V Ị TRÍ C Ủ A MÔN H Ọ C
M ụ c tiêu: - Trình bày đượ c v ị trí c ủ a môn h ọ c;
- Tuân th ủ các điề u ki ệ n h ọ c t ậ p khi th ự c hi ệ n môn h ọ c
Môn học Nguyên Lý-Chi Tiết Máy được tổ chức sau khi sinh viên hoàn thành tất cả các môn học và mô-đun như vẽ kỹ thuật, vật liệu cơ khí, cơ lý thuyết, sức bền vật liệu, Autocad, và dung sai – đo lường kỹ thuật.
+ Môn học bắt buộc trước khi sinh viên học các môn học chuyên môn.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
M ụ c tiêu: - Trình bày đượ c đố i t ượ ng nghiên c ứ u c ủ a môn h ọ c;
Đối tượng nghiên cứu của môn học này bao gồm máy và cơ cấu Cơ cấu là tập hợp các vật thể chuyển động theo quy luật xác định, có nhiệm vụ biến đổi hoặc truyền chuyển độ ng Trong khi đó, máy là tập hợp một số cơ cấu có nhiệm vụ biến đổi hoặc sử dụng cơ năng để tạo ra công có ích.
Điểm giống nhau căn bản giữa máy và cấu trúc là chuyển động của cả hai đều tuân theo quy luật xác định.
- Điểm khác nhau căn bản là cơ cấ u ch ỉ bi ến đổ i ho ặ c truy ề n chuy ển độ ng, còn máy biến đổi hoặc sử dụng năng lượng
Ngày nay, kỹ thuật cơ cấu sử dụng một số lượng lớn các loại cơ cấu khác nhau Việc phân loại cơ cấu một cách khoa học và chỉ ra tính hệ thống của chúng là rất quan trọng Dựa trên phân loại này, chỉ cần nghiên cứu các cơ cấu điển hình cho mỗi loại, người ta có thể hiểu được tất cả các cơ cấu.
Cơ cấu có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí như chức năng làm việc, cấu trúc hình học và chuyển động của các khâu Chương 1 sẽ tập trung vào việc phân loại cơ cấu theo cấu trúc hình học, đây là phương pháp phân loại có tính hệ thống cao nhất.
N Ộ I DUNG NGHIÊN C Ứ U C Ủ A MÔN H Ọ C
M ụ c tiêu: - Trình bày đượ c n ộ i dung nghiên c ứ u c ủ a môn h ọ c;
Tuân thủ nội dung nghiên cứu của môn học là rất quan trọng, đặc biệt trong việc hiểu rõ về chuyển động của cơ cấu và máy Môn học Nguyên lý máy nghiên cứu ba vấn đề chung của các loại cơ cấu và máy, bao gồm cấu trúc, động học và động lực học.
Ba v ấn đề nêu trên đượ c nghiên c ứu dướ i d ạ ng hai bài toán: bài toán phân tích và bài toán t ổ ng h ợ p
- Bài toán phân tích c ấ u trúc nh ằ m nghiên c ứ u các nguyên t ắ c c ấ u trúc c ủa cơ c ấ u và kh ả năng chuyển độ ng c ủa cơ cấ u tùy theo c ấ u trúc c ủ a nó
Bài toán phân tích độ ng h ọ c nhằm xác định chuyển động của các khâu trong cơ cấu, chỉ dựa vào quan hệ hình học của các khâu mà không xem xét ảnh hưởng của các lực.
- Bài toán phân tích độ ng l ự c h ọ c nh ằm xác đị nh l ực tác động lên cơ cấ u và quan h ệ gi ữ a các l ự c này v ớ i chuy ển độ ng c ủa cơ cấ u.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU MÔN HỌC
M ụ c tiêu: - Trình bày đượ c ph ươ ng pháp nghiên c ứ u môn h ọ c;
- Tuân th ủ các ph ươ ng pháp nghiên c ứ u khi th ự c hi ệ n môn h ọ c
Bên cạnh các phương pháp lý thuyết trong môn học Cơ học, để nghiên cứu các vấn đề về động học và động lực học của cơ cấu, người ta áp dụng nhiều phương pháp khác nhau.
+ Phương pháp đồ thị (phương pháp vẽ - dựng hình)
Ngoài ra, các phương pháp thự c nghi ệm cũng có một ý nghĩa quan trọ ng trong vi ệ c nghiên c ứ u các bài toán v ề Nguyên lý máy
1 Trình bày đượ c v ị trí và đối tượ ng nghiên c ứ u c ủ a môn h ọ c Nguyên lí máy?
2 Trình bày được nội dung nghiêng cứu và phương pháp nghiên cứu của môn học Nguyên lí máy?
KHÂU
Trong cơ cấu máy, các bộ phận có chuyển động tương đối được gọi là khâu Khâu có thể là một tiết máy hoặc nhiều tiết máy ghép lại Nó có thể là vật rắn biến dạng như lò xo, vật rắn không biến dạng như pít tông, vật rắn dạng dây dẻo như dây đai, hoặc chất lỏng và khí.
Trong chương trình này, cơ cấu/ máy được nghiên cứu với giả thiết các khâu của chúng là vật rắn không biến dạng.
2.1.1 Bậc tự do của khâu a Định nghĩa
- Bậc tự do giữa hai khâu là khả năng chuyển động độc lập giữa hai khâu đó khâu đó
- Số bậc tự do giữa hai khâu là số khả năng chuyển động độc lập giữa hai khâu đókhâu đó. b Bậc tự do của khâu trong không gian
Xét hai khâu A và B để rời nhau trong không gian, hình 1.1
Hình 1.1Bậc tự do của khâu trong không gian
Gắn hệ quy chiếu OXYZ cho khâu A, coi khâu A là đứng yên (hay còn gọi là giá) trong khi khâu B chuyển động tương đối so với khâu A trong hệ quy chiếu này, với khâu B được gọi là khâu động.
Xét theo các trục OX, OY, OZ, khâu B có những chuyển động tương đối đối với khâu
- Ba chuyển động tịnh tiến theo các trục tương ứng: Tx, Ty, Tz
- Ba chuyển động quay quanh các trục tương ứng: Qx, Qy, Qz
Các chuyển động trên hoàn toàn độc lập với nhau và mỗi khả năng chuyển động độc lập này được gọi là một bậc tự do
Giữa hai khâu để rời nhau trong không gian có 6 bậc tự do Nếu có n1 khâu động, so với 1 khâu (giá) sẽ có 6(n1–1) bậc tự do Bậc tự do của khâu trên mặt phẳng cũng cần được xem xét.
