Bài tập Thực hành nguyên lý máy

Mục lục ........................................................................................................... 3 Lời nói đầu ...................................................................................................... 5 Bài thực hành số 1 Nghiên cứu cơ cấu trên mô hình ....................................... 7 Bài thực hành số 2 Tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu phẳng ..................... 9 Bài thực hành số 3 Xác định các tâm vận tốc tức thời của cơ cấu phẳng ....... 47 Bài thực hành số 4 Xác định vận tốc, gia tốc của các điểm và các khâu bằng phương pháp họa đồ .............................................................................. 65 Bài thực hành số 5 Phân tích lực cơ cấu thanh phẳng .................................. 113 Bài thực hành số 6 Phân tích động học hệ bánh răng .................................. 153 Mục lục ....................

Häc viÖn Kü thuËt Qu©n sù

Bé m«n C¬ häc m¸y - Khoa C¬ khÝ

Vò C«ng Hµm

Bµi tËp Thùc hµnh nguyªn lý m¸y

(Dïng cho sinh viªn c¸c chuyªn ngµnh c¬ khÝ)

Hµ néi - 2009

Mục lục

Mục lục 3

Lời nói đầu 5

Bài thực hành số 1 - Nghiên cứu cơ cấu trên mô hình 7

Bài thực hành số 2 - Tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu phẳng 9

Bài thực hành số 3 - Xác định các tâm vận tốc tức thời của cơ cấu phẳng 47

Bài thực hành số 4 - Xác định vận tốc, gia tốc của các điểm và các khâu bằng phương pháp họa đồ 65

Bài thực hành số 5 - Phân tích lực cơ cấu thanh phẳng 113

Bài thực hành số 6 - Phân tích động học hệ bánh răng 153

Mục lục 191

Lời nói đầu

Cuốn sách Bài tập thực hành nguyên lý máy được biên soạn nhằm phục vụ

cho quá trình đào tạo kỹ sư các chuyên ngành cơ khí như Công nghệ chế tạo máy,

Ô tô, Xe tăng, Máy xây dựng, Cơ điện tử, Vũ khí, Đạn, Công nghệ vật liệu, Công nghệ chế tạo vũ khí, Công nghệ chế tạo đạn, Thiết kế và chế tạo tên lửa, v.v Việc biên soạn cuốn sách nhằm vào mục đích chủ yếu là nâng cao năng lực thực hành cho sinh viên trong việc giải quyết các bài toán của lý thuyết cơ cấu nói riêng và của lĩnh vực cơ học máy nói chung Trên cơ sở đó, sinh viên có thể hình thành và rèn luyện được thói quen tư duy lôgíc và khoa học khi giải quyết các bài toán của kỹ thuật

Cấu trúc và nội dung của cuốn sách được biên soạn trong sự gắn kết chặt chẽ với các giáo trình Nguyên lý máy, Bài tập Nguyên lý máy, Bài tập lớn Nguyên lý máy và Thiết kế môn học Nguyên lý máy Sinh viên sẽ sử dụng cuốn sách để nhận các đề bài thực hành do giáo viên phụ trách môn học giao cho trong quá trình học tập môn học, đồng thời có thể nâng cao kiến thức của môn học thông qua việc đầu tư thời gian để giải các bài toán thuộc những dạng cơ bản đã được trình bày trong cuốn sách Giáo viên giảng dạy môn Nguyên lý máy không chỉ sử dụng cuốn sách để giao đề bài thực hành cho sinh viên mà còn có thể sử dụng nó cho nhiều mục đích khác như ra đề thi kết thúc môn, tuyển chọn thí dụ giải mẫu cho các chương tương ứng khi lên lớp, xây dựng các bài toán luyện thi Olympic môn Nguyên lý máy, v.v

Cuốn sách đề cập đến 6 nội dung thực hành như sau:

