Bài giảng Nguyên lý máy - Chương V: Cơ cấu thanh

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
 Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy
 ----------&&&&&---------
 NGUYÊN LÝ MÁY
 CHƯƠNG 5
 CƠ CẤU THANH
10/01/2011 1
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.1. Khái quát chung
 „ Khái niệm:
 „ Cơ cấu thanh là cơ cấucócáckhớp động đềulàkhớpthấp(khớptịnh tiến,
 khớp quay). Do đócơ cấu thành còn là cơ cấuphẳng toàn khớpthấp
 „ Đượcsử dụng nhiều trong kỹ thuật:
10/01/2011 2
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.1. Khái quát chung
 „ Nội dung:
 „ Nghiên cứu các đặctrưng cơ bảncủa các cơ cấu
 „ Thiết kế cơ cấu: dựavàocácyêucầu đề ra để chọn lược đồ cơ
 cấuthíchhợprồixácđịnh các kích thướccủalược đồ cơ cấu
 đãchọn.
 „ Phương pháp:
 „ Các phương pháp thiếtkế cơ cấu:
 „ Giải tích,
 „ Đồ giải
 „ Thực nghiệm.
 „ Tuỳ vào yêu cầu của bài toán và các điều kiện cho trước mà ta
 chọnphương pháp thiếtkế.
10/01/2011 3
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.1. Khái quát chung
 „ Ưu điểm:
 „ Thành phầnkhớp động là mặtnênlâumòn,chịu đượctảitrọng
 lớn do áp suất nhỏ, khả năng truyền lực lớn.
 „ Chế tạo đơngiản.
 „ Dễ dàng thay đổiquyluật chuyển động của các khâu bị dẫn
 nhờ thay đổi kích thước khâu dẫn.
 „ Nhược điểm:
 „ Khó thiếtkế chính xác cơ cấutheocácđiềukiệnchotrướcvà
 khó thựchiện chính xác các quy luật chuyển động phứctạp.
 „ Khó cân bằng lựcquántínhcủa các khâu chuyển động phức
 tạp, khi vậntốc cao sẽ ggyây ra các tảitrọng động lớnnêncơ cấu
 thanh thường được dùng khi vậntốctương đốithấp.
10/01/2011 4
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Khái niệm: Cơ cấu4khâubảnlề
 là cơ cấugồm 4 khâu nốivới nhau
 bằng các khớp quay (khớp bản lề).
 „ Khâu cốđịnh gọilàgiá.
 „ Khâu đốidiệnvới khâu cốđịnh
 gọi là thanh truyền (chuyển
 động song phẳng).
 „ Hai khâu còn lạinốivớigiácố
 định gọi là tay quay nếu nó
 quay được toàn vòng (3600)và
 gọilàcầnlắc nếunóchỉ lắc
 qua lắc lại.
10/01/2011 5
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Các biếnthể:
 „ Thay đổihìnhdạng và kích thướctương đối các khâu
10/01/2011 6
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Các biếnthể:
 „ Thay đổikíchthước các khớp động
10/01/2011 7
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Các biếnthể:
 „ Chọn các khâu khác nhau làm giá
10/01/2011 8
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Điềukiệntồntại tay quay:
 „ Tuỳ theo quan hệ kích thướccủa các
 khâu, cơ cấu 4 khâu bản lề có thể có 2
 tay quay, 1 tay quay và 1 cầnlắchoặc
 2cầnlắc.
 „ Giả sử khâu a và d đều có thể quay
 toàn vòng quanh khớp A.Tacó:
 a + d ≤ b+ c
 b ≤ (d - a) + c ⇔ a + b ≤ d +c
 c ≤ (d - a)+b ⇔ a + c ≤ d + b
 ⇒ a ≤ b; a ≤ c; a ≤ d
10/01/2011 9
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Điềukiệntồntại tay quay:
 ⇒ Điềukiện để 2 khâu củachuỗi động
 kín 4 khâu nối với nhau nhờ 4 khớp
 quaycóthể quay toàn vòng đốivới
 nhau:
 ™ Trong 2 khâu đó phải có 1 khâu là
 khâu ngắnnhấtcủachuỗi động.
