Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 6: Cơ cấu CAM - Nguyễn Chí Hưng

nh nghĩa, phân loại
 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam
 C
 Bx 2
Góc công nghệ, góc định kỳ B
 B'x B
 x
 d
 Bg 2
 C e
 Quá trình chuyển động của cần v  A A H
 ứng với một vòng (chu kì) quay của
 g
 cam (2 ) gồm bốn giai đoạn: B'g 1 1
 - Khi khớp cao B đi từ Bg đến Bx thì đầu cần ngày càng xa tâm cam
 nên gọi đây là thời kỳ “đi xa”. Góc quay của cam là đ, góc mặt cam
 tƣơng ứng là đ.
 - Khi khớp cao B đi từ Bx đến B’x thì đầu cần đứng yên ở vị trí xa tâm
 cam nhất, gọi là giai đoạn “đứng xa” (ở xa) x, x.
 - Khi khớp cao B đi từ B’x đến B’g thì đầu cần càng về gần tâm cam
 hơn, gọi là giai đoạn “về gần” v, v.
 - Khi khớp cao B đi từ B’g đến Bg thì đầu cần đứng yên ở vị trí gần
 tâm cam nhất, gọi là giai đoạn “đứng gần” (ở gần) g, g.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.1. Định nghĩa, phân loại
 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam
 Góc công nghệ, góc định kỳ
 C
. đ, x, v, g góc định kì (th.số đ.học của cam)
. ,  ,  ,  Bgócx công nghệ (th.số h.học của 2
 đ x v g B
cam) B'x B
 x
 Ta thấy + + +d =  +  +  +  = 2 .
 đ x v g Bg đ x v2 g
Tuy nhiên nói chung thì các góc định kì vàC công
 v  A A e
nghệ ở thời kì đi xa và về gần không bằng nhau H
(và phải khác 0), còn thờikìg đứng xa và đứng gần
chúng bằng nhauB'(vàg có1 thể bằng 0): 1
 đ ≠ đ ≠ 0; v ≠ v ≠ 0; x = x; g = g
 Cơ cấu cam cần đẩy, đáy nhọn, ngoài những thông số đặc trƣng của
 cam nhƣ đã trình bày ở trên ta còn có thêm một thông số nữa gọi là
 tâm sai e. Tâm sai e là khoảng cách từ tâm quay của cam A đến
 phƣơng tịnh tiến của cần đẩy BC, e = AH. Đƣờng tròn (A,e) gọi là
 đƣờng tròn tâm sai. Nếu e = 0 ta có cam cần đẩy chính tâm, còn khi e
 ≠ 0 ta tâmcólệchcam.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.1. Định nghĩa, phân loại
 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam
Góc công nghệ, góc định kỳ
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.1. Định nghĩa, phân loại
 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam
Góc công nghệ, góc định kỳ
 Cx
 C’g
 Cg
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.1. Định nghĩa, phân loại
 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam
Thông số lực học của cơ cấu cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.1. Định nghĩa, phân loại
 6.1.4. Nội dung nghiên cứu
• Phân tích cơ cấu cam.
GT: - Cho cc cam: b.dạng cam, tâm cam, cần.
 - Cho quy luật c.động của cam, 1 = const.
KL: - Xđ quy luật c.động của cần (vị trí, v.tốc, g.tốc): bài toán đ.học
 - Đại lƣợng đ.l.học: góc áp lực , ma sát, h.suất của cơ cấu.
• Tổng hợp cơ cấu cam.
GT: - Quy luật c.động của cần và điều kiện đ.l.học (góc áp lực )
KL: - Tìm k.thƣớc h.học của cam (b.dạng, vị trí tâm cam, cần)
. 2 bài toán:
Tổng hợp động học --> Vẽ biên dạng cam.
Tổng hợp động lực học --> Tâm cam A.
 (cơ cấu cam phẳng)
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 GT: Cho lƣợc đồ cơ cấu: Các kích thƣớc động học li; 1 = const.
 KL: Xác định quy luật chuyển động của cần: ( ), ( ), ( ): cần
lắc hoặc S( ), v( ), a( ): cần đẩy
 + Phƣơng pháp: Có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp để phân tích
động học cơ cấu cam nhƣ:
 - Phƣơng pháp chuyển động tuyệt đối (dựa vào chuyển động
 tuyệt đối của các khâu trong cơ cấu).
 - Phƣơng pháp đổi giá.
 - Phƣơng pháp tâm quay tức thời
 - Phƣơng pháp giải tích.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)
 C
- Dựng l.đồ cơ cấu, tỷ lệ xích l
 Bx 2
- Ban đầu, cam và cần tiếp xúc B
tại B = B (bắt đầu cung đi xa). B'x B
 0 g x
-Lấy AC làm gốc để đo góc d
 Bg 2
quay của cần C
  A e
 khi cam quay ứng với mỗi vị v A H
trí của cam thì cần có vị trí
 g
xác định . B'g 1 1
 - Dựng hệ trục toạ độ O với tỉ lệ xích của các trục là  [rad/mm],
  [rad/mm].
 Nội dung của phƣơng pháp chính là xác định chuyển vị i (i = 0,1,2,
 ,n) của cần theo các góc quay liên tiếp của cam i (khi đầu cần tiếp
 xúc với các điểm trên biên dạng cam). Từ đó xây dựng đồ thị ( ).
 Việc xác định các cặp giá trị ( i, i) dựa trên chuyển động thực của cơ
 cấu.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)
Giả sử khi cam quay đƣợc một góc i thì đầu cần tiếp xúc với biên
dạng cam tại điểm , ta đi xác định góc quay tƣơng ứng của cần i?
Dễ dàng nhận thấy quỹ đạo chuyển động của đầu cần là cung tròn
tâm C, bán kính CB (chiều dài cần), quỹ đạo chuyển động của các
điểm trên biên dạng cam là cung tròn tâm A, bán kính . Giao điểm
của hai cung tròn này chính là vị trí của đầu cần khi tiếp xúc với điểm
trên biên dạng cam. Nhƣ vậy ta sẽ xác định đƣợc:
 là góc quay của cam.
 góc quay tƣơng ứng của cần.
 góc quét của đầu cần trên mặt cam.
Chuyển vị thật của cần là i = i – 0
Biểu diễn cặp giá trị ( i,i) này trên hệ trục tọa độ O ta sẽ đƣợc
một điểm i của đồ thị cần tìm ( ) với tung độ và hoành độ tƣơng ứng
nhƣ sau:  
  i , i
 i  i 
  
