Bài giảng Nguyên lý máy - Chương I: Phân tích cấu trúc cơ cấu

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THễNG VẬN TẢI
 Khoa Cơ Khớ-Bộ mụn Kỹ thuật mỏy
 ----------&&&&&---------
 NGUYấN Lí MÁY
 CHƯƠNG I 
 Phân tích cấu trúc cơ cấu
10/01/2011 1
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 1.1. Nội dung vμ mụcđíchphân tích cấu trúc cơ 
 cấu
 „ Nội dung:
 „ Khảo sát cơ cấu vμ điều kiện để cơ cấu có chuyển
 động xác định.
 „ Phân loại cơ cấu theo đặc tr−ng cấu trúc.
 „ Nghiên cứu nguyên lý tạo thμnh cơ cấu.
 „ Xây dựng l−ợc đồ cơ cấu.
10/01/2011 2
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Mục đớch
 „ Biết nguyên lý hỡnh thμnh vμ khả năng chuyển động
 của cơ cấu từ đó xác định đ−ợc tính công nghệ vμ khả
 năng sử dụng của cơ cấu
 „ Vỡ các tính chất độộgng họcvμ độộgng lựchọc của cơ cấu
 vμ máy phụ thuộc vμo cấu trúc của chúng nên từ đó
 ta chọn đ−ợc ph−ơng pháp nghiên cứu động học vμ
 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
 1.2. Các khái niệmvμ định nghĩa cơ bản
 „ Khâu vμ chi tiết máy
 „ Chi tiết máy:lμ một bộ phân không thể tách rời của máy. Bất
 cứ cơ cấu hay máy nμo cũng đều do nhiều chi tiết máy ghép
 thμnh.Cácchitiếtmáytrongcơcấuhoặcmáyđ−ợc nối động
 hoặc nối cứng với nhau.
 „ Khâu: Máy gồm nhiều bộ phận có chuyển động t−ơng đối với
 nhau. Mỗi bộ phận chuyển động riêng biệt nμy của máy gọi lμ
 một khâu. Khâu có thể lμ 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
 „ Khớp động vμ phân loại khớp động
 „ Khớp động:lμ một liên kết động của 2 khâu. Hay nói
 cách khác hai khâu nối với nhau có khả năng chuyển
 động t−ơng đối đối với nhau tạo thμnh khớp động.
 „ Thμnh phần của khớp độộgng:lμ điểm, đ−ờng,mặtặ mμ
 theo đó hai khâu tiếp xúc nhau. Tính chất chuyển động
 của các khâu tạo thμnh khớp phụ thuộc vμothμnh phần
 của khớp động.
10/01/2011 5
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Phân loại khớp động: Phân loại theo số BTD bị hạn chế: Khớp
 động loại k hạn chế k bậc tự do
 Khớp loại I Khớp loại II Khớp loại III
 Khớp loại IV Khớp loại V
10/01/2011 6
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Phân loạitheođặc điểm tiếp xúc của thμnh phần khớp
 „ Khớp loại thấp:lμ khớp có thμnh phần tiếp xúc của các
 khâu tạothμnh khớp lμ mặtặ .Ưuđiểmcủacácloạikhớp thấp
 lμ khả năng chịu vμ truyền tải lớn, lâu mòn hơn các khớp
 loại cao. Khớp loại thấp có tính thuận nghịch
 „ Khớp loại cao:lμ khớp có thμnh phần tiếp xúc của các
 khâu tạothμnh khớp lμ điểm vμ đ−ờng. Ưu điểm của các
 khớp loại cao lμ dễ dμng thực hiện các chuyển động phức
 tạp với kết cấu đơn giảnhơncơcấutoμn khớp loạithấp.
 Khớp loại cao không có tính thuận nghịch
10/01/2011 7
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Lược đồ khớp:
 2 2
 2 2
 2
 1
 1
 1 1 1
 12 3 4 5
 2
 2 1
 2
 1 2
 1 2
 1 1
 67 8 910
 2
 2 2 2
 1 1
 1 1
 11 12 13 14
10/01/2011 Quy −ớc một số khớp động th−ờng gặp 8
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Lược đồ khõu:
10/01/2011 Các l−ợc đồ quy −ớc 9
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Chuỗi động
 Chuỗi động lμ hệ thống các khâu đ−ợc nối với nhau bằng
 các khớp động. Chuỗi động lμ cơ sở của bất cứ cơ cấu hoặc
 máynμo.
