDc chiều với nhau; công thức phải thay ( -o q ) vào vị trí a q Vận tốc góc chưa biết, phải giả thiết chiều thay vào công thức để giải Nếu giải kết có dấu dương chiều giả thiết ngược lại Ví dụ 1: Cho hệ thống bánh H.12.9 với số Zi = Z '2 = 100,z = 99,z = 101 Tính tỉ số truyền Ĩ1C Giải: Đây hệ bánh vi sai phẳng nên theo công thức tổng quát (12.4) ta có: Z2 Z3 ®1 -®c =( - 1) Z]Z '2 Bánh Z3 cố định tức C03 = nên ta có: Mị - (Oẹ -CO- Z2Z3 Z1Z Z2Z3 »ĩc - Ị _■ ±2±Ị -1 ZiZ' hay: Suy ra: 1ic ~ Z2Z3 Z1Z'2 Thay số ta có: 1lc —1 99.101 0 0 104 Điều đáng lưu ý ví dụ cấu gồm bốn bánh với số xấp xỉ khéo bố trí, ta đạt tỉ số truyền 234 lớn - Tất nhiên thực tế, tỉ số truyền lớn nhự thực được; thiết kế lớn đến vài trăm (nếu dùng hệ thống bánh thường phải cặp bánh đạt ?) Ví dụ 2: Xét hệ bánh hành tinh H.12.10 máy xới, gắn dao tiện để tiện cổ trục khuỷu, Ta tìm hiểu nguyên lý tiện cổ trục khuỷu theo sơ đồ H.12.11: Ta có dao tiện gấn bánh vị trí nằm ngang 3A ứng với vị trí dao cổ trục khuỷu cần tiện (có tâm B, vị trí đánh dấu N) tiếp xúc với mũi dao A - Khi cần c quay quanh tâm Oj mũi dao A quay quanh O í, cổ trục khuỷu quay quanh OỊÍvới ' = 3A , Ị = 3B) quĩ tích qog-QA^B điểm ,A, B vòng tròn có tâm Oi,Oi,C>i Vậy cần c quay góc để đến vị trí mũi dao A đến vị trí A’ trục khuỷu quay góc để tâm B đến vị trí B’ VỊ trí N cổ trục khuỷu đến vị trí N’ vị trí tương đối cổ trục khuỷu dao ABN trở thành Ả'B’N' mà rõ ràng A'B'N’>ABN nghĩa mũi dao trượt cổ trục khuỷu để thực chuyển động cắt kim loại 235 Hinh 12.11 * Nếu Z! < z3 i 30 > nghĩa bánh z3 cần c quay chiều Cơ cấu dùng chế tạo cáp bện xuôi Cơ cấu bện cáp H.12.12 gồm bánh z1 lắp với ba bánh Z2 , ba bánh z3 chung cần Mỗi bánh Z3 mang nhiều sợi dây kim loại Chuyển động quay Z3 quanh O3 xe sợi dây kim loại thành dánh Chuyển động quay cần c xe dánh thành sợi cáp Ớ chuyển động quay để xe sợi dây thành dánh chuyển động quay để xe dánh thành sợi dây cáp chiều với ta có sợi cáp bện xuôi Tương ứng trên, với Z ị >z3, ta có bánh z3 cần 236 quay ngược chiều để có dược sợi cáp bện ngược (còn gọi cáp bện chéo) Cáp bện xuồi, bện ngược có ưu, nhược điểm riêng nên cần thiết (do nhu cầu sử dụng), ta phải bện xuôi, bện ngược Ví dụ 3: Xét chuyển động cấu vi sai ô tô H.12.13 Cơ cấu gồm hệ thường không gian Za - zbvà hệ vi sai /4 V -i không gian gồm z1,z2,z3 cần c Ớ bánh ràng mang khung k có cần c Hai bánh ràng có số Z1 ;Z2 dẫn động cho hai bánh lốp hai bên xe ăn khớp với bánh z3 quay quanh cần c Khi ô tô chạy đường thẳng, chuyển động từ động qua cặp bánh nón Za - zb; bánh zb,z1,z2,z3, cần c s c - ĩ? V /J Ẩ IửiÀ II ¿2 h— V7TA * ky Hình 12.13 không chuyển động tương đốĩ với nên vận tốc hai bánh lốp hai bên xe nhau: nj = nỊỊ = nc Khi ô tô chạy đường vòng nhu cầu vận tốc góc hai bánh lốp khác nhau: ni * nỊ£ buộc bánh z3 quay quanh cần c Quan hệ vận tốc góc hệ vi sai: HỊ - n c = Z3Z2 = _ Z^ _ nl l ~ nc hay: z lz3 Z1 nj + njj = nc (ở đây, dấu trừ kết