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)
Làm tƣơng tự cho các góc quay i (i = 0,1,2, ,n) khác trong một chu
kỳ động học, sau đó nối các điểm i lại với nhau bằng 1 đƣờng cong
trơn ta sẽ thu đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc lắc của cần
 theo góc quay của cam: ( ).
Đạo hàm đồ thị chuyển vị của cần ( ) ta thu đƣợc đồ thị vận tốc góc
của cần ( ) và đồ thị gia tốc góc của cần ( ) theo góc quay .
Vận tốc góc của cần: d d  d  d 
  t    .()  
 dt d dt11 d
Gia tốc góc của cần
 d2 d d d d  d 2  d  d  d 2 
  t ()      1    2
 dt2 dt1 d dt d  d  2 dt 1 1 d  1 d  2
 d 2
Nếu cam quay đều, ta có  t 2
 1 d 2
 1 ˆ 2
Trên hình vẽ ta có: Góc định kỳ đi xa là: đ Bx ABx
 1 ˆ
 Góc công nghệ đi xa là:  đ Bx AB0
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)
 Nhƣợc điểm của phƣơng pháp:
  Phải đo 2 góc i, i --> sai số lớn.
  Khó xác định đƣợc các giá trị i cách đều nhau để tiện biểu diễn
 trên trục hoành (khi 1 = const)
Giá 0 : 
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Khi sử dụng phƣơng pháp chuyển động tuyệt đối, ta gặp phải khó
 1
 khăn đó là, rất khó chọn các điểm Bi trên mặt cam để có đƣợc các
 góc quay i của cam cách đều nhau. Để khắc phục điều đó, phƣơng
 pháp đổi giá cho phép xác định chuyển vị của cần theo các góc quay
 chọn trƣớc của cam.
 Phƣơng pháp đổi giá
 - Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l. Xét thời điểm ban đầu, cam và cần 
 tiếp xúc nhau tại điểm B0 (điểm bắt đầu cung đi xa), vị trí cơ cấu là AB0C0.
 - Lấy đƣờng giá AC (nối tâm quay của cam và tâm quay của cần) làm gốc 
 để đo góc quay của cần.
 - Dựng hệ trục toạ độ O với tỉ lệ xích của các trục là ,  .
 -Cho cả cơ cấu quay với vận tốc – ω1 quanh tâm quay A. Khi đó vận tốc các 
 khâu tƣơng ứng sẽ là:
 Cam 1: 1 1 0 Cần 2 : 2 1 Giá : 1
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp đổi giá
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp đổi giá
- Cam 1 đƣợc xem nhƣ đứng yên (đƣợc đổi thành “giá”) và giá 0
chuyển động với vận tốc – ω1.
Quỹ đạo của điểm C là đƣờng tròn tâm A, bán kính AC gọi là vòng
tròn tâm cần. Chia vòng tròn tâm cần thành n khoảng đều nhau (giả
sử n = 8) và đánh dấu bằng các điểm Ci (i = 0 -> n) theo chiều quay
của giá – ω1 (ngƣợc chiều kim đồng hồ).
Tại thời điểm i, vị trí tâm cần là Ci, vị trí khớp cao nối cam và cần là
Bi = giao điểm của cung tròn tâm Ci, bán kính CB (chiều dài cần) cắt
biên dạng cam. Nhƣ vậy ta có trong chuyển động đổi giá, góc quay
của giá (tƣơng ứng với góc quay của cam trong chuyển động thực)
 ˆ
là i = C0 ACi , chuyển vị tƣơng ứng của cần là i = BiCi A .Biểu diễn
cặp giá trị ( i , i) này trên hệ trục toạ độ O ta đƣợc điểm i thuộc
đồ thị ( ) cần tìm.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn
Phƣơng pháp đổi giá
Chuyển vị thật của cần là i = i – 0
  i i
  i , i 
   
