(NB) Bài giảng Truyền động cơ khí: Phần 1 cung cấp nội dung chính như sau: cấu trúc cơ cấu, phân tích động học cơ cấu phẳng, cơ cấu cam, cơ cấu bánh răng, các loại mối ghép, truyền động đai, truyền động vít đai ốc.
Trang 1TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ
(Dùng cho sinh viên đại học Kỹ thuật Cơ điện tử)
Trang 2MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 2
1.1 Khái niệm và định nghĩa 2
1.1.1 Khâu, chi tiết máy 2
1.1.3 Các loại khớp động và lược đồ khớp 2
1.1.4 Kích thước động của khâu và lược đồ khâu 3
1.1.5 Chuỗi động và cơ cấu 4
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 5
1.2.1 Khái niệm về bậc tự do của cơ cấu 5
1.2.2 Công thức tính bậc tự do của cơ cấu 5
Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG 7
2.1 Nội dung và giả thiết của bài toán phân tích động học 7
2.1.1 Định nghĩa 7
2.1.2 Nguyên lí chuyển động: 8
2.1.3 Điều kiện quay toàn vòng của khâu dẫn (Định lý Grashof): 8
2.1.4 Các biến thể của cơ cấu 4 khâu bản lề: 9
Chương 3 CƠ CẤU CAM 15
3.1 Khái niệm về cơ cấu cam 15
3.1.1 Định nghĩa 15
3.1.2 Công dụng và phân loại: 15
3.2 Khảo sát cơ cấu cam cần đẩy trùng tâm 16
3.2.1 Phân tích động học cơ cấu cam 16
Chương 4 CƠ CẤU BÁNH RĂNG 23
4.1 Khái niệm về cơ cấu bánh răng 23
4.2 Truyền động của bánh răng 27
Chương 5 CÁC LOẠI MỐI GHÉP 37
Trang 35.1 Các loại đinh tán và mối ghép đinh tán 37
5.1.1 Đinh tán: 37
1-Đối với kim loại màu được lấy như sau: 40
5.2 Mối ghép hàn 42
5.2.1 Phân loại mối ghép hàn: 42
5.2.2 Tính toán độ bền cho mối ghép 45
5.3 Mối ghép ren 49
5.4 Mối ghép bằng then và then hoa 56
5.4.1 Ưu, nhược điểm của mối ghép then: 56
5.4.2 Cấu tạo các loại then: Có thể chia then làm 2 loại lớn: 56
5.4.3 Tính toán mối ghép bằng then: 61
CÂU HỎI ÔN TẬP 65
Chương 6 TRUYỀN ĐỘNG ĐAI 67
6.1 Khái niệm chung 67
6.1.1 Giới thiệu truyền động đai 67
6.1.2 Các loại đai và kết cấu bánh đai 67
6.1.4 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng 70
6.1.5 Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền đai 71
6.2 Cơ học truyền động đai 74
6.2.1 Vận tốc và tỉ số truyền 74
6.2.2 Lực tác dụng trong truyền động đai 74
6.2.3 Ứng suất trong đai 75
6.2.4 Hiện tượng trượt trong truyền động đai 76
6.2.5 Khả năng kéo, đường cong trượt và đường cong hiệu suất 77
6.3 Tính toán truyền động đai 79
6.3.1 Phương pháp tính toán 79
6.4 Trình tự thiết kế truyền động đai 82
6.4.1 Trình tự thiết kế truyền động đai dẹt 82
Trang 46.4.2 Trình tự thiết kế bộ truyền đai thang: 84
Chương 7 TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ĐAI ỐC 92
7.1 Khái niệm chung 92
7.1.1 Giới thiệu bộ truyền vít – đai ốc 92
7.1.2 Phân loại bộ truyền vít đai ốc: 94
7.1.3 Các thông số chủ yếu của bộ truyền vít đai ốc: 97
7.2 Tính toán truyền động vít đai ốc 98
7.2.1 Các dạng hỏng chủ yếu và chỉ tiêu tính toán 98
7.2.2 Tính bộ truyền vít đai ốc theo độ bền mòn: 98
7.2.3 Tính bộ truyền vít đai ốc về độ bền 99
7.2.4 Tính bộ truyền vít đai ốc theo điều kiện ổn định 100
7.3 Trình tự thiết kế truyền động vít-đai ốc 101
Chương 8 TRUYỀN ĐỘNG XÍCH 102
8.1 khái niệm chung 102
8.1.1 Nguyên lý làm việc và cấu tạo của bộ truyền xích: 102
8.1.2 Ưu, nhược điểm: 103
8.2 Bộ truyền xích 103
8.2.1 Các loại xích truyền động: 103
8.3 Những thông số chính của bộ truyền 106
8.3.1 Bước xích : t (mm) 106
8.3.2 Đường kính đĩa xích : d (mm) 106
8.3.3 Số răng đĩa xích Z (răng): 107
8.3.4 Khoảng cách trục A (mm): 108
8.3.5 Số mắt xích X: 109
8.4 Tính toán truyền động xích 109
8.4.1 Các dạng hỏng: 109
8.4.2 Tính xích theo áp suất cho phép : 109
8.4.3 Kiểm nghiệm số lần va đập của mắt xích trong 1 giây: 112
Trang 58.4.5 Cơ học truyền động xích: 114
8.4.6 Tải trọng động Fđ (N): 115
8.5 Trình tự thiết kế bộ truyền xích 115
Chương 9 TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG 121
9.1 Khái niệm chung 121
9.1.1 Nguyên lí làm việc: 121
9.1.2 Phân loại: 121
9.1.3 Ưu – nhược điểm: 122
9.1.4 Phạm vi ứng dụng: 123
9.1.5 Độ chính xác ăn khớp: 123
9.1.6 Kết cấu bánh răng: 123
9.2 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 124
9.2.1 Gãy răng: 124
9.2.2 Tróc vì mỏi bề mặt răng: 125
9.2.3 Mòn mặt răng: hình 9.4b 125
9.2.4 Dính răng: hình 9.4c 125
9.2.5 Biến dạng dẻo bề mặt răng: 125
9.2.6 Bong bề mặt răng: 126
9.3 Vật liệu bánh răng - ứng suất cho phép 126
9.3.1.Vật liệu: 126
9.3.2 Ứng suất cho phép: 126
9.4 Tính toán bộ truyền bánh răng 126
9.4.1 Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: 126
9.4.4 Tính theo sức bền uốn: 133
9.4.5 Bộ truyền bánh răng trụ răng nghiêng: 136
9.4.6 Truyền động bánh răng nón: 141
9.5 Trình tự thiết kế bộ truyền bánh răng: 148
Chương 10 TRUYỀN ĐỘNG TRỤC VÍT 150
Trang 610.1 Khái niệm chung 150
10.1.1 Nguyên lý làm việc và cấu tạo: 150
10.1.2 Phân loại: 151
10.1.3 Ưu-nhược điểm và phạm vi ứng dụng: 152
10.1.4 Các thông số hình học chủ yếu của bộ truyền trục vít Acsimét: 152
10.2 Cơ học truyền động trục vít 154
10.2.1 Tỷ số truyền và vận tốc vòng: 154
10.2.2 Lực tác dụng Fr (N): 156
10.2.3 Tải trọng tính: 157
10.3 Tính toán truyền động trục vít 157
10.3.1 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán: 157
10.3.2 Tính sức bền tiếp xúc: 158
10.3.3 Tính sức bền uốn: 159
10.3.4 Tính nhiệt bộ truyền trục vít: 160
10.4 Vật liệu và ứng suất cho phép 161
10.4.1.Vật liệu: 161
10.4.2 Ứng suất cho thép: 161
10.5.Trình tự thiết kế bộ truyền trục vít 161
Chương 11 TRỤC 162
11.1 Khái niệm chung 162
11.1.1 Giới thiệu về trục 162
11.1.2 Phân loại trục 162
11.1.3 Kết cấu và vật liệu trục 163
11.2.1 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 165
11.2.2 Tính toán trục về độ bền 167
11.2.3 Tính trục về độ cứng 170
11.3 Trình tự thiết kế trục 171
Chương 12 Ổ LĂN 176
Trang 712.1 Khái niệm chung 176
12.1.1 Giới thiệu về ổ lăn 176
12.1.2 Phân loại ổ lăn 176
12.1.3 Độ chính xác chế tạo ổ lăn 178
12.1.4 Các loại ổ lăn thường dùng 178
12.2 Lực và ứng suất trong ổ lăn 179
12.2.1 Sự phân bố lực trên các con lăn 179
12.2.2 Ứng suất tiếp xúc trong ổ lăn 181
12.3 Tính chọn ổ lăn 182
12.3.1 Các dạng hỏng của ổ lăn và chỉ tiêu tính toán 182
12.3.2 Tính ổ lăn theo khả năng tải động 183
12.3.3 Tính ổ lăn theo khả năng tải tỉnh 193
CÂU HỎI ÔN TẬP 194
TÀI LIỆU THAM KHẢO 195
Trang 8LỜI NÓI ĐẦU Truyền động cơ khí được biên soạn theo nội dung phân phối chương trình Đại
học ngành Kỹ thuật Cơ điện tử do trường Đại học Phạm Văn Đồng xây dựng Nội
dung được biên soạn cô đọng, dễ hiểu Các kiến thức trong toàn bộ bài giảng có mối liên hệ lôgic chặt chẽ Tuy vậy bài giảng chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham khảo thêm các tài liệu có liên quan với ngành học để sử dụng có hiệu quả hơn
Bài giảng Truyền động cơ khí được biên soạn theo chương trình đào tạo của
Trường Đại học Phạm Văn Đồng với thời lượng 60 tiết bao gồm 11 chương Đây là học phần cơ sở được thiết kế trong chương trình đào tạo Nhằm trang bị cho sinh viên các kiến thức cần thiết về ứng dụng cơ học trong kỹ thuật và các chi tiết máy thông dụng trong lĩnh vực cơ điện tử, cơ khí Mục đích để nâng cao trình độ kỹ thuật, bảo quản các trang thiết bị, đồng thời phục vụ cho việc tiếp thu các học phần chuyên ngành
Nhóm biên soạn tuy rất cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan đến học phần và phù hợp với đối tượng sử dụng, cũng như sự gắn liền nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế trong sản xuất để bài giảng có tính thực tiễn hơn Song vẫn không tránh được các thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của người sử
dụng Mọi đóng góp xin gởi về: Bộ môn Cơ khí, Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường
Đại học Phạm Văn Đồng, qua email: nhlinh@pdu.edu.vn và dmtien@pdu.edu.vn
Nhóm biên soạn
Trang 9Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU
1.1 Khái niệm và định nghĩa
1.1.1 Khâu, chi tiết máy
1 Định nghĩa: là tập hợp các vật thể có chuyển động theo một quy luật nhất định
nhằm biến đổi hoặc sử dụng năng lượng để làm ra công có ích
- Biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hay ngược lại
- Biến đổi chuyển động quay thành chuyển động lắc và ngược lại
- Biến đổi chuyển động quay liên tục thành chuyển động gián đoạn
Những cơ cấu có nhiệm vụ truyền động gọi tắt là cơ cấu truyền động
a, b, c-Cơ cấu phẳng; d-Cơ cấu Culit; e-Cơ cấu cam;
f-Cơ cấu bánh răng; i-Cơ cấu bánh ma sát
Hình 1.1 Các cơ cấu cơ khí thường gặp
1.1.3 Các loại khớp động và lược đồ khớp
1 Khớp động: Chỗ nối động giữa các khâu gọi là khớp động
Có 2 loại: Khớp loại thấp và khớp loại cao
Trang 10- Khớp loại thấp: gọi tắt là khớp thấp, là những khớp động mà những tiếp xúc
của khớp là các mặt Thường là khớp quay và khớp tịnh tiến như hình 1.2a,b,c
- Khớp loại cao: gọi tắt là khớp cao, là những khớp động mà chỗ tiếp xúc của khớp là các đường hoặc điểm Thường là những khớp trong cơ cấu cam, bánh răng, ma
sát như hình 1.2d,e
2 Lược đồ khớp: Dùng để biểu diễn khớp động, mục đích là để thuận lợi trong
việc nghiên cứu, phân tích cơ cấu, máy; người ta quy ước biểu diễn khớp động như
hình vẽ 1.2
1.1.4 Kích thước động của khâu và lược đồ khâu
Trong máy và cơ cấu những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau thì gọi là khâu Khâu cũng có thể là một vật thể đơn nhất không thể tách rời được nữa, cũng có thể là tập hợp các vật thể ghép cứng với nhau như thanh truyền trong cơ cấu động cơ
nổ
Hình 1.2a,b:khớp quay; hình 1.2c: khớp
tịnh tiến; hình 1.2d: khớp trong cơ cấu
cam; hình 1.2e: khớp trong cơ cấu bánh
răng
Hình 1.2 Lược đồ các khớp động
Hình 1.3a cấu tạo của cơ cấu thanh truyền trong động cơ nổ; hình 1.3b là lược đồ của cơ cấu thanh truyền
Hình 1.3 Cơ cấu thanh truyền
Trang 11Khâu cũng được biểu diễn bằng lược đồ (lược đồ khâu) và phải thỏa mãn 2 điều kiện sau:
- Chiều dài khâu biểu diễn bằng lược đồ đúng bằng kích thước động của khâu
- Biểu diễn đầy đủ các khớp động có trên khâu
Hình 1.4 Thanh truyền
1.1.5 Chuỗi động và cơ cấu
1 Chuỗi động: Là tập hợp các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động trong
một hệ thống, chuỗi động bao gồm:
- Chuỗi động phẳng: các điểm trên các khâu chuyển động trên cùng một mặt
phẳng hay các mặt phẳng song song với nhau (hình 1.5a, 1.5b)
- Chuỗi động không gian: các điểm trên các khâu chuyển động trên các mặt phẳng
không song song với nhau (hình 1.5c)
Chuỗi động phẳng hay chuỗi động không gian còn có thể là chuỗi động kín hay chuỗi động hở Nếu trong chuỗi động mỗi khâu tham gia ít nhất là 2 khớp động được
gọi là chuỗi động kín (chuỗi động phức tạp) (hình 1.5c); nếu trong chuỗi động có khâu
tham gia chỉ 1 khớp động gọi là chuỗi động hở (chuỗi động đơn giản)
(hình 1.5a, 1.5b)
Hình 1.5 Chuỗi động
Trang 122 Cơ cấu: Là một chuỗi động trong đó có một khâu cố định, còn những khâu
khác chuyển động theo một quy luật nhất định
Khâu cố định gọi là giá Tùy theo tính chất chuyển động của các khâu trong cơ cấu
so với giá người ta phân biệt: Tay quay (có chuyển động quay được toàn vòng quanh trục nối với giá), thanh truyền (có chuyển động song phẳng), con trượt (có chuyển động tịnh tiến qua lại so với giá hay một khâu khác), culít (khâu chuyển động dùng
làm bộ phận dẫn hướng cho con trượt), (hình 1.6a, b)
Hình 1.6 Cơ cấu
1.2 Bậc tự do của cơ cấu
1.2.1 Khái niệm về bậc tự do của cơ cấu
Bậc tự do của cơ cấu phẳng là số thông số cho trước để xác định vị trí của cơ cấu và được ký hiệu là (W)
Hình 1.7 Khả năng chuyển động
a-3 khả năng chuyển động W=3; b-khả năng chuyển động bị hạn chế W=1
1.2.2 Công thức tính bậc tự do của cơ cấu
- Những khả năng chuyển động có thể có ta gọi là số bậc tự do Nếu khả năng chuyển động tương đối bị hạn chế ta gọi là số bậc tự do bị hạn chế
Trang 13- Trong cơ cấu phẳng mỗi khớp động loại thấp (khớp quay, khớp tịnh tiến) làm hạn chế hai bậc tự do của khâu
- Trong mỗi khớp động loại cao (nhƣ khớp bánh răng, khớp bánh ma sát) làm hạn chế một bậc tự do
- Số khâu có trong cơ cấu là (n+1) khâu và n là số khâu động, còn 1 là khâu cố định (có W=0 nên gọi là giá)
- Gọi số khớp thấp có trong cơ cấu là pt thì số bậc tự do bị hạn chế là 2.pt
4 Cơ cấu hình 1.1i có: n=2; pt =2 , pc=1 nên W=3 * 2 – (2 * 2 + 1 ) = 1
CÂU HỎI ÔN TẬP
1- Định nghĩa máy? máy đƣợc chia làm mấy loại và công dụng của chúng?
2- Định nghĩa cơ cấu? Gồm những loại cơ cấu chủ yếu nào, nêu nhiệm vụ của chúng?
3- Định nghĩa khâu, khớp động?
4- Định nghĩa bậc tự do? Nêu công thức và giải thích các thông số có ở công thức này?
Trang 14Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG
2.1 Nội dung và giả thiết của bài toán phân tích động học
2.1.1 Định nghĩa
Cơ cấu 4 khâu bản lề (khâu phẳng) là một cơ cấu phẳng gồm 4 khâu nối với nhau bằng 4 khớp quay
Hình 2.1 Lược đồ cấu tạo cơ cấu 4 khâu bản lề
Khâu 1 là giá, khâu 2 và 4 nối với giá gọi là tay quay (nếu nó quay được toàn vòng) hay cần lắc (nếu nó không quay được toàn vòng) Cơ cấu này có một bậc tự do
Chú ý: Cơ cấu có bao nhiêu bậc tự do thì có bấy nhiêu khâu dẫn
Khâu cố định được gọi là giá
Khâu dẫn là khâu mà quy luật chuyển động được cho trước hay nói cách khác là: khâu có chuyển động quay và quay với vận tốc góc không đổi thì được gọi là
khâu dẫn (AB) những khâu còn lại trừ khâu cố định thì gọi là khâu bị dẫn
Chú ý: Khâu dẫn không phải là khâu phát động, khâu phát động là khâu trên nó
đặt lực phát động tức là lực làm cho cơ cấu chuyển động hay lực động cơ làm chạy máy
Độ dài: - Khâu AD = a gọi là giá
- Khâu BC = c gọi là thanh truyền
- 2 khâu còn lại nối với giá AB =b là khâu dẫn thực hiện chuyển động quay quanh A còn gọi là tay quay AB
- Khâu đối diện với tay quay là khâu bị dẫn CD = d dao động quanh D còn gọi là cần lắc
Nguyên lý: Quá trình chuyển động truyền được thực hiện từ khâu dẫn quay đến
khâu bị dẫn là cần lắc thông qua thanh truyền BC, thanh truyền thực hiện chuyển động song phẳng thì ta gọi cần lắc CD thực hiện khoảng chạy kép trên cung C1C2 (AB quay
Trang 15một vòng thì CD thực hiện 1 góc C1DC2) Hai vị trí C1D, C2D là 2 vị trí giới hạn (còn gọi là vị trí biên)
2.1.2 Nguyên lí chuyển động:
Khâu cố định được gọi là giá
Khâu dẫn là khâu mà quy luật chuyển động được cho trước hay nói cách khác là: khâu có chuyển động quay và quay với vận tốc góc không đổi thì được gọi là
khâu dẫn (AB) những khâu còn lại trừ khâu cố định thì gọi là khâu bị dẫn
Chú ý: Khâu dẫn không phải là khâu phát động, khâu phát động là khâu trên nó
đặt lực phát động tức là lực làm cho cơ cấu chuyển động hay lực động cơ làm chạy máy
Độ dài: - Khâu AD = a gọi là giá
- Khâu BC = c gọi là thanh truyền
- 2 khâu còn lại nối với giá AB =b là khâu dẫn thực hiện chuyển động quay quanh A còn gọi là tay quay AB
- Khâu đối diện với tay quay là khâu bị dẫn CD = d dao động quanh D còn gọi là cần lắc
Nguyên lý: Quá trình chuyển động truyền được thực hiện từ khâu dẫn quay đến
khâu bị dẫn là cần lắc thông qua thanh truyền BC, thanh truyền thực hiện chuyển động song phẳng thì ta gọi cần lắc CD thực hiện khoảng chạy kép trên cung C1C2 (AB quay một vòng thì CD thực hiện 1 góc C1DC2) Hai vị trí C1D, C2D là 2 vị trí giới hạn (còn gọi là vị trí biên)
2.1.3 Điều kiện quay toàn vòng của khâu dẫn (Định lý Grashof):
Giả thiết cơ cấu 4 khâu bản lề có một tay quay (khâu AB) và có cần lắc (khâu CD) ta đi xác định quan hệ kích thước giữa các khâu trên lược đồ cơ cấu 4 khâu phẳng
như hình vẽ 2.1 trên
Muốn cho tay quay AB quay toàn vòng thì AB phải quay hai vị trí B1 và B2 tức là
2 vị trí biên của cần lắc CD (AB và BC thẳng hàng) Xét 2 vị trí của cơ cấu từ hai tam giác AC1D và AC2D:
Ta có :AC1 AD + DC1 b + c a + d (2-1)
Trang 16d a c
b
Hình 2.2 Cơ cấu có khâu quay toàn vòng
- Định lý Grashof: Cơ cấu 4 khâu phẳng có khâu quay toàn vòng khi và chỉ khi
nào tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu dài nhất nhỏ hơn hoặc bằng tổng chiều dài của hai khâu còn lại, khi đó:
1 Khi giá kề với khâu ngắn nhất là tay quay còn khâu đối diện là cần lắc hình
2.2a
2 Khi giá là khâu ngắn nhất thì cả hai khâu nối giá đều là tay quay hình 2.2b
3 Khi giá đối diện với khâu ngắn nhất thì cơ cấu có 2 thanh lắc (cần lắc) và khâu ngắn nhất sẽ quay toàn vòng
2.1.4 Các biến thể của cơ cấu 4 khâu bản lề:
Dạng biến thể nhƣ hình 2-3
Trang 17Hình 2.3 Các dạng biến thể
Về mặt nguyên lý, cấu tạo thì không đổi: nó là cơ cấu phẳng khớp thấp có 1 khâu
cố định và 3 khâu động có 4 khớp động loại thấp được biễu diễn dưới dạng biến thể khác nhau
Dạng biến thể trên hình 2.3a có khâu CD sẽ trở thành con trượt 4, trượt trong rãnh
cong KL
2.1.4.1 Cơ cấu tay quay - con trượt:
Trang 18-Trường hợp bán kính CD tiến tới vơ cùng lớn quỹ đạo cong của khớp C sẽ thành
đường thẳng con trượt 4 sẽ chuyển động tịnh tiến qua lại ta gọi là cơ cấu tay quay con
trượt lệch tâm (hình 2.3b) Đây là một dạng biến thể của cơ cấu 4 khâu bản lề
-Khoảng lệch tâm e gọi là tâm sai
-Khi tâm sai e = 0 thì quỹ đạo của con trượt sẽ quay qua tâm quay của tay quay ta
gọi là cơ cấu tay quay con trượt trùng tâm (hình 2.3c)
- Cơ cấu tay quay tâm sai e = 0 quay con trượt dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động thẳng tịnh tiến hoặc ngược lại
2.1.4.2 Cơ cấu Culit: hình 2.3d
Dùng để biến chuyển động quay tồn vịng thành chuyển động quay liên tục (quay tồn vịng, lắc qua lại) Trường hợp, nếu đổi giá chọn: khâu 2 làm giá và kích thước khâu 2 lớn hơn khâu 3 (AB > BC) ta sẽ cĩ cơ cấu Culit được biễu diễn như hình vẽ
2.2 Bài tốn vị trí và quỹ đạo
Phân tích động học cơ cấu bốn khâu phẳng bao gồm việc giải các bài tốn sau:
- Tìm quĩ đạo của các điểm thuộc các khâu của cơ cấu;
- Xác định hành trình của các điểm thuộc các khâu của cơ cấu;
- Xác định vận tốc (gia tốc trong trường hợp đơn giản) của điểm thuộc khâu hoặc của khâu của cơ cấu
Cĩ 2 phương pháp:
- Phương pháp giải tích;
- Phương pháp vẽ đồ thị (sử dụng chủ yếu)
2.2.1 Xác định quĩ đạo các điểm của khâu trên cơ cấu:
Cho trước lược đồ cơ cấu bốn khâu phẳng ABCD.Việc xác định quĩ đạo của điểm
M trên thanh truyền BC của cơ cấu được tiến hành như sau:
1 Vẽ lược đồ cơ cấu: hình 2.4a theo tỷ lệ xích tự chọn, cơng thức biểu thị tỷ lệ
xích kích thước cơ cấu là:
ẽ trênbảnv Kíchthước
l AB
( 2-4 )
Sau khi vẽ ta định được đoạn BM trên BC (do cho trước lBM hoặc lMC)
Trang 19a- Lược đồ cơ cấu; b- Đồ thị biến thiên hành trình; c- Đồ thị biến thiên vận tốc
Hình 2.4
2 Xác định quĩ đạo của điểm M:
Chia vòng tròn tay quay AB ra 8 phần bằng nhau (chia số phần càng nhiều thì M càng chính xác).Ta xác định đƣợc 8 vị trí tay quay là AB1, AB2, … , AB8 Xác định thêm 2 điểm biên của cần lắc là ABo và ABo/
quay cung tròn có bán kính r =BC (biểu diễn theo tỷ lệ) Các cung này cắt quĩ đạo điểm C (vòng tròn bán kính CD) tại các điểm C1, C2, … , C8 Nối các đoạn B1C1 ,
Trang 20B2C2 , ……… , B8C8 ta được 8 vị trí của thanh truyền và từ đĩ ta xác định được 8 vị trí của điểm M là M1 , M2 , …… , M8.(điểm M càng nhiều quĩ đạo càng chính xác)
điểm M cần tìm
2.3 Bài tốn vận tốc
Xác định khoảng chạy, vận tốc của con trượt C ở các vị trí bất kỳ.Dùng phương pháp vẽ để phân tích động học cơ cấu.Giả sử cho lAB= 0,1m; lBC= 0,4m tay quay quay đều với vận tốc n= 120 vg/ph
Được tiến hành theo trình tự sau:
a) Vẽ lược đồ cơ cấu:
l AB
20
1 , 0
Độdàibie
ủatayquayuay1vòngc
Thờigianq
t
Thời gian quay 1 vịng t=1 (s) và chọn 12 khoảng trên trục Ox cĩ kích thước là 60
Trang 21 VớiS :là tỷ lệ xích biểu thị khoảng chạy của con trượt và được tính:
l y
c) Đồ thị biến thiên vận tốc của con trượt:
Từ đồ thị biến thiên hành trình của con trượt ta dùng phương pháp vi phân đồ thị
để lập đồ thị biến thiên vận tốc theo cách làm sau:
hình 2.4b (các tia này kẻ theo đúng thứ tự của các tiếp tuyến của các điểm M1, M2, ,
M12) Các tia kẻ qua A cắt tung độ O1y1 tại các giao điểm m, từ các giao điểm này
giĩng song song với trục O1x1 các đường giĩng đĩ cắt các tung độ của các phần chia tương ứng tại các điểm v/
1, v/2 , v/3, …… nằm trên đồ thị biến thiên vận tốc của con trượt
-Nối các điểm v/1, v/2 , v/3, …… bằng một đường cong ta được đồ thị biến thiên
vận tốc của con trượt như hình vẽ 2.4c
)
(
mm s
m
v Tungđộbiểudiễn
Vậntốcntốc
åudiễnvậĐộdàibie
ựcVậntốcth
bt
l
V
CÂU HỎI ƠN TẬP
1 Hãy trình bày những cơ cấu phăng cơ bản?
2 Cách xác định vận tốc cơ cấu tay quay con trượt ?
Trang 22Chương 3 CƠ CẤU CAM
3.1 Khái niệm về cơ cấu cam
3.1.1 Định nghĩa
Cơ cấu cam là cơ cấu trong đó khâu bị dẫn nối với khâu dẫn bằng khớp (khâu) và chuyển động qua lại theo quy luật nhất định
- Trong cơ cấu cam khâu dẫn gọi là cam và có chuyển động thường là quay đều,
khâu bị dẫn gọi là cần có chuyển động qua lại:
Nếu cần có chuyển động tịnh tiến qua lại gọi là cần đẩy và trong cần đẩy này
ta có cơ cấu cam cần đẩy
Nếu cần có chuyển động lắc qua lại một góc gọi là cần lắc và ta có cơ cấu cam cần lắc
- Hình dạng đường biên của mặt cam gọi là cam
Hình 3.1 Cơ cấu cam cần đẩy (a) và cần lắc (b)
3.1.2 Công dụng và phân loại:
Cơ cấu cam đảm bảo được cho khâu bị dẫn (cần) có quy luật chuyển động tuỳ ý và chính xác.Qui luật chuyển động của khâu bị dẫn được quyết định bởi hình dạng đường
biên của mặt cam gọi là dạng cam
Phân loại làm 2 loại chính:
Cơ cấu cam phẳng
Cơ cấu cam không gian
Trang 231 Cơ cấu cam phẳng:
Cơ cấu cam phẳng là loại cơ cấu cam có chuyển động của cam và cần trong cùng một mặt phẳng hoặc những mặt phẳng song song
- Cơ cấu cam phẳng cần đẩy như hình 3.2a, b, c
- Cơ cấu cam tịnh tiến ở đây khâu dẫn thực hiện chuyển động tịnh tiến như hình
3.2d
- Cơ cấu cam cần lắc (hình 3.2e,f) trong đó cơ cấu cam cần đẩy gồm cơ cấu cam cần đẩy trùng tâm như hình 3.2a, cơ cấu cam cần đẩy lệch tâm
- Loại cần nhọn như hình 3.2a, cần con lăn như hình 3.2c, d, e, f, cần lồi hình 3.2b
Hình 3.2 Các loại cơ cấu cam
2 Cơ cấu cam không gian:
Cơ cấu cam không gian la øloại cơ cấu mà cam và cần chuyển động trong những
mặt phẳng không song song với nhau (hình 3.2j) biễu diễn hình dạng của cam không
gian và trong cơ cấu này
3.2 Khảo sát cơ cấu cam cần đẩy trùng tâm
3.2.1 Phân tích động học cơ cấu cam
Nghĩa là từ cơ cấu cam đã cho (hình dạng, kích thước của cơ cấu, chuyển động của khâu dẫn) cần xác định các quy luật chuyển động (biến đổi về hành trình), xác định vận tốc của cần đẩy (khâu bị dẫn) đi lập đồ thị biến thiên hành trình và đồ thị biến thiên vận tốc của cần
Trang 24Hình 3.3 Cơ cấu cam cần đẩy
Giả sử cho cơ cấu cam cần đẩy như hình vẽ trên Cam K quay đều với góc quay
2 và dạng cam có bán kính nhỏ nhất rmin =AA1 và bán kính lớn nhất rmax=AA8phân tích động lực cần đẩy của BC
1 Đồ thị biến thiên hành trình của cần: hình 3.4a
Để vẽ đồ thị hành trình trước hết ta phải xác định khâu chạy của cần ứng với mỗi góc quay của cam
- Chia vòng tròn bán kính nhỏ nhất của cam rmin ra n phần bằng nhau (16 phần)
kẻ các tia AA1, AA2, , AA16 khi cam quay các điểm trên vành cam A1, A2, ,
A16 sẽ lần lượt chuyển động đến phương quỹ đạo của cần là điểm tiếp xúc giữa cam và cần, ta có vị trí khoảng chạy tương ứng của cần là 0-1,0-2, ,0-8 và cách xác định các điểm trên như sau: lấy A làm tâm quay các cung AA1,AA2, , AA16 các cung này sẽ cắt quỹ đạo BC ở các điểm 1,2, , 8 Từ đó vẽ được đồ thị biến thiên hành
trình của cần như hình vẽ: hình 3.4a
Trang 25Hình 3.4 Đồ thị biến thiên
a- Đồ thị biến thiên hành trình; b- Đồ thị biến thiên vận tốc;
c- Đồ thị biến thiên gia tốc
-Chọn
ẽ trênbảnv Kíchthước
Trang 26-Số vịng quay của tay quay chọn theo cơng thức vận tốc gĩc ω:
2 Đồ thị biến thiên vận tốc của cần:
Từ đồ thị biến thiên hành trình của cần ta dùng phương pháp vi phân đồ thị để lập
đồ thị biến thiên vận tốc theo cách làm sau:
- Lập hệ toạ độ x/0/y/ nhƣ hình vẽ 3.4b Trên hồnh độ lấy đoạn b = O/A tuỳ ý
(điểm A gọi là cực vi phân) Tại A kẻ các tia song song với các tiếp tuyến trên đồ thị a
(các tia này kẻ theo đúng thứ tự của các tiếp tuyến của các điểm M1, M2, , M16) Các tia kẻ qua A cắt tung độ O/y/ tại các giao điểm m, từ các giao điểm này giĩng song
(
mm s
m ãudiễn Tungđộbie
Vậntốc ntốc
åudiễnvậ Độdàibie
max .
y
l y
S 2
Trang 273 Đồ thị biến thiên gia tốc của cần: Bằng cách làm tương tự vi phân đồ thị vận
tốc (hình 3.4.c) ta được đồ thị gia tốc của cần với tỉ lệ xích:
c bt
l a
(Với b = OA; c = OB ; O- Gốc toạ độ ; A- Điểm vi phân)
Do cấu tạo của dạng cam quy luật chuyển động của cần chia làm 4 giai đoạn:
Cần chuyển động đi xa; Cần đứng ở xa; Cần về gần; Cần đứng ở gần
Giai đoạn cần đi xa và về gần lúc này vận tốc của cần biến đổi
Tương ứng với các giai đoạn trên dạng cam biến đổi theo mỗi góc quay của cam
như hình vẽ sau: hình 3.5a,b
Hình 3.5 Quy luật chuyển động của cần
a-Dạng cam cần đẩy; b-Đồ thị quy luật biến đổi hành trình của cần
Cam quay góc 1 cần chuyển động đi xa góc 1 là góc đi xa
Cam quay một góc 2 cần đứng ở xa, 2 : gócđứng ở xa
Cam quay góc 3 cần chuyển động về gần, 3 gọi là góc về gần
Trang 28 Cam quay một góc 4 cần đứng ở gần, 4gọi là góc ở gần
Đồ thị thể hiện quy luật biến đổi hành trình của cần (hình 3.5.b)
* Chú ý: Trường hợp cho cơ cấu cam cần con lăn (đầu cần lắp con lăn) thì khi
phân tích quy luật biến thiên hành trình của cần ta phải vẽ ra dạng cam lý thuyết là quỹ đạo của tâm con lăn
Căn cứ vào dạng cam lý thuyết để vẽ đồ thị biến thiên hành trình của cần (coi tâm con lăn là đầu nhọn của cần)
Cách vẽ dạng cam lý thuyết (hình 3.6) lấy các điểm trên biên dạng cam thực làm tâm và vẽ những vòng tròn có bán kính bằng bán kính con lăn rL hình bao tương ứng của họ vòng tròn này chính là biên dạng cam lý thuyết
Hình 3.6 Dạng cam lý thuyết
Từ quy luật biến thiên hành trình đã cho của cần đẩy hãy vẽ dạng cam sao cho thoả mãn quy luật đó
Giả sử cho trước một quy luật biến thiên hành trình của cần như hình (3.5) sau:
- Đoạn cong AB và DE biểu thị hành trình đi xa và về gần đoạn BD nằm ngang biểu thị cần đứng ở xa, khoảng AE trên hoành độ biểu thị góc quay (cam quay một vòng)
Quá trình vạch dạng cam (cần đẩy) lấy điểm A làm tâm quay vòng tròn biểu thị bán kính nhỏ nhất của cam theo tỷ lệ xích l Chia vòng tròn có n= 16 phần bằng nhau như phần chia trên hoành độ như hình a được các tia kéo dài từ những phần chia này Lấy A làm tâm mở khẩu độ com pa có bán kính r1 = rmin + y1 (y1 = 11’); r2 = rmin +
y2 (y2 = 22’); r16 = rmin + y16
Trang 29Quay các cung này ngược chiều của cam và các cung này sẽ cắt các tia tương ứng
tại các điểm 1, 2, 3, 4, 16.(hình b) Các giao điểm vừa tìm được 1, 2, 3, 4, 16
chính là các điểm nằm trên dạng cam Nối các điểm đó lại với nhau bằng đường cong
ta được dạng cam cần tìm
Phương pháp trên gọi là phương pháp quay ngược hay đổi giá (cam không quay, cần quay ngược chiều với cam)
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3
1- