Bài giảng Nguyên lý máy - Bài 5: Chuyển động thực

Bài 5: Chuyển động thực 1
Nội dung
 Phần 1: Cấu trúc động học của cơ cấu
 Phần 2: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế nguyên lý máy
 Phân tích động học
 Phân tích lực
 Cải thiện chất lượng làm việc máy (động lực học máy)
 Làm đều chuyển động máy
 Cân bằng máy
 Phần 3: Lý thuyết về các cơ cấu có khớp cao
 Cơ cấu cam
 Cơ cấu bánh rĕng
Bài 5: Chuyển động thực
Bài 5: Chuyển động thực 3
Đặt vấn đề
 Giả thiết là khâu dẫn chuyển động đều chỉ là gần đúng!
 Thực tế khâu dẫn chịu tác động của
 Các lực tác động trên cơ cấu
 Yếu tố về cấu tạo: Khối lượng, mômen quán tính.
=> nên vận tốc của khâu dẫn không thể là hằng số =>
nghiên cứu về chuyển động thực của máy.
 Xác định chuyển động thực của máy phụ thuộc
 Chế độ lực tác động:𝑃𝑖 , 𝑀𝑖
 Cấu tạo: 𝑚𝑖 , 𝐽𝑆𝑖
Bài 5: Chuyển động thực 4
Nội dung
 Xác định các đại lượng thay thế và lập phương trình
chuyển động thực của máy.
 Xác định chuyển động thực của máy và các chế độ
chuyển động của máy.
 Biết cách làm đều chuyển động bình ổn của máy.
Bài 5: Chuyển động thực 5
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
 Phương trình biến thiên động nĕng: “Tổng công của tất
cả các lực tác động lên cơ hệ trong một khoảng thời gian
bằng biến thiên động nĕng của cơ hệ trong khoảng thời
gian đó”
E - E0 = E = Ađ + Ac
Ađ - công động (công của lực phát động), Ađ luôn dương.
Ac - công cản (công của các lực cản), Ac có thể âm haydương.
E0 - động nĕng ở thời điểm t0
E – động nĕng ở thời điểm t
 E - biến thiên động nĕng.
Bài 5: Chuyển động thực 6
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.1. Công động và mô men động
 Có mômen của lực phát động Md đặt lên khâu dẫn quayvới vận tốc góc ω1 => công suất tức thời của lực phátđộng
d 1.dN M  
Do 2 véctơ và luôn cùng phương, chiều:
Công động Ad trong khoảng thời gian (t0,t):
 
dMdtMdtN d
t
t
d
t
t
d  
000
1
 0, là vị trí tương ứng của khâu dẫn tại t0, t.
1d dN M  
dA 
Bài 5: Chuyển động thực 7
 Xét máy có n khâu động, khâu i có:𝑃𝑖: Ngoại lực tác dụng𝑀𝑖: Mô men ngoại lực𝑣𝑖: Vận tốc của điểm đặt lực𝜔𝑖: Vận tốc góc
Công suất tức thời
của các lực cản
 Công cản
 
  
n
i
iiiic MvPN
1

1 1 1
. .
n
i i i i
tt
i
P v MM   
 Đặt
Mtt :mômen thay thế các lực cản về khâu dẫn (mômen cản
thay thế)
0
C ttA M d
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.2. Công cản và mô men cản thay thế
   
  
t
t
n
i
iiii
t
t
c dtMvPdtN
00 1

 
 
 
 
   

   
  
 






0 1 11
dMvP
n
i
i
i
i
iAc =
Bài 5: Chuyển động thực 8
1 1 1
. .
n
i i i i
tt
i
P v MM   
 
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.2. Công cản và mô men cản thay thế
▪ Việc thay thế này dựa trên nguyên tắc công suất không
đổi: công suất của mômen cản thay thế phải bằng công
suất của tất cả các lực cản trên toàn máy.
▪ Như vậy Mtt là đại diện cho chế độ lực tác động
Bài 5: Chuyển động thực 9
Xét máy có n khâu động, khâu i có:𝑚𝑖: Khối lượng của khâu𝑣𝑆𝑖 : Vận tốc của trọng tâm khâu𝐽𝑆𝑖: Mô men quán tính đối với trọng tâm𝜔𝑖: Vận tốc góc
 2 22 2 21
1 1 1 1 1
1 1
. . . . .
2 2
n n n
Si i
i i Si Si i i Si
i i i
vE E m v J m J    
  
