Chương 10 tổng hợp cơ cấu máy

• Các cơ cấu cơ khí thường được thiết kế từ một thông số đầu vào vàtạo một thông số đầu ra, thay đổi chuyển động, vận tốc, gia tốc vàvận dụng tỷ số truyền của cơ cấu... • Tổng hợp: để th

Trang 1

Ch ương 8

Tổng hợp cơ cấu

Machines and Mechanisms II

Trang 2

- Thiết kế cơ cấu với một yêu cầu cho trước về hành trình

làm việc của cơ cấu.

Trang 3

Nội dung

1 Giới thiệu

2 Tổng hợp kiểu dáng, số lượng và kích thước

3 Các vị trí chính xác: Chebychev spacing

4 Tổng hợp vị trí của cơ cấu tay quay con trượt

5 Tổng hợp hai vị trí cho trước – Phương pháp vẽ

6 Tổng hợp ba vị trí – Phương pháp vẽ

7 Cơ cấu về nhanh

Trang 4

• Tổng hợp cơ cấu là cách thức liên kết giữa các khâu với nhau bằng

các khớp động để tạo thành một chuỗi động kín hoặc một vài chuỗiđộng kín

• Mỗi khâu có hai hoặc nhiều các khớp động, và mỗi khớp có số bậc

tự do khác nhau cho phép chuyển động giữa các khâu

• Một chuỗi động được gọi là cơ cấu nếu các khâu có thể chuyển sovới khâu được chọn làm giá

• Các cơ cấu cơ khí thường được thiết kế từ một thông số đầu vào vàtạo một thông số đầu ra, thay đổi chuyển động, vận tốc, gia tốc vàvận dụng tỷ số truyền của cơ cấu

Trang 5

• Leonardo da Vinci (1452, 1519), Codex Madrid I

• Cuộc cách mạng công nghiệp là thời gì bùng nổ của các cơ cấu: máy khâu, chuyển đổi năng lương, điều chỉnh tốc độ, tính toán cơ khí, máy đánh chữ và gia công (typewriting and machining)

Trang 6

 Máy ngày nay

• Trong nhiều cơ cấu ứng dụng đã được thay thế bằng điện tử (máyđánh chữ)

• Sử dụng cơ cấu thì có thể chi phí thấp hơn so với dùng bằng điện tửCác ứng dụng hiện nay: Thiết bị thể thao, máy tự động (HVACmodules, máy chính xác (Compliant Mechanisms), thiết bị y tế

Trang 7

 Phân loại cơ cấu

• Cơ cấu phẳng ( học trong chương này)

Trang 8

• Tổng hợp: để thiết kế hoặc tạo ra một cơ cấu đảm bảo các yêu cầu về chuyển động được đưa ra.

cấu đã cho

Trang 9

Phương pháp vẽ (trong chương này): cung cấp cho người thiết kế

phương pháp nhanh và đơn giản, tuy nhiên các thông số không đượcbiểu diễn bằng phương trình toán học vì vậy rất khó khi muốn thay đổithông số để tạo ra giải pháp khác

Phương pháp giải tích (không giới thiệu): Cách tiếp cận này thích

hợp cho tính toán tự động Do cơ cấu được thiết kế và tính toán trênmáy tính, các thông số được biểu diễn thông qua phương trình toán học

vì vậy rất dễ thay đổi thông số để tạo ra giải pháp mới

Trang 10

2 Tổng hợp kiểu dáng, số lượng và kích thước

• Tổng hợp kích thước: đề cập đến việc xác định chiều dài của các

khâu, đường kính bánh răng, biên dạng cam

Thiết kế một cơ cấu để đảm bảo chuyển động và lực cho trước.

• Tổng hợp số lượng: Cần bao nhiêu khâu cho cơ cấu? Bao nhiêu

bậc tự do?