Nếu khâu A và B để rời nhau trên cùng một mặt phẳng;
Mặt phẳng Oxz (hình 1.2) cho thấy khâu B chỉ còn ba khả năng chuyển động tương đối với khâu A: Qy, Tx, và Tz Do đó, giữa hai khâu có 3 bậc tự do để rời nhau trên cùng một mặt phẳng.
Nếu có n1 khâu động để rời nhau trên cùng một mặt phẳng, thì so với khâu giá sẽ có 3(n1-1) bậc tự do
2.1.2 Nối động và khớp động a Nối động các khâu
Để các khâu trong cơ cấu có chuyển động tương đối xác định, cần hạn chế bớt số bậc tự do giữa chúng Điều này đòi hỏi phải nối động các khâu lại với nhau.
Nối động các khâu là phương pháp giữ cho các khâu luôn tiếp xúc theo một quy cách nhất định trong quá trình chuyển động, giúp giảm bớt số bậc tự do giữa chúng Thành phần của khớp động và khớp động cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
- Thành phần khớp động là chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu khi nối động
- Khớp động: hai thành phần khớp động trong một mối ghép động tạo thành một khớp động.
Ví dụ 1: Cho một khâu là quả cầu A tiếp xúc với một khâu là mặt phẳng B (hình1.3)
Trong quá trình chuyển động, hình thức nối động đã tạo ra một khớp động C, với hai thành phần khớp động là hai tiếp điểm: CA và CB Điểm CA thuộc khâu A.
CB thuộc khâu B) Khớp C hạn chế được một bậc tự do đó là Ty
Hình 1.2 Bậc tự do của khâu trên mặt phẳng
Trong ví dụ 2, khâu hình trụ A tiếp xúc với mặt phẳng B, tạo ra khớp động CC’ trong quá trình chuyển động Hai thành phần của khớp động này là các đoạn thẳng CAC’A thuộc khâu A và CBC’B thuộc khâu B Khớp CC’ này hạn chế hai bậc tự do, cụ thể là Ty và Qz.
Trong ví dụ 3, khâu hình hộp A tiếp xúc với mặt phẳng B tạo ra một khớp động Khớp động này bao gồm hai mặt phẳng tiếp xúc: một thuộc khâu A và một thuộc khâu B Sự kết nối này giúp hạn chế ba bậc tự do, cụ thể là Ty và Qx.
Khớp động được phân loại theo tính chất tiếp xúc hoặc theo số bậc tự do bị hạn chế a Phân loại khớp động theo tính chất tiếp xúc
- Khớp loại cao (khớp cao) : là các khớp động có thành phần khớp động là điểm hoặc đường, (Khớp động tại ví dụ 1 và ví dụ 2)
Khớp loại thấp, hay còn gọi là khớp thấp, là các khớp động có thành phần khớp là mặt, bao gồm mặt cầu, mặt trụ hoặc mặt phẳng Ví dụ, khớp động trong ví dụ 3 được coi là khớp thấp do có thành phần khớp là mặt phẳng Ngoài ra, khớp động cũng có thể được phân loại theo số bậc tự do bị hạn chế hoặc số ràng buộc.
- Khớp loại 1; hạn chế được 1bậc tự do, hay có 1 ràng buộc, (khớp C, ví dụ 1 )
- Khớp loại 2; hạn chế được 2 bậc tự do, hay có 2 ràng buộc,(khớp tại ví dụ 2 )
- Khớp loại 3; hạn chế được 3 bậc tự do, hay có 3 ràng buộc, (khớp tại ví dụ 3 )
- Khớp loại 4; hạn chế được 4 bậc tự do, hay có 4 ràng buộc, (ví dụ khớp trụ )
- Khớp loại 5; hạn chế được 5 bậc tự do, hay có 5 ràng buộc, (ví dụ khớp bản lề)
Hình 1.3 Khớp cao C Hình 1.4 Khớp cao CC’ Hình 1.5 Khớp thấp
Để thuận tiện cho việc vẽ hình, các khớp động thường được thể hiện dưới dạng lược đồ qui ước Dưới đây là một số lược đồ khớp động phổ biến trong kỹ thuật.
Bảng 1: Một số lược đồ khớp động thường dùng trong kĩ thuật
Stt Tên KĐ Loại KĐ phẳng Số RB Lược đồ KĐ
(khớp quay) Khớp thấp loại 5 5
(khớp tịnh tiến) Khớp thấp loại 5 5
3 Khớp cao phẳng Khớp cao loại 4 4
4 Khớp vít Khớp thấp loại 5 5
Stt Tên KĐ Loại KĐ không gian Số RB Lược đồ KĐ
6 Khớp cầu Khớp thấp loại 3 3
7 Khớp trụ Khớp thấp loại 4 4
8 Khớp trụ quay Khớp thấp loại 5 5
9 Khớp tịnh tiến Khớp thấp loại 5 5
2.1.5 Lược đồ khâu và kích thước động của khâu
Kích thước động của khâu
Kích thước động của khâu là thông số xác định vị trí tương đối giữa các thành phần khớp động trên cùng một khâu
Thanh truyền trong động cơ đốt trong kết nối tay quay và pít tông qua hai khớp bản lề, với các mặt trụ trong của bạc biên có trục song song Kích thước động của thanh truyền được xác định bởi chiều dài giữa hai đường trục của bạc biên Để đơn giản hóa việc vẽ hình, các khâu được biểu diễn dưới dạng lược đồ, đảm bảo thể hiện đầy đủ các khớp động và kích thước động của khâu.