 ™ Tổng chiềudàicủakhâungắnnhất
 đó với khâu dài nhất của chuỗi
 động phảinhỏ hơnhoặcbằng tổng
 chiềudàicủa 2 khâu còn lại:
 lmin + lmax ≤ l’ + l”
10/01/2011 10
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Điềukiệntồntại tay quay:
 „ Chuỗi động 4 khâu bảnlề có thể phân thành 2 nhóm:
 „ Nhóm 1: lmin + lmax > l’ + l” ⇒ Lấy bấtcứ khâunào làmgiá thì cơ
 cấu đềuchỉ có2cầnlắc.
 „ Nhóm 2: lmin + lmax ≤ l’ + l” ⇒ Khâu ngắnnhấtcủachuỗi động này
 có thể quay toànvòng đối với khâkhâu tạovới nó thành khớp quay. Do
 đó ta có các trường hợp:
 ™ Chọnbấtcứ khâu nào kề với khâu ngắnnhất làm giá, cơ cấu
 sẽ có1tayquayvà1cầnlắc.
 ™ Chọn khâu ngắnnhất làm giá, cơ cấusẽ có 2 tay quay
 ™ Chọn khâu đốidiện khâu ngắnnhấtlàmgiá, cơ cấusẽ có 2
 cầnlắc
10/01/2011 11
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Điềukiệntồntại tay quay: C C
 „ Các trường hợpcủa nhóm 2: B B
 ™ Chọn bất cứ khâu nào kề với
 khâu ngắnnhấtlàmgiá,cơ cấu A D A D
 sẽ có1tayquayvà1cầnlắc. (a) (b)
 ™ Chọn khâu ngắn nhất làm giá,
 cơ cấusẽ có 2 tay quay C C
 B B
 ™ Chọn khâu đốidiệnkhâungắn
 nhất làm giá, cơ cấu sẽ có 2
 A D A D
 cầnlắc
 (c) (d)
10/01/2011 12
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.2. Cơ cấu 4 khâu bảnlề
 C
 „ Điềukiệntồntại tay quay: 2
 „ Ví dụ: Cho l =0.3m,l =0.5m, B l 2
 1 2 l 3
 l = 0.6m, Xác định l để cơ cấu 3
 4 3 l 1
 có AB là tay quay, CD là thanh 1
 A l 4
 lắc. D
 4
 „ Giải
 AB phải là khâu ngắnnhấtnên Trường hợp l3 = lmax:
 ll31≥→≥ l 30.3 m
 →+≤+ll13 ll 24
 Trường hợp l = l :
 4 max →≤+−llll3241
 →+≤+ll14 ll 23
 →≤lm3 0.8
 →≥+−llll3142
 →≤≤0.6ml3 0.8 m
 →≥lm0.4
 3 Kếtluận: 0.4ml≤ ≤ 0.8 m
 →≤≤0.4ml 0.6 m 3
10/01/20113 13
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Tỉ số truyền: Là tỷ số vậntốc góc 2 khâu nốigiá
 ω1
 i = P23
 13 ω
 3 2
 Tính tỉ số truyềntheotâm C
 P12
 vậntốctứcthời: Vậntốc B 3
 góc 2 khâu tỷ lệ nghịch với 1
 khoảng cách từ tâm vậntốc A D
 tứcthờituyệt đốitớitâm P13 P14 4 P34
 vậntốctứcthờitương đối
 Tâm vận tốc tức thời của cơ cấu
 của chúng.
