Chương 8 phân tích lực tĩnh

Mục tiêuSau khi học xong chương này, sinh viên cần nắm được: • Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu ở trạng thái tĩnh bằng phương pháp hoạ đồ véc tơ.. Động lực học cơ cấu & máy : Nội dụng c

Chương 8

Nguyên lý máy

Mục tiêu

Sau khi học xong chương này, sinh viên cần nắm được:

• Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu ở trạng thái tĩnh bằng phương pháp hoạ đồ véc tơ

• Phân tích lực tĩnh tác dụng lên cơ cấu trong trường hợp kể hoặc không kể đến lực ma sát

• Phân tích lực tĩnh cho cơ cấu 4 khâu và cơ cấu 6 khâu

1 Gi ới thiệu

“Nguyên lý máy” không chỉ nghiên cứu mối quan hệ giữa hình học và chuyển động của các bộ phận của cơ cấu và máy, mà còn nghiên cứu

cả các lực tạo ra các chuyển đó

Hai n ội dung chính của môn học Nguyên lý máy:

1 Động học cơ cấu & máy: Nghiên cứu về hình học và chuyển động

của các bộ phận trong máy khi bỏ qua các yếu tố ảnh hưởng do lựcgây ra Mục tiêu của phần này là tìm ra quy luật chuyển động củacác bộ phận trong cơ cấu & máy

2 Động lực học cơ cấu & máy : Nội dụng của phần này là phân tích

các lực và ngẫu lực trên các phận của cơ cấu & máy gây ra bởi cácngoại lực (phân tích lực tĩnh), cũng như phân tích các lực và mômen trên các bộ phận của cơ cấu & máy do gia tốc của các bộ phậngây ra ( phân tích lực động)

• Các bộ phận(khâu) của cơ cấu được giả thiết là các vật rắn tuyệt đối

cứng là nhằm bỏ qua biến dạng cũng như chuyển vị của (còn gọi là động

lực học vật rắn) Tuy nhiên trong thực tế các bộ phận của cơ cấu đều là các vật rắn biến dạng Do vậy, để cơ cấu có thể thực hiện được đúng các

chức năng đã định dưới các lực tác dụng thì các khâu phải được thiết kếđảm bảo đủ bền

• Để thiết kế được các bộ phận (khâu) của máy, cơ cấu có đủ độ bền thì

cần phải xác định được các lực, mô men tác dụng lên các khâu đó

1 Gi ới thiệu

Các ngoại lực tác dụng lên cơ cấu đã biết hoặc được giả thiết là đã biết

Các l ực tĩnh:

• Piston trong động cơ: Áp lực tác dụng lên piston có thể đã biết

hoặc được giả thiết

1 Gi ới thiệu

• Ngoài các lực tĩnh, trên cơ còn xuất hiện cả các lực quán tính do gia

tốc của các khâu gây ra, được gọi là các lực động

• Với tốc độ thấp cơ cấu chủ yếu chịu tác dụng của các lực tĩnh, còn

với tốc độ lớn cơ cấu còn chịu tác dụng lớn của các lực động

Quá trình phân tích này nhằm mục đích xác định các lực truyền từ điểm này đến điểm khác, mà thực chất là từ điểm đầu vào đến điểm đầu ra Đây là bước đầu tiên trong quá trình tính toán độ bền của một bộ

phận/hệ thống, nhằm định ra kích thước cho các bộ phận của cơ

cấu/máy

Phân tích lực là công việc cần thiết nhằm tránh việc ước lượng sai giá trị của các lực tác dụng lên các bộ phận của cơ cấu: hoặc ước lượng quá

thấp hoặc ước lượng quá cao

• Ước lượng quá thấp: Sẽ dẫn đến việc thiết kế các khâu/bộ phận của cơ cấu không đủ độ bền và sẽ sớm bị phá huỷ

• Ước lượng quá cao: Các khâu/bộ phận của cơ cấu được thiết kế quá thừa bền dẫn đến lãng phí vật liệu, kích thước lớn, giá thành cao và không có tính cạnh tranh