CHUỖI ĐỘNG VÀ CƠ CẤU
2.2.1 Chuỗi động a Định nghĩa: Nhiều khâu nối động với nhau tạo thành một chuỗi động b Phân loại
- Phân loại theo cấu trúc hình học có hai loại chuỗi động: chuỗi động kín và chuỗi động hở
+ Chuỗi động kín là chuỗi động trong đó có các khâu được nối động với ít nhất hai khâu khác; tức là tham gia ít nhất 2 khớp động, (hình 1.7)
+ Chuỗi động hở (hình.1.8) là chuỗi động trong đó có các khâu chỉ được nối động với một khâu khác; tức là chỉ tham gia một khớp động
- Phân loại theo chuyển động có hai loại chuỗi động: chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian
+ Chuỗi động phẳng là: chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trên cùng một mặt phẳng hoặc trên những mặt phẳng song song với nhau.(hình 1.7, hình 1.8)
+ Chuỗi động không gian là: chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trên những mặt phẳng không song song với nhau (chéo nhau hoặc giao nhau).(hình 1.9)
Hình 1.6 Lược đồ của khâu thanh truyền trong cơ cấu động cơ đốt trong
Kích thuớc động của khâu Luợc đồ khâu
Hình 1.7 Chuỗi động kín Hình 1.8 Chuỗi động hở
Chuỗi động trong hình 1.9 bao gồm 4 khâu, được kết nối bằng 3 khớp quay với các trục vuông góc, dẫn đến việc các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không song song Đặc biệt, khâu 3 và khâu 4 chỉ liên kết với một khâu khác, tạo thành một chuỗi động không gian hở.
Cơ cấu là một chuỗi động, trong đó một khâu được chọn làm hệ quy chiếu, gọi là giá, và các khâu còn lại được gọi là khâu động, có chuyển động xác định trong hệ quy chiếu này.
Lưu ý rằng trong thực tế, các khâu có thể có giá cố định, như vỏ máy hoặc móng máy, hoặc không cố định Khi phân tích chuyển động của các khâu với giá, giá sẽ được coi là cố định.
2.2.3 Bậc tự do của cơ cấu a Khái niệm về số bậc tự do của cơ cấu
Số bậc tự do của cơ cấu là số quy luật truyền chuyển động độc lập có thể của cơ cấu
Hình 1.12 Cơ cấu không gian
Hình 1.10 Cơ cấu phẳng đóng kín Hình 1.11 Cơ cấu phẳng hở
Hình 1.9 Chuỗi động không gian
Số bậc tự do của cơ cấu được xác định bởi số thông số vị trí cần thiết để hoàn toàn xác định vị trí của tất cả các khâu trong cơ cấu.
Ví dụ: Cho cơ cấu bốn khâu bản lề
Góc $\phi$ là góc giữa khâu AB với giá, và khi $\phi$ được xác định, vị trí của khâu AB cũng sẽ được xác định Từ đó, vị trí của các khâu còn lại trong cơ cấu cũng hoàn toàn xác định Do đó, ta nói cơ cấu này có một bậc tự do Công thức tính bậc tự do của cơ cấu là một yếu tố quan trọng trong việc phân tích và thiết kế cơ cấu.
Công thức tính bậc tự do cơ cấu sẽ có dạng như sau:
W = WO – R Trong đó: W - là số bậc tự do cơ cấu ;
Wo - là tổng số bậc tự do của các khâu động khi còn để rời nhau đối với hệ qui chiếu gắn liền với giá ;
R - là tổng số ràng buộc của các khớp động trong cơ cấu c Công thức tính bậc tự do cơ cấu không gian
Xét cơ cấu gồm giá cố định và n khâu động
Do mỗi khâu động khi để rời sẽ có 6 bậc tự do nên tổng số bậc tự do của n khâu động: WO
Để tính bậc tự do của cơ cấu, chúng ta cần xác định giá trị R Đối với các cơ cấu không có đa giác nào, tức là không có khớp đóng kín, khi nối n khâu động với nhau và với giá bằng Pj cho khớp loại j, tổng số ràng buộc của các khớp động trong cơ cấu sẽ được xác định theo công thức cụ thể.
Với Pj - là số khớp loại j trong cơ cấu j - là chỉ số bằng số ràng buộc của khớp động loại j
Ví dụ 1: cơ cấu rô to, (hình 1.14)
Có n = 1 (vì có 1 khâu động),
Pj = P5 = 1 (khớp quay A loại 5) j = 5 (khớp A có 5 ràng buộc)
Như vậy cơ cấu có 1 bậc tự do hay nói một cách khác là có một khả năng chuyển động; (Qz )
Hình 1.14 Cơ cấu rô to
Hình 1.13 Bậc tự do của cơ cấu bốn khâu bản lề
1, 3 Khâu nối giá; 2 Thanh truyền;
Đối với các cơ cấu có lược đồ là đa giác đóng kín hoặc có cấu trúc hình học đặc biệt, yếu tố hình học ảnh hưởng đến việc xác định tổng số ràng buộc R Cần xem xét các ràng buộc trùng Rtr và ràng buộc thừa Rth trong công thức tính bậc tự do.
Ví dụ 2: Xét cơ cấu (hình 1.15)
Cơ cấu này có hình dạng tứ giác với một khớp đóng kín Trong số bốn khớp động, có thể chọn bất kỳ khớp nào làm khớp đóng kín Giả sử khớp D được chọn làm khớp đóng kín, các khâu 3, 2, 1, 4 được kết nối với nhau qua các khớp bản lề C, B, A, trong khi khớp đóng kín D vẫn chưa được nối.
Các khâu 3 và 4 hiện chưa được kết nối trực tiếp, mà chỉ được kết nối gián tiếp thông qua các khâu 1 và 2 cùng với các khớp động A, B, C Sự kết nối gián tiếp này đã làm hạn chế một số bậc tự do, cụ thể là Tz, Qy, Qx, tạo ra các ràng buộc gián tiếp cho hai khâu 3 và 4.
Khi khâu 3 và 4 được kết nối trực tiếp qua khớp quay D, giữa chúng tồn tại 5 ràng buộc: Tx, Ty, Tz, Qx, và Qy Trong số đó, có 3 ràng buộc trùng nhau giữa các ràng buộc trực tiếp và gián tiếp, cụ thể là Tz, Qy, và Qx, được gọi là ràng buộc trùng và ký hiệu là Rtr Việc tính toán không phân biệt các ràng buộc này dẫn đến số lượng ràng buộc tính toán lớn hơn số ràng buộc thực tế Rtr.