• Tổng hợp kiểu dáng: biết trước đặc trưng yêu cầu, loại cơ cấu nào

thì thích hợp? Cơ cấu, bánh răng, cam, truyền động đai và phu lyhay truyền động xích

Trang 11

2 Tổng hợp hàm, quỹ đạo và chuyển động

1 T ổng hợp hàm: Liên hệ giữa chuyển động đầu vào với chuyển

động đầu ra

2 T ổng hợp quỹ đạo: Cho trước quỹ đạo của một điểm (trên thanh

truyền) theo một quỹ đạo nhất định

• Tổng hợp quỹ đạo của điểm với thời gian quy định: Xác định thời gian xuất hiện của một điểm trên quỹ đạo đó

3 Tổng hợp chuyển động (Motion generation): Cho một đường

để giả định rằng thiết lập một số vị trí và hướng liên tục

Có 3 vấn đề về tổng hợp:

Trang 12

 Nhược điểm:

• Branch defect : Cơ cấu được tạo ra cần đi qua tất cả các vị trí yêucầu tuy nhiên có một số điểm nằm trên cả hai nhánh của đườngcong thanh truyền

• Order defect: Cơ cấu được tạo ra cần đi qua tất cả các vị trí yêucầu tuy nhiên các vị trí không đúng theo thứ tự yêu cầu

2 Tổng hợp hàm, quỹ đạo và chuyển động

Trang 13

3 Vị trí chính xác: Chebychev spacing

f(x) là hàm yêu cầu và F(x, q k) là hàm thiết kế

→ Sự khác nhau giữa hai hàm này là sai số cấu trúc:

Với thử nghiệm đầu tiên, không gian của các khớp chính xác tốt

nhất là Khoảng Chebychev (Chebychev spacing)

Trang 14

Với n khớp năm trong khoảng x 0 ≤ x ≤x n+1 , Chebychev spacing là :

Trang 15

4 Tổng hợp vị trí của cơ cấu tay quau con trượt

• Cơ cấu tay quay con trượt chính tâm: hành trình (B1B2)=2r 2 , r 3 > r 2

• Cơ cấu tay quay con trượt cân : hành trình (B1B2)=4r 2 , r 3 = r 2

• Cơ cấu tay quay con trượt lệch tâm: hành trình (B1B2)>2r 2 , r 3 > r 2

Cơ cấu về nhanh

Ví dụ 1:

Trang 16

Tổng hợp hai vị trí

• Đầu ra thanh lắc –Biết chuyển vị góc của hai vị trí

• Đầu ra thanh lắc– Biết hai vị trí vị trí phức tạp

• Đàu ra thanh truyền– Biết hai vị trí phức tạp của thanh truyền

• Thêm chuỗi động để điều khiển chuyển động

5 Tổng hợp hai vị trí – Phương pháp vẽ

Trang 17

Đầu ra thanh lắc– Biết chuyển vị góc của hai vị trí

3 Chọn điểm O2 trên đường kéo dài B1B2

4 Chia đôi đoạn thẳng B1B2 và vẽ đường tròn

tâm O2

5 Đặt tên hai điểm giao giữa đường tròn và

đường kéo dài B1B2là A1 và A2.

6 Đo chiều dài của thanh truyền, A1tới B1 hoặc

A2tới B2

7 Đo chiều dài của giá 1, tay quay 2, và của

thanh lắc 4

8 Tìm điều kiện Grashof Nếu không thỏa

Grashof, làm lại từ bước 3 đến bước 8 với O2

xa hơn so với O4

Trang 18

 Đầu ra thanh lắc – Biết hai vị trí chuyển vị phức tạp

3 Chia đôi đường C1C2; D1D2 và vẽ

đường trung trực của C1C2 và D1D2;

giao của hai đường này là O4. Điểm

giao O4 được gọi là ‘rotopole’.

4 Nối O4 với C1 và O4 với C2 Chọn

một bán kính phù hợp và vẽ cung tròn

tâm rotoploe (điểm O4 ) tới giao với

hai đường O4C1 và O4C2 Đặt tên cho

giao điểm là B1 và B2.

Trang 20

 Đầu ra thanh truyền – Cho hai vị trí phức tạp

3 Vẽ đường chia C1C2 và D1D2 và kéo dài

đường vuông góc theo hướng thích hợp.

4 Chọn điểm phù hợp trên mỗi đường

vuông góc này làm các giá O2và O4

tương ứng.

