Bài giảng Nguyên lý máy - Chương III: Phân tích lực cơ cấu

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
 Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy
 ----------&&&&&---------
 NGUYÊN LÝ MÁY
 CHƯƠNG 3 
 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU
10/01/2011 1
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.1. Mục đích, nội dung và phương pppháp
 „ Mục đích:
 „ Xác định quy luật chuyển động thựccủamáy,
 „ Tíhính toán kích thước, độ bềncác khâu,
 „ Quy định hợplýchếđộbôi trơn các khớp động,
 „ Xác định công suấtmáy
 „ Nội dung
 „ Xác định phản lực trong các khớp động.
 „ Xác định lựchoặcmômencânbằng cần đặt lên khâu dẫn để cân
 bằng các ngoạilực khác tác dụng lên cơ cấu.
10/01/2011 2
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.1. Mục đích, nội dung và phương pppháp
 „ Phương pháp:
 „ Phương pháp đồ giải,
 „ Phương pháhápgiải tíhích.
 Chú ý:
 „ Nggoạilực đặt lên các khâu, các tham sốđộng học, các tham số
 quán tính và quy luật chuyển động củacơ cấuxemnhưđãbiết.
 „ Bỏ qua lực quán tính khi vậntốcthấphaykhốilượng khâu nhỏ .
 Nguyên lý Đalambe: Nếu ngoài những lực tác động lên một cơ
 hệ,tathêmvàođólựcquántínhvàcoichúngnhư những ngoạilực
 thì cơ hệđượccoiở trạng thái cân bằng.
 ⇒ dùng phương pháp tĩnh học để giải bài tátoán
10/01/2011 3
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.2. Các loạilựctácdụng lên cơ cấu
 „ Ngoạilực
 „ Lựccảnkỹ thuật: Lựctừđốitượng công nghệ và lựccảndoma
 sát, môi trường
 „ Trọng lượng của các khâu,
 „ Lực phát động,
 „ Lực quán tính
 „ Xuấthiện khi các khâu chuyển động có gia tốc,
 „ Lực quán tính gây nên áp lực động phụ và lực ma sát phụ,
 „ Nộilực
 „ Nộilựclàphảnlực trong các khớp động,
 „ Gồm2thànhphần: ⊥ và ⁄ ⁄ vớiphương chuyển động tương đối
10/01/2011 4
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.3. Cách xác định lực quán tính
 „ Khâu chuyển động tính tiến
 B r rruuur
 Do ε = 00→=M qt
 C a B Khâu chỉ có lực quán tính đi 
 Pqt qua tr ọng tâm S: 
 S a
 C uur r
 Pqt=−ma s
 a S
 A
 a A
10/01/2011 5
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.3. Cách xác định lực quán tính
 „ Khâu quay quanh trụccốđịnh điquatrọng tâm
 a. Khi khâ u quay đều 
 rrr uur r
 S aPmaS = 00→ qt=− s =
 ε b. Khi khâu quay không đều 
 Mqt
 rrr uur r
 aPmaSqts=→00 =− =
10/01/2011 6
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.3. Cách xác định lực quán tính
 „ Khâu quay quanh trục không điquatrọng tâm
 Pqt
 S a. Khi khâ u quay đều 
 a S
 O
 ω = const r rrrnnuur
 aaSS=→→ Pqt=− mama s =− S 
 b. Khi khâu quay không đều 
 r rrnt 42
 aaalSSSAS=+=ωε +
 uur r 42
 →=−=−Pmamlqt s AS ω +ε
10/01/2011 7
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.3. Cách xác định lực quán tính
 „ Khâu chuyển động song phẳng
 π
 a A
 a
 a S a
 a SA
 B s
 a
 SB r r uur r
 aPmas ≠→0 qt =− s
 b
 Pqt
 B
 Mqt
 A ε S
 ω
 a
10/01/2011S 8
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.4. Điềukiệntĩnh định củachuỗi động
 „ Điềukiệntĩnh định: Để giải bài toán áp lựckhớp động
 thì số phương trình cân bằng lựcphảibằng sốẩnchứa
 trong phhương tìtrình đó.