Vậy n = 3 , P5 = 4 , Rtr = 3 ; (cơ cấu có một khớp khép kín) Áp dụng công thức: W = 6 n – (∑ 5 𝑗=1 𝑗𝑃 𝑗 - Rtr) = 6.3 – (5.4 - 3) = 1
W = 1; tức là có một khảnăng chuyển động, đó là chuyển động quay Qz
Cơ cấu hình bình hành (hình 1.17a) bao gồm 4 khâu động (khâu 1, 2, 3, 5) và 6 khớp bản lề (A, B, C, D, E, F) Tất cả các khớp động đều có đường tâm trục song song với nhau.
AB = DC, AE = DF, AD = BC = EF, và có hai khớp động tạo thành khớp khép kín (có thể chọn khớp D và F) Cơ cấu này bao gồm hai đa giác: ABCD và AEFD Áp dụng công thức tính bậc tự do cho cơ cấu, ta có:
Hình 1.15 Lược đồđộng là một tứ giác
Hình bình hành (hình 1.17a) được xác định là một giàn tĩnh định, không có khả năng chuyển động Tuy nhiên, thực tế, nó là một cơ cấu với số bậc tự do lớn hơn.
0 Có thể giải thích điều này như sau:
Cơ cấu hình 1.17b, trước khi kết nối khâu 1 và 3 thông qua khâu 5 cùng với hai khớp quay E và F, chính là cơ cấu bốn khâu bản lề Cơ cấu này có hình dạng giống như một hình bình hành và có W.
Việc kết nối khâu 1 và 3 thông qua khâu 5 cùng với hai khớp quay E và F nhằm mục đích duy trì khoảng cách cố định giữa hai điểm E1 thuộc khâu 1 và F3 thuộc khâu 3, bằng độ dài của khâu 5, tức là \( lE5F5 = lAD = lBC \) Tuy nhiên, việc kết nối này là không cần thiết, vì \( lAE = lDF \) và ABCD là hình bình hành, do đó luôn có \( lE1F3 = lAD = lBC \).
X Ế P LO Ạ I CƠ C Ấ U PH Ẳ NG THEO C Ấ U TRÚC
2.3.1 Nguyên lý tạo thành cơ cấu của A txua
Mỗi cơ cấu gồm một hay nhiều khâu dẫn nối với giá và nối với những nhóm tĩnh định tối giản có bậc tự do bằng không
Cơ cấu bốn khâu bản lề bao gồm một khâu dẫn (khâu 1) kết nối với giá và một nhóm có bậc tự do bằng không (nhóm 2 khâu: khâu 2 và 3) cùng với ba khớp động (B, C, D).
Giới hạn xếp loại cơ cấu phẳng chỉ áp dụng cho toàn bộ khớp thấp loại 5 Nếu cơ cấu có khớp phẳng loại 4, cần phải thay thế khớp cao này bằng khớp thấp loại 5 trước khi tiến hành xếp loại Nhóm Axua.
Nhóm tĩnh định tối giản, hay còn gọi là nhóm Axua, có bậc tự do bằng không trong cơ cấu Khi cố định các khớp chờ, nhóm Axua trở thành một giàn tĩnh định tối giản Đặc biệt, khi xác định trước các vị trí của các khớp chờ, vị trí của nhóm sẽ hoàn toàn được xác định.
Nhóm Axua BCD, như hình 1.19c, bao gồm hai khớp chờ B và D, trong đó khớp B kết nối với khâu dẫn và khớp D kết nối với giá Khi cố định hai khớp chờ này, nhóm Axua trở thành một giàn tĩnh định tối giản, được thể hiện trong hình 1.20.
Khi xác định vị trí của hai khớp chờ B và D, vị trí của khớp trong C được xác định rõ ràng là giao điểm của hai cung tròn với tâm B và D, có bán kính lần lượt là lBC và lDC.
Hình 1.19 Tách cơ cấu bốn khâu bản lề
Hình 1.20 Giàn cố định tối giản Hình 1.21 Vị trí của khớp C
Nhóm Axua được phân chia thành hai loại: một loại không chứa chuỗi động kín đơn và loại còn lại có ít nhất một chuỗi động kín đơn Tập hợp các nhóm Axua không chứa chuỗi động kín đơn là một phần quan trọng trong nghiên cứu này.
Trong tập hợp này có hai loại nhóm Axua: nhóm Axua loại hai và nhóm Axua loại ba
- Nhóm Axua loại hai; gồm những nhóm hai khâu ba khớp thấp loại 5
Lưu ý: Nhóm gồm 2 khâu và 3 khớp trượt không phải là nhóm Axua
Nhóm Axua loại ba bao gồm các nhóm có khâu cơ sở được kết nối với các khâu khác trong nhóm thông qua ba khớp động Đồng thời, tập hợp những nhóm Axua này cũng chứa ít nhất một chuỗi động kín đơn.
Các nhóm này đều có loại lớn hơn 3, tức là có loại từ 4 trở lên Loại của nhóm được phân loại dựa trên số cạnh của chuỗi động kín đơn có nhiều cạnh nhất trong nhóm.
Nhóm Axua cần đảm bảo không chỉ có bậc tự do bằng không mà còn phải xác định rõ vị trí các khớp chờ của nhóm.
Hình 1.23 Nhóm Axua loại ba
Hình 1.22 Nhóm Axua loại hai a Nguyên tắc xếp loại cơ cấu
Nếu cơ cấu không có nhóm Axua nào và chỉ bao gồm một khâu động nối với giá bằng một khớp thấp loại 5, như trong cơ cấu Rô to (hình 1.25), thì nó được phân loại là loại 1.
- Nếu cơ cấu chứa một nhóm Axua, thì loại của cơ cấu là loại của nhóm Axua đó
Nếu một cơ cấu chứa nhiều nhóm Axua, loại của cơ cấu sẽ được xác định theo nhóm Axua có loại cao nhất Để phân loại cơ cấu, cần xác định các nhóm Axua có trong đó Trước khi tiến hành phân loại, việc tách các nhóm Axua ra khỏi cơ cấu là cần thiết, và quá trình tách này phải tuân theo nguyên tắc tách nhóm đã được quy định.
- Khi tách nhóm Axua phải cho trước khâu dẫn
Sau khi tách một nhóm Axua khỏi cơ cấu, phần còn lại cần duy trì tính hoàn chỉnh, tức là phải là một chuỗi động có bậc tự do tương đương với bậc tự do của cơ cấu ban đầu.