5 Nối O2 với C1và gọi đó là khâu 2 Nối

O4 với D1 và gọi đó là khâu 4.

6 Đường C1D1 là khâu 3 Đường O2O4 là

giá (khâu 1).

7 Kiểm tra điều kiện Grashof, và lặp lại

bước 4 đến 7 nếu không thỏa mãn

4 Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ

Trang 21

 Thêm chuỗi động để điều khiển chuyển động

Ví dụ 5:

4 Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ

Trang 22

1 Chọn 1 điểm hợp lý trên khâu 2 của

cơ cấu cần thiết kế Chú ý rằng nằm

trên đường O 2 C 1. Điểm này gọi là

B 1 .

2 Vẽ hình dạng một khâu tương tự,

nối O 2 và C 2 tới điểm B trong vị trí

thứ 2 Gọi điểm này B 2 Cung B1B 2

giống ở ví dụ 2

3 Làm tiếp bước 2 đến bước 8 ở ví dụ

2 để hoàn thành cơ cấu, trừ thêm

khâu 5, 6 và tâm O 6 hơn khâu 2 và 3

và tâm O6 Khâu 6 sẽ là tay quay.

Chuỗi 4 khâu O 6 , A 1 , B 1 , O 2 phải

thỏa đinh lý Grashof cho cơ cấu 4

Trang 23

• Đầu ra thanh truyền– Biết 3 vị trí với chuyển vị phức tạp

• Đầu ra thanh truyền – Biết 3 vị trí với chuyển vị phức tạp , alternate attachment points for moving pivots

• Tổng hợp 3 vị trí với các gối cố định cho trước

5 Tổng hợp 3 vị trí – pháp vẽ

Trang 24

 Biết vị trí với chuyển vị phức tạp

Ví dụ 6:

1 Vẽ khâu CD ở ba vị trí cho trước C1D1,

C2D2, C3D3

2 Vẽ đường nối C1với C2 và C2với C3.

3 Dựng đường vuông góc chung của

C1C2, C2C3 Giao của hai đường này là

O2.

4 Lặp lại bước 2 và bước 3 cho đường

D1D2, D2D3.Đặt tên cho giao điểm này

7 Kiểm tra điều kiện Grashof Chú ý rằng

bất kỳ điều kiện Grashof nào cũng có

thể chấp nhận được trong trường hợp

này.

Trang 25

Ví dụ 6:

 Biết vị trí với chuyển vị phức tạp

Trang 26

Example 7:

Alternate Attachment Points

Watt’s six-bar linkage with motor at O6

 Khi biết ba vị trí phức tạp của thanh truyền - chỉ biết di chuyển của các điểm đính kèm cùng thanh truyền

Trang 27

mối quan hệ này tới vị trí thứ hai sử

dụng hình tứ giác nối giữa C2D2 với

E2và F2 Sau đó lặp lại bước này với

C3D3nối E3và F3.

3 Vẽ đường nối giữa E1và E2, E2và E3.

các đường thẳng E1E2, E2E3. Giao của

các đường này đặt là O2.

Trang 28

Example 7:

5 Lặp lại bước 2 và bước 3

cho các đường F1F2 và F2F3 Gọi

giao điểm là O4.

6 Nối O2 với E1 và gọi là

khâu 2 Nối O4 với F1 và gọi là

khâu 4.

7 Đường F1F1 là khâu 3.

Đường O2O4 là khâu 1 (giá).

Grashof Chú ý rằng bất kỳ điều

kiện Grashof nào cũng có thể chấp

nhận được trong trường hợp này.

Trang 29

 Vị trí các chốt quay cố định (Positions with Specified Fixed Pivots)

4 Dịch chuyển quan hệ này cho tứ giác

nối giữa các điểm C1D1 với O’2O’4.

O’2O’4 có cùng quan hệ C1D1 như

Trang 30

 Vị trí các chốt quay cố định (Positions with Specified Fixed Pivots)

đường O2O’2 và O’2O’’2 Hai đường

vuông góc chung này giao nhau tại

điểm G.

8 Lặp lại bước 6 và 7 cho các đường

O4O’4 và O’4O’’4. Đặt giao điểm là H.