2
1
1
.
2 tt
E J  
2 2
1 1 1
. .
n
Si i
tt i Si
i
vJ m J   
Với
 Động nĕng toàn máy
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.3. Động nĕng và mô men quán tính thay thế
ttJ
Bài 5: Chuyển động thực 10
▪ Việc thay thế này dựa trên nguyên tắc động nĕng không
đổi: động nĕng của khâu thay thế phải bằng động nĕng
của tất cả các khâu trên toàn máy.
▪ Như vậy Jtt là đại diện cho máy về phương diện cấu tạo
2 2
1 1 1
. .
n
Si i
tt i Si
i
vJ m J   

1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.3. Động nĕng và mô men quán tính thay thế
Bài 5: Chuyển động thực 11
• Khi thay các kết quả thu được khi thiết lập công thức xác định
công động Ad , công cản Ac và động nĕng E vào phương trình biến
thiên động nĕng ta sẽ có phương trình chuyển động thực của máy
như sau:
0
2 2
1 0 1 0
1 1
. .
2 2tt tt d tt
J J M M d
   
0
0 2
1 1 0
2
. .
tt
d tt
tt tt
J
M M d
J J
   
Trong đó : ω1( φ0 ) – vận tốc góc của khâu thay thế (1) tại vị trí φ0
Jtt (φ0) – mômen quán tính thay thế tại vị trí φ0ω1(φ) – vận tốc góc của khâu thay thế (1) tại vị trí φ
Jtt (φ) – mômen quán tính thay thế tại vị trí φ
• Thiết lập được công thức tính vận tốc thực khâu dẫn:
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.4. PTCĐ thực và khâu thay thế
Bài 5: Chuyển động thực 12
▪ Từ việc nghiên cứu chuyển động thực của toàn máy, bằng khái
niệm mômen cản thay thế Mtt và mômen quán tính thay thế Jtt,
bài toán chuyển thành nghiên cứu chỉ một khâu giả định, có cấu
tạo biểu thị bằng mômen quán tính thay thế Jtt, trên khâu đó cóchế độ lực tác động biểu thị bằng mômen động Mđ và mômencản thay thế Mtt.
▪ Khâu giả định đó được gọi là khâu thay thế.
1. PTchuyển động và đại lượng thay thế
1.4. PTCĐ thực và khâu thay thế
Bài 5: Chuyển động thực 13
Cĕn cứ vào sự biến thiên của vận tốc khâu dẫn 1( ), ta có thể
phân loại chuyển động của máy thành:
+ Chuyển động không bình ổn: là chuyển động trong đó vận tốc
góc khâu dẫn biến thiên không có chu kì.
+ Chuyển động bình ổn: là chuyển động trong đó vận tốc góc
khâu dẫn biến thiên có chu kì.
 chuyển động của máy
trải qua 3 giai đoạn:
▪ mở máy
▪ làm việc
▪ tắt máy.
2. Các chế độ chuyển động của máy
Bài 5: Chuyển động thực 14
▪ Trong giai đoạn mở máy, chế độ làm việc là không bình ổn, tổng
công (Ađ+Ac) > 0.
▪ Trong giai đoạn làm việc, chế độ làm việc là bình ổn. Cứ sau mỗi
khoảng thời gian nhất định, nĕng lượng cung cấp cho máy phải
bằng nĕng lượng máy tiêu thụ. Góc quay của khâu dẫn ứng với
khoảng thời gian được gọi là chu kỳ công A.
▪ Chu kỳ công A là góc quay của khâu dẫn để cho tổng công của
các lực trên toàn máy bằng không.
▪ Trong giai đoạn tắt máy, chế độ làm việc là không bình ổn, tổng
công (Ađ+Ac) < 0.
2. Các chế độ chuyển động của máy
Bài 5: Chuyển động thực 15
• Từ (5.2) chuyển động thực của máy phụ thuộc vào hai yếu tố là 
chế độ lực tác động (Mtt, Mđ) và mômen quán tính thay thế Jtt. Trong đó Jtt luôn biến thiên theo chu kì động học .
• Nếu muốn vận tốc góc 1 biến thiên tuần hoàn thì cả thành phần thứ hai = Ađ+Ac cũng phải biến thiên với chu kì công A. Khi đó 1( ) sẽ biến thiên với chu kì động lực học  là bội số chung nhỏ nhất của  và A.
Chu kỳ động lực học  là góc quay của khâu dẫn để cho vận tốc góc khâu dẫn trở về giá trị ban đầu.
2. Các chế độ chuyển động của máy
Bài 5: Chuyển động thực 16
3. Xác định chuyển động thực của máy
3.1 Nguyên tắc
Giả thiết: Mđ, Mtt và Jtt là các hàm của góc quay của khâu dẫn.
Thấy rằng nếu lập được đồ thị quan hệ E(J) sẽ xác định được vận 
tốc góc theo công thức:
 1
2
tt
E
J
  