 „ Xét 1 chuỗi động n khâu và pk khớploạik
 „ Số phương trình lập được6nphương trình,
 „ Sốẩnchứa trong chuỗi động phụ thuộcvàosố lượng và loại
 khớp động, khớploạikchứakẩn,
 „ Theo điều kiện tĩnh định ta có:
 55
 6.n=−=∑∑ k pkk hay 6.0 n k p
 kk==11
 Đối với cơ cấu phhẳng 32.npp− 54−= 0
10/01/2011 9
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.4. Điềukiệntĩnh định củachuỗi động
 „ Sốẩncần xác định củacácloạikhớp động
 Khớp loại 1 Khớp loại 2 Khớp loại 3
10/01/2011 10
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.4. Điềukiệntĩnh định củachuỗi động
 „ Sốẩncần xác định củacácloạikhớp động
 Khớp loại 4 Khớp loại 5
10/01/2011 11
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.4. Điềukiệntĩnh định củachuỗi động
 „ Sốẩncần xác định củacácloạikhớp động
 Khớp loại4(i 4 (ph ẳng) Khớp loại5(i 5 (ph ẳng)
10/01/2011 12
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.5. Phân tích lựccơ cấu
 „ Các bước phân tích lực
 „ Xác định lực quán tính và đặt các ngoạilựctácdụng lên cơ cấu,
 „ Xác định khâu dẫn,
 „ Tách cơ cấu thành các nhóm tĩnh định (nếucókhớpcaothìthay
 bằng khớpthấptương đương),
 „ Bắt đầu tính lực đốivớinhómtĩnh định xa khâu dẫnnhấtcho
 đến khâu dẫn.
10/01/2011 13
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.5. Phân tích lựccơ cấu
 „ Xác định áp lựckhớp động
 „ Tách các nhóm tĩnh định ra khỏicơ cấu. Các ngoạilựclúcnày
 gồm có: lực cản kỹ thuật, trọng lực các khâu, lực quán tính và
 các áp lựckhớpchờ,
 „ Tách các khâu trong nhóm tĩnh định, đặt các áp lựckhớp động
 và các ngoại lực lên khâu,
 „ Viếtphương trình cân bằng lựcchotừng khâu,
 „ Giảicácphương trình viết cho các khâu thuộc 1 nhóm tĩnh
 định. Giải chocácnhóm ở xa khâu dẫntrước.
 Chú ý:Vớicơ cấuphẳng, 1 khâu có thể viết được3phương trình:
 r r
 ∑∑FFxy==0; 0; ∑ M0 z = 0
10/01/2011 14
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.5. Phân tích lựccơ cấu
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
 Xét cơ cấutayquay-contrượtnhư hình vẽ (a). Giả sửđãxác
 định được các lực và các mômen là những ngoại lực bao gồm
 lựccảnkỹ thuật, lực quán tính, trọng lượng các khâu.
 Xác định các áp lực ở các khớp A, B,O?
 A
 M 2
 2
 1
 M 3
 P2
 O
 4 B 3
 P3
 (a)
10/01/2011 15
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
Tách nhóm tĩnh định 2-3 ra khỏicơ cấu R12 chưabiếtphương nên ta
như hình (b) phân tích thành 2 thành phần
 A
 M như hình vẽ. Viết lại phương
 R n 2
 12 trình cân bằng lực:
R t
 12 2 M
 3 r rrnt r r r
 R P2 PPR2+ 3+++= 12 R 12 R 43 0
 12 3
 tt
 B
 P3 R
 (b) 43
Các áp lực R12 và R43 trở thành những ngoại lực.