 ω1 P13P 34
 i13 ==
 ω31314P P
10/01/2011 14
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 C
 „ Tỉ số truyền: C2
 Đặctrưng củatỉ số truyền: 2
 B C
 ™ i13 là đại lượng thay đổi theo vị trí. 1 3
 θ ψ
 ™ i13 =1khicơ cấu4khâubảnlề là
 1 B
 cơ cấuhìnhbìnhhành.Điểm P khi 2
 13 ϕ1
 đó ở ∞ vì khâu 2 và 4 lôluônsong A D
 4
 song nhau.
 ϕ2
 ™ Khi tay quay và thanh truyềnduỗi
 B1
 thẳng hay chậpnhau, P13 sẽ tùtrùng A,
 ω3 = 0, khâu 3 lúc này ở các vị trí
 biên và bắt đầu đổichiềulắc. Góc ψ
 giữa 2 vị trí biên gọi là góc lắc.
10/01/2011 15
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ Góc áp lực và góc truyền động:
 a. Góc áp lực: Góc giữalựcvà P
 n P
 vận tốc tuyệt đối của điểm γ
 C
 C α
 đặtlực. 1 Pt
 C
 r 2
 α = P,vr 2 δ=γ
 ()C B
 δmin
 α càng nhỏ càng tốtvì δmax
 1
 N = P.vC.cosα
 ω1
 A B2
 b. Góc truyền động: B1 D
 4
 Góc γ xen giữa Pn và P.
 Vì γ + α =900
 → γ càng lớn càng tốt.
 0
 Để cơ cấutruyền động an toàn, khi thiếtkế ngườitathường lấy γmin = 40 .
10/01/2011 16
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 „ C
 Chuyển động về nhanh: C2
 Khi tay quay và thanh truyềnnằmtrên 2
 1 đường thẳng → vị trí cực hạn.
 B
 C1 3
 Góc nhọnxengiữa2vị trí cựchạngọi
 θ ψ
 là góc cựcvị θ. 
 1 B2
 Hành trìhình đi: Từ AB1- → AB2, (ϕ1) ϕ1
 A D
 Hành trình về:Từ AB2- → AB1,(ϕ2) 4
 ϕ > ϕ mà tay quay quay đềunênvận
 1 2 ϕ2
 tốccủacầnlắc CD khi đisẽ béhơn
 B
 khi về→chuyển động về nhanh. 1
 → Sử dụng khi thiếtkế các máy có hành trình không làm việcvề nhanh
nhằm rút ngắnthờigianchạy không
 10/01/2011 17
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 C
 C2
 „ Hệ số biếnthiênvậntốc:
 Hệ số biếnthiênvậntốc k (hệ số về 2
 B C
 nhanh, hệ số năng suất) là tỷ số giữa 1 3
 θ ψ
 vậntốc trung bình của khâu bị dẫn 
 khi chạy không và khi làm việc: 1 B2
 0 ϕ
 v ϕ 180+θ k − 1 1
 21 0 D
 k == =0 ⇒=θ 180 A
 vk12ϕθ180− + 1 4
 ϕ2
 B1
 Nhận xét: Cơ cấu tay quay cầnlắc khi chuyển động có xuấthiện góc cực
 vị θ thì cơ cấu đócótínhvề nhanh. Góc θ càng lớn → k càng lớn → thời
 gian chạy không của máy và công suất cần thiết của động cơ càng giảm.
10/01/2011 18
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.3. Các đặctrưng cơ bảncủacơ cấu 4 khâu bảnlề
 C
 C2
 „ Vị trí chết:
 2
 ™ Chọn khâu CD làm khâu dẫn
 B
 C1 3
 ™ Xét 2 vị trí tay quay AB và thhhanh
 θ ψ
 truyền BC cùng nằmtrênmột đường 
 B
 thẳng. 1 2
 ϕ1
 ™ Khi đó lựctác dụng từ khâu dẫn CD A D
 qua BC tới AB đi qua tâm các khớp 4
 quay A và B → không thể làm quay ϕ2
 AB → gọi là 2 vị trí chết B1
 Xét về mặttruyền động, sự tồntạivị trí chếtlàcóhại. Tuy nhiên trong kỹ
 thuật, ngườitacònlợidụng vị trí này ví dụ như cơ cấu4 khâubảnlề dùng
 để kẹp chặt phôi.