Đồ thị quan hệ E(J) - đồ thị Vittenbao (Wittenbauer)
Bài 5: Chuyển động thực 17
Giả sử cần xác định vận tốc thực khâu dẫn tại thời điểm nào đó, ví 
dụ tại vị trí k cùng các trị số Ek, Jk ứng với điểm K trên đồ thị:
 1 1 2 2. . 2 .
.
k E k E
k k k
k J k J
E E
tg
J J
     
Từ đó ta cũng có thể xác
định giá trị lớn nhất và bé
nhất của vận tốc góc khâu
dẫn:
max và min là các góc hợpbởi tiếp tuyến trên và dưới của
đồ thị E(J) với trục hoành.
minmin1maxmax1
2
 ;
2 

 tgtg
J
E
J
E   
3. Xác định chuyển động thực của máy
3.1 Nguyên tắc
Bài 5: Chuyển động thực 18
3. Xác định chuyển động thực của máy
3.2 Trình tự thiết lập đồ thị E(J)
Dữ liệu cho trước:
• Các đồ thị mô men động Mđ , mô
men thay thế Mtt ; đồ thị quan hệ J( ).• Xét trong một chu kỳ công A khi
máy đang chuyển động bình ổn.
Bài 5: Chuyển động thực 19
Chương 5 CHUYỂN ĐỘNG THỰC
5.3. Xác định chuyển động thực của máy
5.3.2 Trình tự thiết lập đồ thị E(J)
Các bước tiến hành:
• Tích phân đồ thị Mtt( ) để thu được đồ thị công cản Ac( ).• Tích phân đồ thị Mđ( ) để thu được đồ thị công động Ađ( ).• Từ hai đồ thị Ađ và Ac dựng đồ thị biến thiên động nĕng E( )
(Lưu ý trong hình trên, đồ thị của công cản Ac được vẽ với giá trịdương, nên khi dựng đồ thị E( ), ta sẽ lấy đồ thị công động Ađ trừđi đồ thị công cản Ac).• Giả sử có động nĕng E0 ban đầu, ta dựng được đồ thị E( ) bằng
cách lùi trục hoành xuống một đoạn E0 để có hệ toạ độ mới.• Khử từ hai đồ thị J( ) và E( ) hoặc E( ), ta sẽ được đồ thị
quan hệ E(J) hoặc E(J).
Bài 5: Chuyển động thực 20
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.1. Lý do phải làm đều chuyển động máy & giải pháp kỹ thuật
Ta biết rằng muốn khâu dẫn chuyển động đều phải đặt lên khâu
dẫn mômen cân bằng Mcb. Tuy nhiên để dẫn động máy ta dùng
mômen phát động Mđ và thông thường Mđ ≠ Mcb. Do đó khâu dẫnthường chuyển động có gia tốc góc:
Đây là lý do kể cả khi máy làm việc ở chế độ làm việc ổn định, vận
tốc góc 1 sẽ dao động quanh giá trị trung bình 1tb. Biên độ daođộng quá lớn sẽ có tác động xấu đến quá trình công nghệ, giảm độ
chính xác khi gia công cũng như làm giảm tuổi thọ của máy.
d
1
cbM M
J
 
Bài 5: Chuyển động thực 21
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.1. Lý do phải làm đều chuyển động máy & giải pháp kỹ thuật
• Làm đều chuyển động máy thực chất là làm giảm biên độ dao
động của 1 thông qua giảm gia tốc góc . Điều này chỉ có thể thựchiện được bằng cách tĕng J, do Mcb là do điều kiện làm việc của
máy quyết định, còn Mđ phụ thuộc động cơ được chọn. Giải pháp sẽ
là lắp lên khâu dẫn hoặc một trong các khâu có tỷ số truyền không
đổi so với khâu dẫn một khối lượng phụ gọi là bánh đà.
• Bánh đà được chế tạo sao cho khối
lượng được tập trung ở vành ngoài, với
mục đích sao cho với cùng một khối
lượng cho trước, sẽ có mômen quán
tính của bánh đà Jđ lớn và kích thướcgọn. Với bánh đà như trên, mômen
quán tính được tính theo công thức:
D
Bánh đà 2
d
.
4
dm DJ 
Bài 5: Chuyển động thực 22
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.2. Đặc điểm của chuyển động bình ổn của máy
Hệ số không đều của chuyển động máy
• Vận tốc góc khâu dẫn 1 dao động quanh giá trị trung bình 1tb:
• Hệ số không đều:
đánh giá chất lượng của chuyển động bình ổn.
• Hệ số không đều cho phép
Với mỗi loại máy, tuỳ thuộc yêu cầu kĩ thuật, độ chính xác của sản
phẩm, người ta quy định một hệ số không đều cho phép [].
2
min1max1
1
 tb
tb1
min1max1