• Phân tích lực trên cơ cấu bằng phương pháp vẽ sẽ được sử dụng

ở đây bởi vì nó đơn giản và thể hiện được đúng bản chất của vấn

đề, đặc biệt khi phân tích tích các cơ cấu phức tạp Hơn nữa phương pháp này áp dụng trực tiếp các phương trình cân bằng

lực để giải bài toán

 Phân tích l ực

 Nguyên t ắc chung:

• Một cơ cấu/ máy là một vật thể 3 chiều, có các lực tác dụng hoạt động theo cả 3 phương

• Để giải được bài toán phân tích lực, tất cả các lực được chiếu lên 3

mặt phẳng vuông góc Để cân bằng, trên mỗi một mặt phẳng tham chiếu đó, tổng tất cả các véc tơ lực bằng không đồng thời tổng mô men của tất cả các lực đối với một trục vuông góc với mặt phẳng đó hoăc với một điểm trên mặt phẳng đó cũng bằng 0

Lực là một đại lượng véc tơ, sẽ xác định hoàn toàn khi biết 3 yếu tố:

Phản lực liên kết tại các khớp động (khớp loại thấp/khớp loại cao) khi

12 21

F = − F

Phương của lực luôn vuông góc với phương trượt

Kh ớp răng (khớp loại cao)

 Các khâu chịu tác dụng của hai lực

M ột khâu chỉ chịu tác dụng của hai lực (không có mô men)

Để khâu cân bằng, hai lực này phải có cùng độ lớn, cùng phương và ngược chi ều nhau

 h = 0

 Các khâu chịu tác dụng của ba lực

M ột khâu chỉ chịu tác dụng của ba lực (không có mô men/ ngẫu lực)

Để khâu cân bằng, ba lực này phải là ba lực đồng quy

 Two and three-force members

 Các khâu chịu tác dụng của hai lực và một mô men

Để khâu cân bằng, Hai lực này phải là một

ng ẫu lực (hai lực có cùng độ lớn, song song

và ng ược chiều nhau), để cân bằng với với

mô men trên khâu

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

Ví dụ 2 Cho cơ cấu bốn khâu bản lề như trên hình vẽ Khâu 2 được đẫn động

b ằng một mô men M12 , khâu 4 chịu tác dụng của ngoại lực P = 120 220° lb, đặt tại điểm Q xác định các lực tác dụng lên các khâu trong cơ cấu.

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

Ví dụ 3. Cho cơ cấu Cam cần đẩy đáy con lăn như trên hình vẽ Để giữ cho cần luôn ti ếp xúc với cam, người ta sử dụng một lò xo, khi lò xo bị nén đến điểm C thì l ực lò xo FC = 12N Ngoại lực tác dụng vào đầu cần tại E, FE= 35N Hãy xác định phản lực tại các khớp A, B và D, bỏ qua lực ma sát tại các khớp và khối

l ượng của cần.

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

 Ví dụ 4:

Xá c định mô men T2 để cơ cấu cân bằng

3 Phân tích l ực bằng phương pháp vẽ

• Ví dụ: các yếu tố phi tuyến: lực ma sát tĩnh, Các hệ thống có khe hở

hoặc các hệ thống lò xo có độ cứng thay đổi khi chúng bị uốn cong

 Ma sát tại khớp trượt

5 Phân tích l ực khi kể đến ma sát

Ví dụ 1. Làm lại bài toán phân tích lực tĩnh cho cơ cấu Cam cần đẩy đáy con lăn ở

ví dụ 3.3 Với FC= 12N; FE= 35N và giả thiết rằng hệ số ma sát tĩnh tại các khớp

tr ượt B, D là µ = 0,15 Hãy xác định lực nhỏ nhất tại các khớp A để cơ cấu cân

b ằng, bỏ qua khối lượng của cần vàl ực ma sát tại các khớp còn lại.