Khi tách nhóm Axua, nên bắt đầu với những nhóm Axua đơn giản nhất và ở xa khâu dẫn nhất Nếu không đáp ứng được nguyên tắc thứ hai, chỉ lúc đó mới cần tách ra những nhóm Axua có loại cao hơn và phức tạp hơn.
2.3.4 Thay thế khớp cao loại 4 bằng khớp thấp loại 5 a Mục đích Đối với cơ cấu phẳng có khớp cao loại 4, muốn xếp loại chúng theo phương pháp Axua, thì trước tiên phải thay thế khớp cao này bằng khớp thấp loại 5; đưa cơ cấu có khớp cao về cơ cấu tương đương gồm toàn khớp thấp loại 5 Sau đó, tiến hành xếp loại cơ cấu tương đương b Xét điếu kiện thay thế Để thay thế một khớp cao loại 4, người ta dùng một chuỗi động gồm toàn khớp thấp loại 5, chuỗi động này phải đảm bảo hai điều kiện sau:
Không làm thay đổi số bậc tự do của cơ cấu
Không làm thay đổi qui luật chuyển động của các khâu
Hình 1.25 Cơ cấu Rô to
Một khớp cao loại 4 tương đương với một khâu và hai khớp loại 5 Vị trí của các khớp loại 5 này nằm trùng với tâm cong của các thành phần khớp cao loại 4.
Bảng 2 sau đây minh hoạ một số chuỗi động thay thế một số khớp cao loại 4 thường gặp trong kỹ thuật
Bảng 2: Thay thế một số dạng khớp cao loại 4 thường gặp trong kĩ thuật
Stt Khớp cao loại 4 Chuỗi động thay thế
1.Nội dung và phương pháp nghiên cứu môn học Nguyên lý máy?
2 Khái niệm về tiết máy, khâu, chuỗi động, cơ cấu và máy Cho ví dụ minh hoạ?
3 Khái niệm bậc tự do của khâu, nối động, thành phần khớp động và khớp động, lược đồ khớp động Phân loại khớp động,?
4 Khái niệm về bậc tự do của cơ cấu Viết công thức tính bậc tựdo cơ cấu không gian và cơ cấu phẳng?
5 Phát biểu nguyên lý tạo thành cơ cấu của Axua Khái niệm về nhóm Axua, xếp loại nhóm Axua?
6 Nguyên tắc tách nhóm Axua và nguyên tắc xếp loại cơ cấu?
7 Thay thế khớp cao loại 4 bằng khớp thấp loại 5; mục đích và điều kiện thay thế?
Hình 1.26 Thay thế khớp cao loại 4
1 Tính bậc tự do của cơ cấu máy ép thủy động
2 Tính bậc tự do của cơ cấu máy dập cơ khí (Hình
3 Tính bậc tự do và xếp loại cơ cấu nâng thúng hạt giống (hình 1.29)
4 Tính bậc tự do và xếp loại cơ cấu cắt kẹo tự động (hình 1.30)
Chương 3 ĐỘNG HỌC CƠ CẤU
MỤC ĐÍCH, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP
Xác định qui luật truyền chuyển động của cơ cấu từ khâu dẫn đến các khâu bị dẫn
Nội dung nghiên cứu gồm ba vấn đề, dưới ba dạng bài toán:
- Bài toán chuyển vị; xác định vịtrí các khâu và quĩ đạo chuyển động do một điểm nào đó trên khâu vẽ ra trong quá trình chuyển động
- Bài toán vận tốc; xác định vận tốc của từng điểm trên khâu và vận tốc góc của khâu
- Bài toán gia tốc; xác định gia tốc của từng điểm trên khâu và gia tốc góc của khâu
Phương pháp nghiên cứu trong phân tích động học cơ cấu bao gồm các phương pháp giải tích, hình học (vẽ), đồ thị và thực nghiệm Trong đó, hai phương pháp phổ biến nhất là giải tích và phương pháp hình học, hay còn gọi là phương pháp vẽ hoạ đồ Phương pháp hình học được ưa chuộng nhờ vào sự đơn giản, khả năng cho kết quả nhanh chóng và tính tiện dụng cho các bài toán sau này.
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG LOẠI 2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP
Phân tích động học cơ cấu thông qua phương pháp vẽ yêu cầu biểu diễn cơ cấu bằng lược đồ chuyển động Để thể hiện vận tốc và gia tốc, cần sử dụng các hoạ đồ véc tơ, do đó việc có tỉ xích hoạ đồ là rất quan trọng.
Tỉ xích hoạ đồ là tỉ số giữa giá trị thật và giá trị độ dài trên hình vẽ tính theo mm
Tỉ xích độ dài; ký hiệu là l và l = độ dài thực/(độ dài trên hình vẽ) = lAB/ AB) [m/mm]
Tỉ xích vận tốc; ký hiệu là v và v = Vận tốc thực/(độ dài trên hình vẽ) [ms -1 /mm]
Tỉ xích gia tốc; ký hiệu là a và a = Gia tốc thực/(độ dài trên hình vẽ) [ms -2 /mm]
Giải bài toán chuyển vị liên quan đến việc xác định vị trí của các khâu và quỹ đạo chuyển động do một điểm trên khâu của cơ cấu vẽ ra trong quá trình chuyển động Khái niệm về hoạ đồ chuyển vị cơ cấu và hoạ đồ cơ cấu là rất quan trọng trong việc phân tích và thiết kế các cơ cấu cơ khí.
- Hoạ đồ chuyển vị cơ cấu là hình vẽ biểu diễn vị trí tương đối của các khâu ứng với những vị trí xác định của khâu dẫn
- Hoạ đồ cơ cấu là lược đồ cơ cấu ứng với một vị trí xác định của khâu dẫn b Phương pháp vẽ giải bài toán chuyển vị
Xuất phát từ vị trí của khâu dẫn và kích thước động của các khâu, phương pháp quĩ tích tương giao được sử dụng để xác định vị trí và quĩ đạo của các điểm trên khâu bị dẫn Quá trình này diễn ra lần lượt theo từng nhóm Axua, bắt đầu từ nhóm Axua gần khâu dẫn nhất.