9 Nối điểm G với O2 và gọi là khâu 2.

Nối H với O4 và gọi là khâu 4.

10 Nối C1, D1, H và G tạo thành một

tứ giác, và gọi là khâu 3.

11 Kiểm tra điều kiện Grashof Chú ý

rằng bất kỳ điều kiện Grashof nào

cũng có thể chấp nhận được trong

trường hợp này

Trang 31

• Hành trình làm việc: Chuyển động của khâu khi thực hiện

Trang 32

• α: Góc tương ứng vơi hành trình làm việc

• β:Góc tương ứng vơi hành trình chạy không

α+β=3600; Q = α/ β

• Construction angle, δ=|180- α | = |180-β|

Trang 33

 Tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề (tay quay – thanh lắc) có hành trình về nhanh

1 Vẽ khâu đầu ra O4B ở hai vị trí

cực, với góc lắc θ4

2 Tính toán các góc α, β và δ sử

dụng phương trình 3.1 và 3.2

Q = α/ β; α+β=360 0 (3.1) δ=|180- α |= |180-β| (3.2)

3 Vẽ đường thẳng qua B1 ở vị trí

góc bất kỳ

4 Vẽ đường thẳng qua điểm B2

hợp với đường thẳng qua B1 một

Trang 34

6 Tính chiều dài của các khâu tay quay

và thanh truyền (coupler) bằng cách đo

O2B1, O2B2 và giải hệ phương trình sau:

Thanh truyền + tay quay = O2B1

Thanh truyền - tay quay = O2B2

7 Vẽ đường tròn tâm O2, bán kính

bằng chiều dài của tay quay Gọi gia

điểm của đường tròn với O2B1, O2B2 là

A1,A2 tương ứng.

8 O2O4 là giá (khâu 1), O2A1 là tay quay

(khâu 2); A1B1là thanh truyền (khâu 3)

và O4B1 là thanh lắc (khâu 4).

9 Kiểm tra điều kiện Grashof Nếu

không thỏa, lặp lại bước 3 đến bước 8

với O2 xa hơn so với O4

10 Kiểm tra góc truyền động

7 Tổng hơp cơ cấu có hành trình về nhanh

trình về nhanh

Trang 35

Tổng hợp cơ cấu 6 khâu có hành trình về nhanh

Trang 36

5 Vẽ góc α tâm O2 đối xứng qua góc phần tư thứ nhất

6 Gọi A1, A2 là giao của 2 đường tạo góc α và vòng tròn tâm O2 bán kính O2A

7 Vẽ một cung tròn tâm lần lượt A1, A2 với bán kính đủ lớn để cắt đường XX tại hai điểm C1 và C2

8 Trung điểm của C1C2 chính là tâm quay O4

Trang 37

9 Đường O2A1 chính là khâu dẫn – tay quay (khâu 2) và A1C1 là thanh truyền (khâu 3)

10 Đường O4C1 là khâu bị dẫn – tay quay (khâu 4)

11 Kiểm tra kích thước động của khâu theo định lý Grashof Nếu không thỏa mãn quay lại bước 7 đến bước 11 và cho một bán kính ngắn hơn ở bước 7.

12 Đo chiều dài O4C1 và vẽ một vòng tròn có tâm bất kỳ nằm trên đường XX với bán kính bất kỳ Vòng tròn này cắt đường XX tại hai điểm B1 và B2

Trang 38

13 Vẽ đường thẳng trung trực với đoạn B1B2.

14 Từ B1 vẽ đường thẳng tạo với XX một góc φ = 900- θ4/2 cắt đường trung trực của B1B2 ở đâu là O6

15 B1C1 là khâu 5, O6B1 là khâu 6 O2O4O6 là giá (khâu 1)

16 Để tạo chuyển động đầu ra là tịnh tiến thì thay thế khâu 6 thành con trượt tại B1 và chuyển động song song với phương XX

Trang 39

Bài tập chương 10, trang 355 – 357, quyển Theory of Machines and Mechanisms

Tiêu đề	Tổng hợp cơ cấu máy
Thể loại	Tài liệu

Định dạng
Số trang	39
Dung lượng	1,65 MB