Làm tƣơng tự cho các điểm i (i = 0,1,2, ,n) khác trong một chu kỳ
động học, sau đó nối các điểm i lại với nhau bằng 1 đƣờng cong trơn
ta sẽ thu đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc lắc của cần 
theo góc quay của cam: ( ).
Đạo hàm đồ thị chuyển vị của cần ( ) ta thu đƣợc đồ thị vận tốc
góc của cần ( ) và đồ thị gia tốc góc của cần ( ) theo góc quay .
 Trên hình vẽ ta có:
 ˆ
 Góc định kỳ đi xa là: đ C0 ACx
 ˆ
 Góc công nghệ đi xa là:  đ Bx AB0
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam
 6.2.2. Cơ cấu cam cần đẩy nhọn
Phƣơng pháp chuyển động thực
Phƣơng pháp đổi giá
 Xem TLTK
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
 Mục đích
 Nhằm mục đích xác định mối quan hệ giữa cấu tạo (tâm cam, biên
dạng) và động học (hành trình, vận tốc) với lực (góc áp lực )
 V
 P
 B
 Od
 A C
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
 6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam
Góc áp lực là góc giữa lực tác dụng từ khâu dẫn (1) lên khâu bị dẫn
(2) và vận tốc điểm đặt lực trên khâu bị dẫn, kí hiệu là (P,V )
- Ứng với những điểm khác nhau có những góc áp lực khác nhau.
- Vì giả thiết bỏ qua ma sát ở các khớp, do đó lực tác dụng từ khâu 1
lên khâu 2 chỉ có một thành phần là áp lực và có phƣơng pháp tuyến
nn với biên dạng cam tại khớp cao B.
-Xét công suất truyền động của cam: N P.V P.V.cos 
 P = N/(V.cos )
Trong cơ cấu cam thì xem nhƣ N = const, V là quy luật chuyển động
của cần, xem nhƣ đã xác định, do đó P phụ thuộc .
Nếu tăng thì P tăng --> cơ cấu chuyển động khó khăn, hiệu suất 
 = 900 --> P tăng --> cơ cấu không thể chuyển động đƣợc và gọi là
cơ cấu ở trạng thái tự hãm.
 0 0
Trong thực tế 50 - 60 cơ cấu đã tự hãm. Tự hãm : th.
Để cơ cấu làm việc đƣợc thì cơ cấu phải đƣợc thiết kế sao cho
 [ max] với [ max] < th
[ ] – góc áp lực lớn nhất cho phép.
 max
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
6.3.2. Góc áp lực và kích thước cơ cấu cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
6.3.2. Góc áp lực và kích thước cơ cấu cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.3. Phân tích lực cơ cấu cam
6.3.2. Xác định góc áp lực và pháp tuyến của biên dạng cam
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
Tổng hợp (Thiết kế) cơ cấu cam là xác định hình dáng, kích thƣớc
cơ cấu nhằm thoả mãn các điều kiện:
- Làm việc đƣợc (Không bị tự hãm, [ max]) --> Bài toán Tổng hợp
động lực học --> Tìm tâm cam A.
- Thực hiện đúng quy luật chuyển động yêu cầu --> Bài toán tổng
hợp động học --> Tìm biên dạng cam.
- Kích thƣớc nhỏ gọn (đồng thời thoả mãn cả 2 yêu cầu trên).
GT: - Quy luật chuyển động của cần:
 + Cần đẩy: S, v, a, hmax = Smax - Smin
 + Cần lắc : , , , max = max - min
 - Các góc định kỳ, chiều dài cần lắc: l2 , [ max]
 - 1 = const.
KL:
 - Tìm tâm cam A.
 - Vẽ biên dạng cam.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy đáy nhọn
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy đáy nhọn
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Tìm vị trí tâm cam
 Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l = 1.Từ đồ thị quy luật chuyển
 động của cần. Xét 1 vị trí thứ i của cần với góc lắc i, ứng với 2 thời
 điểm đi và về iđ , iv ta có vận tốc của cần tƣơng ứng là: iđ , iv
 iv
  