1 Nghiên cứu cấu trúc các cơ cấu trên mô hình

2 Tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu phẳng

3 Xác định các tâm vận tốc tức thời của cơ cấu thanh phẳng

4 Xác định vận tốc và gia tốc (dài, góc) của các điểm và các khâu

Tác giả xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Trần Ngọc Châu, người đã dành nhiều thời gian và công sức để hiệu đính cho cuốn sách Xin cảm ơn các đồng nghiệp cùng độc giả đã và sẽ đóng góp những ý kiến bổ ích để cuốn sách ngày càng được hoàn thiện Trong điều kiện thời gian và hiểu biết của tác giả còn hạn chế, việc tồn tại những sai sót trong cuốn sách là điều khó tránh khỏi Tác giả mong tiếp tục nhận được những ý kiến đóng góp chân thành từ phía các đồng nghiệp và bạn

đọc Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Cơ học máy, Khoa Cơ khí, Học viện Kỹ thuật Quân sự

Tác giả

Bài thực hành số 1

Nghiên cứu cơ cấu trên mô hình

1.1 Mục đích - Yêu cầu

Bài thực hành nghiên cứu các cơ cấu trên mô hình được tiến hành sau khi sinh viên đã học xong phần lý thuyết của chương "Cấu trúc và phân loại cơ cấu" trong môn Nguyên lý máy Mục đích của bài thực hành này là nhằm giúp sinh viên hiểu rõ hơn những định nghĩa và khái niệm cơ bản của lý thuyết cơ cấu như khâu

và các loại khâu, khớp và phân loại khớp, làm quen với các phương pháp truyền

và biến đổi chuyển động thông qua việc sử dụng các cơ cấu Cũng thông qua bài thực hành này, sinh viên có được những cảm nhận ban đầu về bậc tự do của cơ cấu và làm quen dần với các loại cơ cấu thường gặp trong kỹ thuật như cơ cấu thanh, cơ cấu cam, cơ cấu bánh răng, hệ bánh răng, cơ cấu các-đăng Có thể nói,

đây là bài thực hành mang ý nghĩa cầu nối giữa lý thuyết và thực tiễn trong nhận thức của sinh viên về môn học Nguyên lý máy

Sau khi thực hành, sinh viên cần hiểu được kết cấu thực và đọc đúng tên các loại khớp, hiểu được chức năng và phạm vi sử dụng của một số loại khâu, phân biệt

được giới hạn về phạm vi của các khâu trên một số loại máy móc hay phương tiện gần gũi với cuộc sống và môi trường học tập, làm việc của mình Sinh viên cũng phải biết cách lập lược đồ động không chỉ của các khâu, các khớp mà của cả cơ cấu, đồng thời cần nắm được khả năng biến đổi chuyển động của các cơ cấu có ở phòng thí nghiệm cơ học máy

1.2 Nhiệm vụ thực hành

Nhiệm vụ của sinh viên trong bài thực hành này là nghiên cứu các yếu tố hình thành cấu trúc của cơ cấu như khâu, khớp, khả năng chuyển động tương đối giữa các khâu, bậc tự do và khả năng chuyển động của cơ cấu, đồng thời làm quen với các loại cơ cấu cơ bản thông qua việc nghiên cứu các mô hình của chúng

- Cách ký hiệu (vẽ lược đồ) của các khâu

- Khái niệm về chuỗi động và định nghĩa cơ cấu theo chuỗi động

- Phân loại chung các cơ cấu

1.4 Kiểm tra đánh giá thực hành

Các nội dung cần kiểm tra và cách cho điểm đánh giá bài thực hành được trình bày trong bảng sau

2 Số khâu động, khớp động và cách nối động giữa các khâu 2.0

3 Số bậc tự do và dạng chuyển động (phẳng, không gian) của cơ cấu 1.0

4 Khả năng sử dụng cơ cấu để truyền và biến đổi chuyển động 1.0

6 Nhận xét sơ bộ về các ưu điểm và nhược điểm của mỗi loại cơ cấu 1.0

1.5 Một số lưu ý khi thực hành

Để buổi thực hành thu được kết quả tốt và để đánh giá đúng kết quả thực hành của từng sinh viên, giáo viên phụ trách môn học cần lưu ý một số điểm sau:

1 Phân chia quân số lớp ra thành các nhóm, mỗi nhóm từ 12 đến 15 sinh viên

2 Gắn cho mỗi mô hình cơ cấu một con số duy nhất gọi là số hiệu cơ cấu

Đánh số lại các cơ cấu sau khi mỗi nhóm thực hành kết thúc

3 Làm hệ thống các phiếu câu hỏi, trong đó thể hiện thông tin về số hiệu cơ cấu và các nội dung cần kiểm tra đối với cơ cấu cụ thể đó

Bài thực hành số 2

Tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu phẳng

2.1 Mục đích - Yêu cầu

Bài thực hành tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu phẳng được tiến hành sau khi sinh viên đã học xong các nội dung lý thuyết và bài tập của chương I môn Nguyên lý máy Mục đích là để giúp sinh viên hoàn thiện kỹ năng giải quyết một lớp bài toán cơ bản của lý thuyết cơ cấu là xác định số bậc tự do và xếp hạng các cơ cấu phẳng Thông qua đó, sinh viên có thể củng cố được những kiến thức lý thuyết đã học được ở trên lớp liên quan đến vấn đề cấu trúc của cơ cấu

Sau khi thực hành, sinh viên cần nắm chắc cách tính số bậc tự do của các cơ cấu nói chung và của các cơ cấu phẳng nói riêng, đồng thời phải thành thạo các thao tác thay thế khớp cao bằng một khâu với hai khớp thấp, tách các nhóm Axua ra khỏi cơ cấu và kết luận về hạng của cơ cấu dựa theo các nhóm Axua đã tách ra

được từ cơ cấu

2.2 Nhiệm vụ của bài thực hành

Trong bài thực hành này, mỗi sinh viên sẽ nhận được lược đồ động của một cơ cấu phẳng trong đó có khớp cao và phải hoàn thành các nhiệm vụ sau:

1 Tính số bậc tự do W của cơ cấu

2 Xếp hạng cơ cấu đã cho khi khâu 1 là khâu dẫn

3 Trả lời câu hỏi phụ liên quan đến việc tách nhóm Axua và xếp hạng cơ cấu

2.3 Kiến thức cần nắm vững khi thực hành

Để thu được kết quả tốt đối với bài thực hành này, sinh viên cần nắm vững những kiến thức cơ bản sau đây:

- Định nghĩa và ký hiệu của khớp tịnh tiến, khớp quay và khớp cam - răng

- Cách ký hiệu của các khâu hình thành chuỗi động và cơ cấu

- Công thức tính số bậc tự do của cơ cấu phẳng và các ký hiệu có mặt trong công thức đó

- Bản chất và cách xác định các ràng buộc thừa và bậc tự do thừa

- Các sơ đồ thay thế khớp cao bằng một khâu với hai khớp thấp

- Các nhóm Axua tiêu biểu hạng hai, hạng ba, hạng bốn (định nghĩa, công thức liên hệ số khâu và số khớp, các dạng thường thấy và cách tạo biến thể)

- Các nguyên tắc tách nhóm Axua cần phải tuân thủ

- Quy tắc xếp hạng nhóm Axua

2.4 Cách đánh giá và cho điểm

Điểm của bài thực hành được cho theo thang điểm 10 Có thể cho điểm từng nội dung của bài thực hành như trong bảng dưới đây:

2 Thay thế khớp cao và vẽ đúng lược đồ cơ cấu thay thế 3.0

3 Tách đúng (các) nhóm Axua và kết luận đúng về hạng của cơ

2.5 Một số thí dụ giải mẫu

Thí dụ 2.1: Cho cơ cấu phẳng như trên hình 2-1a

Vậy cơ cấu đã cho có 1 bậc tự do

 Để xếp hạng cơ cấu, trước hết chúng ta thay thế khớp cao A bằng khâu thay thế

m với hai khớp thấp C1, C2 (C1, C2 nằm tại tâm cong của hai biên dạng tạo khớp cao A) và nhận được cơ cấu thay thế mà trong đó tất cả các khớp đều là khớp thấp

loại 5 như hình 2-1b

 Với khâu 1 là khâu dẫn, có thể tách cơ cấu và nhận được 3 nhóm Axua hạng 2

và khâu dẫn 1 như trên hình 2-2a Theo đó, cơ cấu đã cho là cơ cấu hạng 2 nếu

chọn khâu 1 làm khâu dẫn

Hình 2-2

b) Bây giờ chúng ta chọn khâu 6 làm khâu dẫn

Khi đó, nếu tách cơ cấu chúng ta sẽ nhận được một nhóm Axua hạng 2, một

nhóm Axua hạng 3 và khâu dẫn 6 như trên hình 2-2b Theo đó, với khâu 6 là

khâu dẫn, cơ cấu đã cho trở thành cơ cấu hạng 3 Vậy hạng của cơ cấu đã cho phụ thuộc vào cách lựa chọn khâu dẫn

Thí dụ 2.2: Cho cơ cấu phẳng như trên hình 2-3a

(loại 5) p5 = 6, số ràng buộc trùng R = 0, số ràng buộc thừa R' = 0, số bậc tự do thừa (hay bậc tự do cục bộ) S = 1 (chuyển động quay của con lăn 2 quanh tâm A)

Thay vào công thức trên chúng ta nhận được:

W = 3.5 - (1 + 2.6) + 0 + 0 - 1 = 1

Vậy cơ cấu đã cho có 1 bậc tự do

 Để xếp hạng cơ cấu, trước hết phải thay thế khớp cao T bằng khâu thay thế m

với hai khớp thấp C1, C2 (C1, C2 nằm tại tâm cong của hai biên dạng tạo khớp cao

T, C2  A) và nhận được cơ cấu thay thế chỉ gồm tất cả các khớp thấp loại 5 như

hình 2-3b

 Với khâu 1 là khâu dẫn, có thể tách cơ cấu và nhận được một nhóm Axua hạng

3 (gồm các khâu m, 3, 4, 5 và các khớp C1, C2, C, BT, BQ, D) và khâu dẫn 1 như

trên hình 2-4a Theo đó, cơ cấu đã cho là cơ cấu hạng 3 với khâu dẫn là khâu 1

b) Với khâu 4 làm khâu dẫn, nếu tách cơ cấu chúng ta sẽ nhận được hai nhóm

Axua hạng 2 và khâu dẫn 4 như trên hình 2-4b Theo đó, với khâu 4 là khâu dẫn,

cơ cấu đã cho trở thành cơ cấu hạng 2 Vậy hạng của cơ cấu đã cho đã thay đổi khi thay đổi cách lựa chọn khâu dẫn

Hình 2-4

Thí dụ 2.3: Cho cơ cấu phẳng như trên hình 2-4a

a) Tính số bậc tự do và xếp hạng cơ cấu trong trường hợp khâu 1 là khâu dẫn b) Hãy xếp hạng của cơ cấu trong trường hợp chọn khâu 6 làm khâu dẫn

Giải

Hình 2-4

a) Số bậc tự do của cơ cấu phẳng đã cho được tính theo công thức:

W = 3n - (p4 + 2p5) + R + R' - S trong đó: số khâu động n = 6, số khớp cao (loại 4) p4 = 1 (khớp A), số khớp thấp

(loại 5) p5 = 8, số ràng buộc trùng R = 0, số ràng buộc thừa R' = 0, số bậc tự do thừa (hay bậc tự do cục bộ) S = 0 Thay vào công thức trên chúng ta nhận được:

W = 3.6 - (1 + 2.8) + 0 + 0 - 0 = 1

Vậy cơ cấu đã cho có 1 bậc tự do

 Để xếp hạng cơ cấu, trước hết phải thay thế khớp cao A bằng khâu thay thế m

với hai khớp thấp C1, C2 (C1 là tâm cong tại A của hai biên dạng cam 1, C2  A)

và nhận được cơ cấu thay thế chỉ gồm toàn khớp thấp loại 5 như hình 2-4b

 Với khâu 1 là khâu dẫn, có thể tách cơ cấu để nhận được một nhóm Axua hạng

4 (gồm các khâu 3, 4, 5, 6 và các khớp C, D, E, F, G, H), một nhóm Axua hạng 2

(gồm các khâu m, 2 và các khớp C1, C2, B) và khâu dẫn 1 như trên hình 2-5a

Theo đó, cơ cấu đã cho là cơ cấu hạng 4 với khâu 1 là khâu dẫn

b) Trong trường hợp chọn khâu 6 làm khâu dẫn, chúng ta có thể tách cơ cấu và

nhận được một nhóm Axua hạng 2 (gồm các khâu 1, m và 3 khớp O, C1, C2), một nhóm Axua hạng 3 (gồm các khâu 2, 3, 4, 5 và các khớp B, C, D, E, F, G) và

khâu dẫn 6 như trên hình 2-5b Theo đó, với khâu 6 là khâu dẫn, cơ cấu đã cho trở

(loại 5) p5 = 8, số ràng buộc trùng R = 0, số ràng buộc thừa R' = 0, số bậc tự do thừa (hay bậc tự do cục bộ) S = 0

Thay vào công thức tính bậc tự do chúng ta nhận được:

W = 3.6 - (1 + 2.8) + 0 + 0 - 0 = 1

Vậy cơ cấu đã cho có 1 bậc tự do

Hình 2-7

 Để xếp hạng cơ cấu, trước hết thay thế khớp cao A bằng khâu thay thế m trên

đó có khớp quay C1 (tâm của đường tròn biên dạng cam 1) và khớp tịnh tiến A

Cơ cấu thay thế chỉ gồm tất cả các khớp thấp loại 5 có dạng như trên hình 2-6b

 Với khâu 1 là khâu dẫn, cơ cấu được tách thành ba nhóm Axua hạng 2 và khâu

dẫn 1 như trên hình 2-7a Theo đó, với khâu 1 là khâu dẫn, cơ cấu đã cho là cơ

cấu hạng 2

b) Trong trường hợp khâu 6 được chọn làm khâu dẫn thay cho khâu 1, việc tách

cơ cấu vẫn cho kết quả là ba nhóm Axua hạng 2 và khâu dẫn 6 như trên hình

2-7b Theo đó, cơ cấu đã cho vẫn là cơ cấu hạng 2 với khâu 6 là khâu dẫn

Vậy hạng của cơ cấu đã cho không thay đổi khi đổi khâu 6 làm khâu dẫn thay cho khâu 1

2) Hãy chọn lại khâu dẫn để thay

đổi hạng của cơ cấu

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

cách chọn khâu dẫn

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp khâu 4 là khâu dẫn

là khâu 7 thì hạng của cơ cấu đã

cho sẽ thay đổi so với trường hợp

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp khâu 4 là khâu dẫn

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho

việc thay đổi khâu dẫn có thể làm

thay đổi hạng của nó

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 3 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 6 làm khâu

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho

việc thay đổi khâu dẫn có thể làm

thay đổi hạng của nó

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 5 làm khâu

dẫn

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho

việc thay đổi khâu dẫn có thể làm

thay đổi hạng của nó

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho

việc thay đổi khâu dẫn có thể

làm thay đổi hạng của nó

2) Nếu chọn khâu 6 làm khâu dẫn thì

hạng của cơ cấu có thay đổi

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 6

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 6

làm khâu dẫn

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp khâu dẫn là

2) Chứng tỏ rằng với cơ cấu đã cho,

hạng của cơ cấu phụ thuộc vào

cách lựa chọn khâu dẫn

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp khâu dẫn là

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong trường

hợp khâu dẫn không phải là khâu

2) Hãy xếp hạng của cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu dẫn

là khâu 6

2) Hãy xếp hạng của cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu dẫn

2) Nếu chọn khâu 6 làm khâu dẫn

thì hạng của cơ cấu đã cho có

thay đổi so với trước không?

2) Hãy xếp hạng của cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 6 làm khâu

2) Hãy xếp hạng của cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 5 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 4 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã trong

trường hợp chọn khâu 7 làm khâu

dẫn

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã trong

trường hợp chọn khâu 6 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 7

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 7

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 6

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 5

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 4

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 5 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 5 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp chọn khâu 3 làm khâu

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 4

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 7

làm khâu dẫn

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 7

2) Hạng của cơ cấu đã cho có thay

đổi hay không nếu đổi khâu 6

làm khâu dẫn? Giải thích

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 6

2) Hạng của cơ cấu đã cho có thay

đổi hay không nếu đổi khâu 4

làm khâu dẫn? Tại sao?

2) Hãy xếp hạng cơ cấu đã cho

trong trường hợp chọn khâu 6

2) Hãy xếp hạng cơ cấu trong

trường hợp đổi khâu 6 làm khâu

dẫn