Ta có phương trình cân bằng lực cho nhóm 2-3:
 rrr r r
 PPR2++ 3 12 + R 43 =0
 10/01/2011 16
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
 rt
 Tính R12
 Viếtphương trình cân bằng mômen cho khâu 2 đốivớiB:
 t
 ∑=MRlPhM()BAB 12 +−= 22 2 0
 n M 2
 R12
 t MPh222−
 →=R12 R t h
 12 2 2
 lAB
 P
 R12 2
 Nếukếtquả >0 thì chiều B
 đúng với chiều giả thiết
 R32
 (c)
10/01/2011 17
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
 Tính các lựccònlại
 Xếplạiphương trình cân bằng lực nhóm 2-3 và biềudiễnbằng các
 A
 đoạn biểudiễn: n M 2
 R12
 rrrrrtnr t
 R12
 RPPRR12+++ 2 3 43 + 12 =0 2 M 3
 P
 uur uuruuruuruur r R12 2
 abb++++ccdd eea= 0 3
 t t
 Giảiphương trình trên bằng tt B
 e
 P
 phương pháp họa đồ,tacó: AB 3 R43
 R n
 r uur 12
 Rd43 = μP. e a
 R
 rn uur 12 R t
 Rea12 = μP. 12
 R R23 b
 uuruuruurr uur 43
 P2
 eb=+→ ea ab R12 =μP. eb c
 P3
10/01/2011d 18
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
 Xác định vị trí đặtlựcR43
 Giả sửđiểm đặtlựcR43 cách B mộtkhoảng x. Viếtphương trình cân
 bằng mômen của khâu 3 với điểmB:
 xR43−−= h 3 P 3 M 3 0
 MhP+
 →=x 333
 R R23 h
 43 M 3 2
 3
 B
 P
 3 R43
 x
10/01/2011 19
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 „ Phân tích lựccơ cấu tay quay - con trượt
 Xác lựcR32 =-R23
 Viếtphương trình cân bằng lực cho khâu 2:
 rrrr M
 R n 2
 RPR12++ 2 32 =0 12
 R t h
 Từ họa đồ lực ở bướctrước, ta có: 12 2 2
 R P2
 r uur 12
 R = μ .ce tt
 32 P e B
 AB
 n
 R12
 R32
 a
 R12 t
 R12
 R43 R23 b
 P
 c 2
 P3
 d
10/01/2011 20
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.6. Tính lựccânbằng
 „ Phương pháp phân tích áp lực
 „ Vớiphương pháp này cầngiảibảitoánphântícháplựckhớp
 động như ở phần trước,
 „ Tính áp lựckhớp động ở khớpnốivới khâu dẫn
 „ Đặt vào khâu dẫn mômen hoặclực cân bằng
 „ Viếtphương trình cân bằng mômen hoặclực đốivớikhâudẫn
 để xác định mômen hoặclực cân bằng.
10/01/2011 21
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.6. Tính lựccânbằng
 „ Phương pháp phân tích áp lực
 „ VD: Tính lực cân bằng đặttrênkhâudẫncủacơ cấu tay quay –
 con trượt
 Đặtcáclựcvàmômencânbằng
 R
 21 lênkhâudẫnnhư hình vẽ.Viết
 phương trình cân bằng mô men đối
 B
 với điểmA,tacó:
 Mcb
 h21
 Mcb + MPhRh1112121+− =0
 Pcb
 M →=Mcb Rh21 21 −− M 1 Ph 1 1
 h1 1
 A l →=PMlcb cb /
 P1
10/01/2011 22
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.6. Tính lựccânbằng
 „ Phương pháp công suất
 Tính trựctiếplực cân bằng từ ngoạilựcvàlực quán tính mà
 không cần tính áp lực khớp động.
 Nguyên lý di chuyểnkhả dĩ:Trongmộthệ lực cân bằng, tổng
 công suấttứcthờicủatấtcả các lựcbằng0trongmọi di chuyển
 khả dĩ.
 NNrr+=0
 ∑∑PMii
 rrr r
 hay∑∑ Pii.. v+= M iω i 0
 Trong đó: vi là vậntốc các điểm đặtlực Pi
 ωi là vậntốc góc khâu i có mômen Mi bao gồmcả Mcb
10/01/2011 23
 3PHÂNTÍCHL3. PHÂN TÍCH LỰCCC CƠ CẤU
 3.6. Tính lựccânbằng
 „ Phương pháp công suất
 2
 VD: Cho cơ cấu culit như hình vẽ. A B
 ω 1
 Giả thiết kích thước hình học của 4 1
 các khâu đãbiết, S B=S C, S
 3 3 2 S 2
 trùng vớiB.Khốilượng khâu 3
 P2
 dẫn 1 coi như không đáng kể, M 3
 khốilượng và mômen quán tính
 3 S 3
 củakhâu2và3lầnlượtlàm2, 0°
 JS2 và m3, JS3 .P2 và P3 là trọng
 lượng củakhâu2vàkhâu3.Xác P3
 định mômen cân bằng đặttrên ω = ω
 4 2 3
 khâu dẫnbằng phương pháp
 C
 công suất.
10/01/2011 24