 Chuỗi động đơn giản lμ chuỗi động A 2 B
 có tất cả các khâu tham gia không 1 3
 quá 2 khớp động C 4
 Chuỗi độộgng phức tạp lμ chuỗi độộgng AB
 2
 có trong thμnh phần của nó ít nhất 4
 1
 một khâu tham gia hơn 2 khớp động C
 3
10/01/2011 10
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Chuỗi độộgpng phẳn g vμ khônggg gian
 „ Chuỗi động phẳng: lμ chuỗi động mμ các điểm thuộc tất cả các 
 khâu của chuỗi chuyển động trong cùng một mặt phẳng hoặc trong 
 cáặthẳác mặt phẳng song song nh au. 
 „ Chuỗi động không gian: lμ chuỗi động mμ có các điểm thuộc các 
 khâu của chuỗi vạch nên các quỹ đạo lμ các đ−ờng cong nằm trong 
 z
 các mặt phẳng không song song với nhau. C
 A B 2
 2 B
 3
 1 3 1
 C 4 4 D y
 A
 Chuỗi động phẳngx Chuỗi động khụng gian
10/01/2011 11
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Cơ cấu
 „ Cơ cấu lμ chuỗi động có 1 khâu đ−ợc chọn lμm giá vμ
 các khâu còn lạilμ các khâu có qqyuy luậtậ hoμntoμnxác
 định trong hệ quy chiếu đã chọn
 „ Khâu của cơ cấu có quy luật chuyển động biết tr−ớc gọi
 lμ khâu dẫn. Các khâu động còn lại của cơ cấu gọi lμ
 khâu bị dẫn. QQyuy luậtậ chuyển độộgng của khâu bị dẫn
 phụ thuộc vμo quy luật chuyển động của khâu dẫn vμ
 cấu trúc của cơ cấu
10/01/2011 12
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 L−ợcđồ cơ cấu
 „ Để tiện cho việc nghiên cứu cấu trúc, động học vμ động
 lực học cơ cấu, các cơ cấu đ−ợc biểu thị d−ới dạng mô
 hỡn h gọi lμ l−ợc đồ cơ cấu
 A
 4
 1
 B
 5
 2
 D
 C 3
10/01/2011 Cơ cấu Lược đồ cơ cấu 13
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 1.3 Bậậctự do (()BTD) của cơ cấu
 ƒ Khái niệm: Số BTD của cơ cấu lμ số khả năng chuyển động
 độc lập vμ cũng lμ số tham số độc lập cần để xác định vị trí
 củacơ cấu
 ƒ Tính BTD của cơ cấu không gian:
 5
 Công thức tổng quát ⎛⎞
 WW= 00−= R6 n −⎜⎟∑ kpR. k −
 ⎝⎠k =1
 W: BTD của cơ cấu
 W0: Bậc ậctựdotổgcộgcủatấtcảcác tự do tổng cộng của tất cả các khâu âuđộg động nếu ếuđể để rờ ờ.i. 
 R: Số rμng buộc của tất cả các khớp động trong cơ cấu
 n: Số khõu động 
 pk: lμ số khớp loại k
10/01/2011 14
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 ƒ Tính BTD của cơ cấu ppghẳng
 Wn= 32−+−−( pprstc)
 Trong đú 
 n : số khõu động
 pt : số khớp loại thấp
 pc : số khớp loại cao
 r :s: số ràng buộcthc thừa
 s : số bậc tự do thừa 
10/01/2011 15
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Ví dụ tính BTD của cơ cấu
 Cơ cấu 4 khõu b ản lề:
 Số khõu động n = 3, số khớp thấp bằng 4, số khớp cao bằng 0, 
 khụng t ồntn tạiràngbui ràng buộcthc thừavàba và bậctc tự do thừaBa. Bậctc tự do:
 W = 33ì− 24 ì− 0 − 0 = 1
10/01/2011 ( ) 16
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Tính BTD của cơ cấu tay quay con tr−ợt
 A' A
 3
 2 B
 O 4
 1
 B' S 4
 S' 4
 Wn=−32( pptc +)
 = 3.3−+=( 2.4 0) 1
10/01/2011 17
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ BTD của cơ cấu 5 khâu bản lề phẳng
 C
 2 3
 B
 D
 1 4
 α 1 α 2
 5
 A E
 Wn=−32( pp54 +)
 ==+=343.42− ( 25.50+= 0) 2
10/01/2011 18
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Tính BTD của cơ cấu cam
 Wn=−32( pptc +)
 ==+=333.32− ( 23.31+= 1) 2 3