việc xét chiều chuyển động: bánh Z ị z2 quay ngược chiều người cần C) Thực tế cấu vi sai, để tải trọng phân bố bánh răng, trục, người ta lắp bánh rẵng Z'3 Thực chất chuyển dộng bánh Z'3 hoàn toàn z3 nên nguyên lý ta không cần để ý đến z '3 Kết cấu thực tế cấu vi sai ô tô H 12.14 bánh 237 Chương Mười Ba C0 CẤU ĐẶC BIỆT Trong chương ta xét số cấu đặc biệt sử dụng nhiều thực tế Đó cấu Các-đăng (Cardan), cấu Man (Malte) cấu bánh cóc 13.1 CÚ CẤU CÁC-ĐĂNG Cơ cấu Các-đăng hay khớp nôi trục Các-đãng cấu dùng để truyền chuyển động quay hai trục giao góc a không lớn thay đổi cấu hoạt động N g u y ê n lý c ấ u tạ o Hình vẽ 13.1 lược đồ động cơ cấu Các-đăng Trên hình vẽ, cấu Các-dăng gồm trục I, trục II quay quanh đường tâm X X , yy giao góc a Trục I mang chạc 1, trục II mang chạc Hai chạc 1, nối với khâu chữ thập hai khớp lề A-A’ BB’ với diều kiện: AA’ ti- X X , BB’ li- y y , AA’ b- B B \ X X yy giao o điểm giao AA’ với BB’, kích thước: OA = OA’ = OB = OB’ = R Để thay đổi góc a, khâu nối với trục II khớp lề O2 nối với giá khớp lề c để khâu có th ể quay quanh đường tâm qua o hình ve 13.la Trong thực t ế ta thường gặp cớ cấu Các-đăng có góc a cố định hình 13 lb cấu thực hình 1.9 Có thể hiểu nguyên lý truyền chuyển động cấu Các-đăng qua việc xét điều kiện quay toàn vòng khâu nối giá 1, - Thử xét khâu 2: tháo rời khớp B, B’; khâu chữ thập quay quanh AA’, đồng thời AA’ quay quanh X X quĩ tích điểm B, B’ thuộc khâu mặt cầu tâm o bán kính R Quĩ tích B, B’ chạc vòng tròn tâm o bán kính R Rõ ràng quĩ tích điểm B B’ chạc năm miền với truyền kề với (quĩ tích điểm B, B’ khâu 3) nên khâu quay toàn vòng Hình 13.2 239 Có thể hình dung cấu Các-đăng cấu bôn khâu lề phẳng C^A B mà mặt phẳng khum trở thành m ặt cầu tâm o th ể H.13.2 Quá trình biến dổi theo thứ tự hình a, b, c, d Tỉ s ố tr u y ề n Khi trục I quay, AA’ chuyển động mặt phẳng vuông góc với X X qua tâm o nên vị trí AA’ thay đổi Yị trí đặc trưng thông số (p góc AA’ với MM; MM giao tuyến mặt phẳng chứa đường tâm quay XX, yy mặt phẳng chứa quĩ tích A, A’: cp= AOM Theo tài liệu tham khảo [10], ta dùng vectơ biểu diễn vận tốc góc Gọi « ,« ,« vectơ vận tốc góc khâu 1, 2, 3; « , «32 vectơ vận tốc góc khâu chuyển động tương đối so với khâu khâu Các vectơ vận tốc biểu diễn (H.13.3) Theo định lý hợp vận tốc [10] ta có: cõ3 = « ! + «3 , đồng thời ta có: «3 = ©2 + «32 « + « = « + “ 32 nên: (13.1) Chiếu phương trình (13.1) lên phương « ta có: ©1 cosa + «3 cosp = to2 + «32 cos90° (a) p góc «3 với «2 - tức góc phương AA’ với phương yy; chiếu phương trình (13.1) lên phương « ta có: «icos90° + « = ©2 cos p + ©32 cos 90° (b) Thay (b) vào (a) ta có: « cosa + «2 cos2 p = «2 Suy ra: i12 = “ L = Ì Z “ Ề £ «2 cosa (13.2) Có thể xác định cosp sau: Từ A hạ AE vuông góc với MM từ E hạ EF vuông góc với yy Theo định lý ba đường vuông góc ta có AF vuông góc với yy Theo H.13.3 ta có: — -—1 In OF.OE cos p = cos AOF = —— OA OE.OA = cos(90° -a)cos