10/01/2011 19
 5C5. CƠ CẤU THANH
 5.4. Thiếtkế cơ cấu 4 khâu bảnlề
 C
 Ví dụ 1:Xácđịnh kích thước tay quay 2
 C1
 l1 và thanh truyền l2 củacơ cấutay - l 1
 l 2
 quay cầnlắc, biếtchiềudàicầnlắclà θ
 l 3
 ψ
 l3, góc lắc là ψ, hệ số về nhhhanh là k.
 B
 Các bướcthựchiện: 2
 k −1 A D
 θ =1800
 ™ Tính góc cựcvị k +1
 B 1
 1 + l
 ™ Vẽ thanh lắctại2vị trí giớihạn DC1 l 2 
 và DC2.
 ™ Từ C1 (hoặc C2)kẻ nửa đường thẳng
 bấtkì,rồitừ C2 (C1)kẻ nửa đường
 thẳng làm vớinửa đường thẳng vừa ™ Từ quan hệ hình học, ta có:
 rồi góc cựcvị θ. AC1 = l2 + l1
 AC2 = l2 - l1
 ™ Hai đường thẳng cắt nhau tại A là vị
 → Từ đó tìm được l và l .
 trí tâm quay của tay quay. 1 2
10/01/2011 20
 5C5. CƠ CẤU THANH
 c12
 C1
 c23
 5.4. Thiếtkế cơ cấu 4 khâu bảnlề C2
 Ví dụ 2:Xácđịnh kích thước giá và hai C3
 b
 khâu nốigiácủacơ cấubốnkhâu 12
 B1
 bảnlề biếttrướcbavị trí củathanh b23
 B
 truyền là C B , C B và C B . 2
 1 1 2 2 3 3 B3
 Các bướcthựchiện: A D
 ™ Kẻđường trung trực b12 và b23 của
 cáccungB1B2 và B2B3. Các đờđường
 này cắt nhau tại tâm quay A củakhâu
 AB.
 ™ Kẻ đờđường trung trực c12 và c23 của
 ™ Vậytađãxácđịnh được2điểm
 các cung C1C2 và C2C3.Cácđường
 này cắt nhau tại tâm quay D của của giá là A và D.Cơ cấunhư vậy
 khâu CD. đã được xác định.
10/01/2011 21
 5C5. CƠ CẤU THANH
 h
 C
 C C
 5.4. Thiếtkế cơ cấu 4 khâu bảnlề 2 1
 Ví dụ 3:Thiếtkế cơ cấu tay quay con 90°−θ
 θ
 trượt khi biếttrướchệ số biếnthiên e
 B
 vậntốc k,hànhtrìnhh củacontrượt A 1
 và độ lệch tâm e. B
 B
 Các bướcthựchiện: 2
 ™ Tính góc cựcvị
 ™ Dựng đoạnthẳng C1C2 = h biểuthị
 hành trình con trượt.
 P
 ™
 ™ Từ C1 kẻđường thẳng làm với C1C2 Kẻđường thẳng song song với
 0
 mộtgóc90 - θ, đồng thờitừ C2 kẻ C1C2 và cách 1 khoảng e. Đường
 đường thẳng vuông góc với C1C2. này cắt đường tròn tại A là tâm
 Hai đường này cắt nhau tại P. quay của tay quay AB cần tìm.
 ™
 ™ Dựng đường tròn qua 3 điểm P, C1, Sau khi tìm được A, tìm AB và BC
 C . tại các vị trí cựchạn(như Ví dụ 1),
10/01/20112 22