 Tuy nhiờn ta thấybậctự do của con lăn 2
 khụng làm thay đổivị trớ của cỏc khõu
 khỏc trong cơ cấu. Đõy chớnh là BTD
 thừacủacơ cấumà khi tớnh tỏtoỏn ta phhải
 bỏđi
 Wn=−32( pptc +) − 1 1
 =−3.3( 2.3 +−= 1) 1 1
10/01/2011 19
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 „ Tính BTD của cơ cấu 5 khâu 6 khớp bản lề
 Wn=−32( pptc +)
 =−3.4() 2.6 += 0 0
 B 2 C
 Ở đõy EF đúng vai trũ là một 
 ràng buộc thừa, khụng ảnh 
 E 4
 hưởng đến chuyển động của F
 cơ cấu mà chỉ làm cơ cấu 
 1
 vững ch ắc thờm 5
 A D
 Wn=−32( pptc +− 1)
 ==+=343.42− ( 26.601+ 0− 1) = 1
10/01/2011 20
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
1.4. Nggyuyên lý hỡnh thμnh vμ phân tích cấu trúc cơ cấu
ƒ Nguyên lý hỡnh thμnh cơ cấu:
 “Bất cứ cơ cấu nμocũng đềucóthể hỡnh thμnh bằng cách nối
 lần l−ợt các nhóm chuỗi có bậc tự do bằng 0 với (các) khâu dẫn
 B
 A 3 3
 vμ giá” C
 4 4
 2 5 2 5
 E 6 6
 O D
 1
 1 1
 (a) (b)
 3
 2 4
 5
 6
 10/01/2011 21
 (c)
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 ƒ Nhúm tĩnh định
 Nhóm có W =0vμ không thể tách thμnh các nhóm có W =0
 nhỏ hơn gọi lμ nhóm tĩnh định
 Wnp= 32−=⇔=tt 0 2 p 3 n
 n phải l μ bội số của 2 v μ pt lμ bội số của 3 
 Loại của nhóm tĩnh định đ−ợc xác định theo loại 
 cao nhất của đa giác khép kín có trong nhóm đó
10/01/2011 22
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Loại nhúm tĩnh định
 B B A B AF
 2
 4 1 4
 1 C
 C 2
 1 2 1 2 F
 3 B E
 D 3
 A C A C E
 Loại III D
 B Loại II B AF B
 2 C
 1 4
 C A
 1 2 1 2 2 1 D
 LoạiIVi IV 3
 B E
 3
A C A C
 4 E
 D F
 10/01/2011 23
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 ƒ Thay thế khớp cao bằng khớp thấp
 ƒ Điều kiện 1: Số BTD của cơ cấu tr−ớc vμ sau khi thay
 không đổi.
 ƒ Điều kiện 2: Chuyển động t−ơng đối (tức thời) tr−ớc vμ
 II
 sau khi thay không đổi. C
 Vớ dụ:
 N 3
 C
 I II A
 O
N 1 I
 2 A O2 3
 N B
 2
 1
 3 I
 2 B
 A 1
 B C II 1
 A N
10/01/2011 24
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 ƒ Phân tích cấu trúc cơ cấu
 Thựchiện theo cỏc bướcsau:
 ƒ Loạibỏcácrμng buộc thừa vμ BTD thừa nếu có
 ƒ Thay khớp loại cao thμnh chuỗi động gồm 1 khâu vμ 2
 khớp thấp
 ƒ Tính BTD của cơ cấu để xác định số khâu dẫn
 ƒ Chọn khâu dẫn hoặc giá sao cho cơ cấu có hạạgng bé nhất
 ƒ Tách khỏi cơ cấu các nhóm tĩnh định với chú ý loại của
 nhóm tĩnh định lμ nhỏ nhất có thể. Việc tách nhóm tiếp
 tục cho đến khi còn lại (các) khâu dẫn với giá
10/01/2011 25
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 ƒ Vớdụ:
 Xét cơ cấu có l−ợc đồ:
 C
 B
 F
 O
 A D
 G
10/01/2011 26
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 C
 6
 7
 B 5
 1
 F 8
 4 O
 A D
 2
 3 G
 E
 B−ớc 1: Loạ i bỏ c ác rμng bbộuộc thừ a vμ BTD thừa.
 B−ớc 2: Thay khớp loại cao thμnh chuỗi động gồm 
 một khâu v μ 2 khớp thấp 
10/01/2011 27
 I. Phân tích cấu trúc cơ cấu
 B−ớc 3: Tính BTD của cơ cấu Wnp===ìì=32− t =ì 382112− ì=
 B−ớc 4: Chọn khâu dẫn: Chọn khâu 1 vμ khâu 2 lμm khâu dẫn.
 B−ớc 5: Tách khỏi cơ cấu các nhóm tĩnh định
 C
 6
 7
 B 5
 O
 1 8
 4 F 2
 A D
 3 G
 E
 Ta thu được cấu trỳc của II(7,8)
 
 cơ cấu cú dạng như sau: I(0,1) → II(6, 5)
  II(4,3)→ I(2,0)
10/01/2011 28