 
 min "E"
  BM id
  
 i Eiv Bi
 min
 Eid  
  
 id iv C
  
 Bm
id
  A
iv 
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Tìm vị trí tâm cam
Ta đã biết véc tơ Bi Ei có:
- Gốc nằm tại vị trí đầu cần.
- Chiều của vận tốc đầu cần quay đi 900 theo chiều quay của cam.
- Độ lớn Bi Ei VB2 ( ) i ( ).l2
--> xác định vị trí các điểm Eiđ và Eiv
Góc truyền động nhỏ nhất cho phép:
 0
 [min] = 90 - [ max]
Qua Eiđ,v ta dựng các đƣờng iđ,v làm với B i Eiđ ,v một góc [min] (=  i , 
Bi Eiđ ,v )
 iđ,v là quỹ tích tâm cam A ứng với [ max]
Ta có thể chứng minh đƣợc nếu lấy các điểm nằm phía dƣới các 
đƣờng iđ , iv làm tâm cam thì tại vị trí i cơ cấu cam có < [ max]. 
Làm tƣơng tự cho các vị trí i khác.
Nhƣ vậy để cơ cấu cam chuyển động đƣợc thì tâm cam phải đƣợc lấy 
nằm trong miền đa giác hở “” phía dƣới tất cả các đƣờng iđ và iv.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Tìm vị trí tâm cam
* Các bƣớc
- Xác định vị trí cần i --> Bi
- Xác định vi( ) --> Ei
- Dựng đƣờng i tại Ei
- Tƣơng tự với các điểm i khác trong 1 chu kỳ
- Xác định miền tâm cam: đa giác hở phía dƣới tất cả các đƣờng đ và 
 v (miền gạch)
- Lấy 1 điểm A trong miền  làm tâm cam thoả mãn điều kiện kích 
thƣớc gọn nhƣng chú ý không nên lấy sát biên do sai số trong quá 
trình vẽ hình.
- Nối A với vị trí thấp nhất đầu cần Bmin --> rmin
- Nối A với vị trí cao nhất đầu cần Bmax --> rmax
- Nối A với C --> lAC
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Vẽ biên dạng cam (tổng hợp động học)
Vẽ biên dạng cam theo quy luật chuyển vị cho trƣớc của cần. bt
ngƣợc của bt phân tích động học cơ cấu cam.
- Dùng phƣơng pháp đổi giá và cắt cung.
+ Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l = 1.
+ Vẽ vòng tròn tâm cần (A, AC).
+ Chia vòng tròn tâm cần thành các khoảng đều nhau Ci (i = 0, 1, 2,
...,n ; theo thứ tự ngƣợc chiều quay của cam ) tƣơng ứng với các vị
trí i trên đồ thị chuyển vị ( ). Lƣu ý các vị trí Cg , Cx , Cx’ , Cg’ tƣơng
ứng với các thời điểm bắt đầu và kết thúc vị trí ở gần và ở xa của
cần. Còn trên biên dạng cam thì tƣơng ứng với các điểm Bg , Bx , Bx’ ,
Bg’.
+ Tại các điểm Ci, đặt các góc i và căn cứ chiều dài cần ta xác định
đƣợc các điểm Bi trên biên dạng cam cần tìm.
+ Nối các điểm Bi bằng đường cong mềm ta sẽ được biên dạng cam
cần tìm.
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn
 Vẽ biên dạng cam (tổng hợp động học)
 C2=Cx
 C'x
 C3 C1
 2
 1  
 B1 1
 B0 
 1 ( )
 B2=Bx
 0
  C0=Cg
C4 A 0 
 O
 B3 2 3 4 5 6 7
 1  
 d x v g
 B4
 B'g
 C'g
 Chương 6 CƠ CẤU CAM 
 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam
 6.4.2. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy nhọn (lăn)
Đây là trƣờng hợp đặc biệt của cam cần lắc (với tâm quay ở ) nên
về nguyên tắc không có gì thay đổi mà còn đơn giản hơn. Thật vậy.
 Do cần tịnh tiến nên phƣơng vận tốc cần không đổi --> không
đổi phƣơng (vuông góc phƣơng cần), với 1 góc [ max] --> phƣơng lực
không đổi --> các đƣờng iđ ( iv) song song với nhau.
 Xem TLTK