Vẽ hoạ đồ chuyển vị và xác định quỹ đạo của điểm B trên con trượt của cơ cấu tay quay con trượt (hình 2.1) Kích thước động của các khâu được cho là: lOA = 0,025m và lAB = 0,07m.
Chọn tỷxích độ dài; l = 0,001 m/mm và vẽ hoạđồ chuyển vịcơ cấu (hình 2.2)
Các kích thước trên hoạ đồ chuyển vị cơ cấu:
Hình 2.1 Cơ cấu tay quay con trượt Hình 2.2 Hoạđồ chuyển vị
Trên hoạ đồ chuyển vị của cơ cấu tay quay con trượt (hình 2.2)
Vẽ một vòng tròn với tâm O và bán kính OA = 25 mm, sau đó chia vòng tròn thành các điểm Ai Từ các điểm Ai, quay các cung tròn có bán kính AiBi = 70 mm, cắt trục x-x tại các điểm Bi Nối O với Ai và Bi để xác định vị trí của cơ cấu tương ứng với các vị trí khâu dẫn Trục x-x biểu thị quỹ đạo chuyển động của điểm B thuộc con trượt, trong khi h là hành trình của con trượt.
3.2.3 Bài toán vận tốc và bài toán gia tốc a Quan hệ vận tốc và gia tốc thường gặp
Vận tốc và gia tốc của hai điểm thuộc cùng một khâu
Nếu hai điểm A và B thuộc cùng một khâu vật cứng không biến dạng, chúng sẽ chuyển động với vận tốc góc $\omega$ và gia tốc góc $\epsilon$ Trong đó, điểm A có vận tốc dài $\vec{v}_A$ và gia tốc dài $\vec{a}_A$ được xác định.
Vận tốc của hai điểm thuộc cùng một khâu
𝑣⃗ 𝐵 = 𝑣⃗ 𝐴 + 𝑣⃗ 𝐵𝐴 ( 2.1 ) Với 𝑣⃗𝐵𝐴 có độ lớn = .lAB và phương ⊥ AB, chiều theo chiều của
Mô tả phương trình (2.1) bằng hoạ đồ véc tơ vận tốc (hình 2.3) ta được 𝑣⃗ 𝐵
Gia tốc của hai điểm thuộc cùng một khâu (2.2)
Với 𝑎⃗ 𝐵𝐴 𝑛 có độ lớn = 2 lAB và phương // AB, chiều từ
𝑎⃗ 𝐵𝐴 𝑡 có độ lớn = .lAB và phương ⊥ AB, chiều theo chiều của 𝜀→
Gia tốc tương đối giữa hai điểm A và B được mô tả trên
(hình 2.3) b Vận tốc và gia tốc của hai điểm đang trùng nhau thuộc hai khâu được nối động với nhau
Nối động bằng khớp quay loại 5
Khớp quay A nối động khâu1 và khâu 2 (hình 2.4) tại tâm quay A của hai khâu, có hai điểm hiện đang trùng nhau: điểm A1 thuộc khâu 1và A2 thuộc khâu 2
Hình 2.3 Quan hệ vận tốc và gia tốc
Trong quá trình chuyển động, luôn có A1 trùng với A2 và luôn có:
Nối động bằng khớp trượt loại 5
Nếu phương trượt không đổi 𝑣⃗𝐴2 = 𝑣⃗𝐴1+ 𝑣⃗𝐴2𝐴1
𝑎⃗ 𝐴2 = 𝑎⃗ 𝐴1 + 𝑎⃗ 𝐴2𝐴1 ( 2.3 ) Phương trượt cố định như hình 2.5a hoặc hình 2.5b.Tại A, có hai điểm hiện đang trùng nhau: điểm A1 thuộc khâu 1, điểm A2 thuộc khâu 2
Nếu phương trượt có chuyển động quay 𝑣⃗ 𝐴2 = 𝑣⃗ 𝐴1 + 𝑣⃗ 𝐴2𝐴1 ;
Phương trượt quay với vận tốc $\omega_1$, dẫn đến sự thay đổi phương chiều của vận tốc trong quá trình chuyển động.
𝐴2𝐴1, nên xuất hiện thêm thành phần gia tốc Coriolis 𝑎⃗𝐴2𝐴1 𝑐 Độ lón = 21.VA2A1
Phương chiều được xác định bằng cách quay véc tơ vận tốc 𝑣⃗ 𝐴2𝐴1 đi một góc 90𝑂theo chiều của 𝜔⃗⃗⃗1 c Phương pháp vẽ giải bài toán vận tốc và gia tốc
Vận tốc và gia tốc là các đại lượng véc tơ, do đó, phương pháp hoạ đồ véc tơ thường được áp dụng trong kỹ thuật Bắt đầu từ một điểm đã biết vận tốc và gia tốc, thường là các điểm thuộc khâu dẫn hoặc giá, ta có thể viết phương trình véc tơ cho điểm cần tìm Cần phân tích các yếu tố như phương, chiều và suất của các véc tơ trong các phương trình này Nếu số ẩn trong mỗi phương trình không vượt quá 2, ta có thể giải quyết bằng cách sử dụng hoạ đồ véc tơ.
* Xét ví dụ Hình 2.6 cơ cấu tay quay con trượt chính tâm nằm ngang
Để xác định vận tốc 𝑣⃗ 𝐵3 và gia tốc 𝑎⃗ 𝐵3 của con trượt 3 trong cơ cấu tay quay con trượt chính tâm nằm ngang, ta cần biết vị trí góc của khâu dẫn 1 là 𝜑 = 45 độ, vận tốc góc của khâu dẫn 𝜔1 = 20 s⁻¹ (theo chiều ngược kim đồng hồ), cùng với kích thước động của các khâu là lOA = 0,025 m và lAB = 0,070 m.
- Vẽ lược đồ cơ cấu
Chọn tỷ xích độ dài l = 0,001 m/mm, ứng với vị trí của khâu dẫn 1 với = 45 0 , dựng lược đồ cơ cấu, hình H2.6
- Xác định vận tốc 𝑣⃗ 𝐵3 của con trượt 3
𝑣⃗𝐵3 được xác định dựa vào hai điểm đã biết vận tốc: điểm A2 và B4
+ Phương trình véc tơ vận tốc
Vì A là khớp quay 𝑣⃗𝐴2= 𝑣⃗𝐴1 có : Độ lớn = .lAB = 20 0,025 m = 0,5 m/s ( 2.5 ) Phương ⊥ OA, chiều theo chiều của
Mặt khác tại B: khâu 2 và 3 nối với nhau bằng khớp quay B, đồng thời xét quan hệ A và
+ Hoạ đồ véc tơ vận tốc
Phương trình (2.6) có 2 ẩn: suất của
Giải phương trình này bằng phương pháp vẽ hoạ đồ véc tơ vận tốc, với tỷ xích vận tốc tuỳ chọn v = 0,02 m/s.mm
- Chọn một điểm p tuỳ ý làm gốc hoạ đồ vận tốc, từ p đặt véc tơ vận tốc (𝑣⃗𝐴2), thể hiện bằng véc tơ 𝑝𝑎→ 2 (a2 trùng a1) (hình 2.7) ; pa2 = VA2 /v = 0,5 m/s : 0,02 m/s.mm 25 mm
- Từ đầu mút a2 ( a1), đặt đường 2⊥ AB; chỉ phương của 𝑣⃗ 𝐵2𝐴2
- Từ gốc hoạ đồ p, đặt đường 1//x-x; chỉ phương của 𝑣⃗𝐵3
Hai đường 1 và 2 cắt nhau tại b3, tạo ra nghiệm cho hệ phương trình Vận tốc (VB3) tại điểm b3 được đo trực tiếp trên hoạ đồ (hình 2.7) và 𝑣⃗𝐵3 được xác định theo cách sau:
VB3= pb3 v= 22 mm 0,02 m/s.mm= 0,44 m/s và 𝑣⃗𝐵3 có phương chiều của véc tơ 𝑝𝑏→ 3 trên hoạđồ (hướng từp đến b3)
Hình 2.7 Hoạ đồ véc tơ vận tốc
- Xác định gia tốc 𝑎⃗ 𝐵3 của con trượt 3
Phương trình xác định 𝑎⃗𝐵3 được xác định dựa vào hai điểm đã biết gia tốc: điểm A2 và B4
+ Phương trình véc tơ gia tốc
Vì A là khớp quay: 𝑎⃗ 𝐴2 = 𝑎⃗ 𝐴1 có : Độ lớn = 2 lAB = 20 2 0,025 m = 10 ms -2
Phương // OA, chiều từ A đến O
Vì khâu 2 và 3 nối với nhau bằng khớp quay B, đồng thời xét quan hệ A2 và B2 trên khâu 2
Ta có: 𝑎⃗ 𝑛 𝐵2𝐴2 có: Độ lớn = 𝑉 𝐵𝐴 2 lAB = (a2b2 v) 2 lAB = 1,90 ms -2 (kết quả từ bài tính vận tốc) Phương // BA, chiều từ B đến A
𝑎⃗𝐵3 có phương 2 //xx vì khâu 3 chuyển động tịnh tiến
Phương trình (2.7) đủ diều kiện giải Tiến hành giải theo các bước sau:
Chọn cực p’ là gốc của các véc tơ gia tốc tuyệt đối, tỷ xích gia tốc tuỳ chọn a
Vẽ véc tơ 𝑝′𝑎→ 2 biểu thị 𝑎⃗𝐴2
- Từđầu mút a2, đặt véc tơ 𝑎⃗ 𝑛 𝐵2𝐴2 , thể hiện bằng véc tơ 𝑎→ 2 𝑛 2
- Từ n2, đặt đường ∆1⊥ AB; chỉ phương của 𝑎⃗ 𝑡 𝐵2𝐴2
- Từ gốc hoạđồp’, đặt đường ∆ 2 //x-x; chỉ phương của 𝑎⃗ 𝐵3
Hai đường ∆2 và ∆1 cắt nhau tại b3, cho ta nghiệm của phương trình Độ lớn của gia tốc aB3 là p'b3 = 32 mm, được đo trực tiếp trên hoạ đồ gia tốc Gia tốc aB3 được xác định bằng công thức: aB3 = p'b3.μa = 32 mm 0,2 m.s⁻².mm = 6,4 m.s⁻², với phương chiều của véc tơ p'b3.
ĐỊNH LÝ ĐỒNG DẠNG HOẠ ĐỒ VẬN TỐC VÀ GIA TỐC
3.3.1 Định lý đồng dạng a Định lý đồng dạng hoạ đồ vận tốc
Hình nối các điểm thuộc cùng một khâu tương ứng với hình nối các mút véc tơ vận tốc tuyệt đối của các điểm đó trên hoạ đồ vận tốc Định lý đồng dạng hoạ đồ gia tốc được thể hiện qua mối quan hệ giữa b2 và b3.
Hình 2.8 Họa đồ gia tốc
Hình nối các điểm trong cùng một khâu tương đồng với hình nối các mút véc tơ gia tốc tuyệt đối của các điểm đó trên hoạ đồ gia tốc.
Nếu biết vận tốc hoặc gia tốc của hai điểm trong cùng một khâu, ta có thể xác định vận tốc hoặc gia tốc của điểm thứ ba nhờ vào định lý đồng dạng hoạ đồ vận tốc, gia tốc.
3.3.2 Nhận xét chung rút ra từ ví dụ về bài toán vận tốc và bài toán gia tốc
Trên hoạ đồ véc tơ vận tốc và hoạ đồ véc tơ gia tốc:
Tất cả các véc tơ xuất phát từ gốc tọa độ đều thể hiện véc tơ vận tốc tuyệt đối và gia tốc tuyệt đối của các điểm trên khâu của cơ cấu.
Các véc tơ nối mút của véc tơ vận tốc tuyệt đối và gia tốc tuyệt đối của các điểm trên khâu thể hiện véc tơ vận tốc tương đối và gia tốc tương đối của các điểm đó.
- Các điểm có vận tốc bằng không, véc tơ vận tốc của chúng là một điểm trùng với gốc p của hoạ đồ véc tơ vận tốc
- Các điểm có gia tốc bằng không, véc tơ gia tốc của chúng là một điểm trùng với gốc p’ của hoạ đồ véc tơ gia tốc
1 Trình bày mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu?
2 Trình bày khái niệm về tỉ xích hoạ đồ, hoạ đồ chuyển vị cơ cấu và hoạ đồ cơ cấu?
3 Trình bày phương pháp vẽ để giải bài toán chuyển vị?
4 Phân tích mối quan hệ giữa vận tốc và gia tốc?
5 Trình bày phương pháp vẽ để giải bài toán vận tốc và gia tốc
6 Phát biểu định lý đồng dạng hoạ đồ vận tốc và gia tốc và rút ra nhận xét khi giải bài toán vận tốc và bài toán gia tốc?
1 Tính vận tốc và gia tốc khâu 3 của cơ cấu tang một góc, nếu tay quay AB quay đều với vận tốc góc = 10 s -1 , tại vị trí 1 = 60 o , cho trước h 0,05 m (hình 2.9)
2 Tính vận tốc và gia tốc điểm C, vận tốc góc của khâu 2 và khâu 3 trong cơ cấu 4 khâu bản lề (hình
2.10), ∠𝐴𝐵𝐶 = ∠𝐵𝐶𝐷 = 90 𝑂 Nếu tay quay AB quay đều với vận tốc góc 1 = 20 s -1 Cho trước kích thước của các khâu 4𝑙 𝐴𝐵 = 𝑙 𝐵𝐶 = 𝑙 𝐶𝐷 0,4𝑚
3 Tính vận tốc góc và gia tốc góc của các khâu trong cơ cấu culit (hình 2.11), ở vị trí góc ∠𝐵𝐴𝐶 = 90 𝑂 Nếu tay quay AB quay đều với vận tốc góc 1 = 10rad/s Cho trước kích thước của các khâu 𝑙 𝐴𝐵 = 𝑙 𝐴𝐶 = 0,2𝑚
Chương 4 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG TÍNH TOÁN VÀ
THIẾT KẾ CHI TIẾT MÁY
Để tạo thành một cỗ máy, các chi tiết và bộ phận máy cần được liên kết với nhau Có hai loại liên kết chính: liên kết động, bao gồm các bản lề, ổ trục và các cặp bánh răng ăn khớp, và liên kết cố định, như mối ghép ren, mối ghép then và mối ghép đinh tán.
Trong chế tạo máy, các liên kết cố định được gọi là mối ghép, được chia thành hai loại chính: mối ghép tháo được và mối ghép không tháo được Mối ghép tháo được cho phép tách rời các bộ phận mà không làm hỏng chi tiết máy, trong khi mối ghép không tháo được không thể tháo rời mà không gây hư hỏng Mối ghép đinh tán là một ví dụ điển hình của mối ghép không tháo được, và nhiều sự cố hỏng hóc của máy thường xảy ra tại vị trí mối ghép này Do đó, việc tính toán độ bền của mối ghép là rất cần thiết.
- Trình bày được ưu khuyết điể m, c ấ u t ạ o, ph ạ m vi s ử d ụ ng c ủ a m ối ghép đinh tán
- Phân tích được điề u ki ệ n làm vi ệ c, ph ương pháp lự a ch ọ n s ử d ụ ng h ợ p lý m ố i ghép ch ắ c
- Xây d ựng đượ c các công th ứ c tính toán, ki ể m tra ho ặ c thi ế t k ế m ố i ghép
- Vận dụng được để tính toán các bài tập
- Có ý th ứ c trách nhi ệ m, ch ủ độ ng h ọ c t ậ p
4.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN MÔN HỌC CHI TIẾT MÁY
4.1.1 Khái niệm chi tiết máy
Khi tháo rời một máy, các bộ phận như bu lông, đai ốc, bánh răng và trục sẽ trở thành những phần tử nhỏ không thể tách rời, được gọi là chi tiết máy.
Chi tiết máy là những phần tử cơ bản cấu tạo nên máy, với hình dạng và kích thước xác định, đồng thời đảm nhiệm những chức năng nhất định trong hoạt động của máy.
Chi tiết máy có thể phân thành 2 nhóm:
Nhóm chi tiết máy có công dụng chung bao gồm các thành phần được sử dụng trong nhiều loại máy khác nhau, với hình dạng và chức năng tương tự Ví dụ về các chi tiết này là bánh răng, khớp nối, trục, bu lông và ổ lăn.
Nhóm chi tiết máy có chức năng riêng biệt, bao gồm các chi tiết chỉ sử dụng cho một loại máy cụ thể Hình dạng và công dụng của các chi tiết máy này khác nhau giữa các loại máy khác nhau Ví dụ, các chi tiết như trục khuỷu, tua bin, vỏ hộp giảm tốc và thân máy đều có vai trò quan trọng trong từng loại máy.
… Ở đây, chúng ta chỉ nghiên cứu các chi tiết máy có công dụng chung
4.1.2 Nhiệm vụ, tính chất, vị trí môn học Chi tiết máy
_ Chi ti ế t máy là khoa h ọ c v ề thi ế t k ế h ợ p lý các chi ti ế t máy có công d ụ ng chung _ Môn h ọ c chi ti ế t máy v ừ a mang tính ch ấ t lý thuy ế t v ừ a g ắ n li ề n v ớ i các k ế t qu ả th ự c nghi ệ m
Chi tiết máy là một trong những môn học cơ sở quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí, đóng vai trò cầu nối giữa kiến thức khoa học cơ bản và các kiến thức chuyên môn.
4.2 TẢI TRỌNG VÀ CÁC DẠNG ỨNG SUẤT
Tải trọng tác dụng lên máy và chi tiết máy bao gồm lực, mô men và áp suất Tải trọng là đại lượng véc tơ, được xác định bởi các thông số như cường độ, phương, chiều, điểm đặt và đặc tính của tải trọng.
Lực, được ký hiệu bằng chữ F, đơn vị đo là N, 1 N = 1 kg.m/s
Mô men uốn, ký hiệu là Mu, đơn vị đo là Nmm
Mô men xoắn, ký hiệu là Mx, đơn vị đo là Nmm Áp suất, ký hiệu là p, đơn vị đo là MPa, 1 MPa = 1 N/mm 2
_ Theo đặc tính thay đổ i theo th ờ i gian, ta có:
Tải trọng không đổi (tĩnh) là loại tải trọng có phương, chiều và cường độ ổn định theo thời gian, hoặc chỉ thay đổi một cách không đáng kể Ví dụ điển hình cho tải trọng này là trọng lượng của các chi tiết máy.