 
Bài 5: Chuyển động thực 23
Hệ số không đều cho phép của một số loại máy:
Loại máy []
Máy bơm 1/5  1/30
Máy dệt 1/40  1/50
CTM thường 1/20  1/50
Động cơ đốt trong 1/80  1/150
Động cơ điện 1/100  1/300
Động cơ máy bay 1/200
Khi  ≤ [] thì chuyển động bình ổn của máy được coi là chuyển động
“đều”.
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.2. Đặc điểm của chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 24
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Giả thiết: 
- Mđ, Mtt và Jtt là các hàm của góc quay của khâu dẫn
- Giá trị [],1tb được cho trước
- Hệ số không đều hiện tại  []
Kết luận:
- Xác định mômen quán tính của bánh đà để sau khi lắp
bánh đà lên khâu dẫn, sẽ có  = []
Nguyên tắc: giảm biên độ dao động của 1( ).
Bài 5: Chuyển động thực 25
Cách xác định momen quán tính bánh đà
Từ và 
tb1
min1max1 ][][][ 
 2
][][ min1max1
1
 tb
2
][1][ 1max1
 tb 
2
][1][ 1min1
 tb
   2ax 1max2 Jm Etg
     
2
in 1min2
J
m
E
tg   
 ;
 ;
 Xác định được [max], [min]
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 26
Trên đồ thị E(J) đã có, vẽ hai tiếp tuyến trên và dưới hợp với trục
hoành các góc ,max = [max] và ,min = [min]. Hai tiếp tuyến này cắt
nhau tại O’ là gốc của hệ toạ độ mới E’O’J’, chúng cũng cắt trục OE
kéo dài tại a và b.
Cách xác định momen quán tính bánh đà
Dễ dàng nhận thấy:
,max = [max] < max,min = [min] min
 ’1max = [1max] < 1max’1min = [1min] 1min
Có thể thấy dải dao động
của 1( ) đã được thu hẹp
sau khi bánh đà được gắn
lên máy.
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 27
Giả sử trục OE kéo dài cắt trục O’J’ tại P 
 Jđ = O’P . J
Ta có:
Pa = O’P.tg[max] ; Pb = O’P.tg[min] 
 ab = (tg[max] - tg[min]) . O’P
Từ đó ta tính được:
Jđ = (5.3)
Cách xác định momen quán tính bánh đà
Jtgtg
ab   ][][ minmax
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 28
• Theo giả thiết, Jtt cũng như Mtt, Mđ là hàm của góc quay của khâudẫn thêm Jđ, dạng đồ thị J( ) và E( ) sẽ không thay đổi. Dạngcủa đồ thị E( ), E(J) và E( ), E(J) là như nhau do thực chất khi
chuyển từ đồ thị E( ), E(J) về đồ thị E( ), E(J), ta chỉ dịch trục
hoành đi một đoạn E0. chỉ cần dùng đồ thị E(J) để xác định mômen quán tính của
bánh đà.
Trình tự xác định Jđ
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 29
▪ Tích phân đồ thị Mtt( ) đồ thị Ac( ), Mđ( ) Ađ( )
▪ Cộng đồ thị (Ađ + Ac) đồ thị biến thiên động nĕng E( ).
▪ Khử từ hai đồ thị J( ) và E( ) đồ thị quan hệ E(J).
▪ Dựng 2 tiếp tuyến trên, dưới với đồ thị E(J) vừa dựng được hợp
với phương của trục hoành các góc [max], [min]. (Cách xác định
các góc đó đã được trình bày ở phần trên).
▪ Tính Jđ theo công thức (5.3).
Trình tự xác định Jđ
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.3. Làm đều chuyển động bình ổn của máy
Bài 5: Chuyển động thực 30
4. Làm đều chuyển động của máy-bánh đà
4.4. Ý nghĩa thực tiễn của bánh đà
• Bánh đà khi được lắp thêm vào khâu nào sẽ làm tĕng quán tính của 
khâu đó => gây trở ngại cho sự biến thiên vận tốc.
• Khi công động Ađ tĕng, nếu không có bánh đà thì vận tốc góc 1 sẽ tĕng nhanh. Nhờ có bánh đà, một phần của lượng nĕng lượng tĕng 
lên phải làm quay bánh đà. Ngược lại, khi công cản Ac tĕng, bánh đà đang quay nhanh sẽ trả lại nĕng lượng cho máy giúp 1 không bị biến thiên đột ngột.
Vậy: Bánh đà có nhiệm vụ thu nĕng lượng thừa, trả nĕng lượng 
thiếu cho máy trong một chu kỳ chuyển động. Bánh đà không sinh 
thêm hay tiêu bớt đi nĕng lượng của máy.
Ý nghĩa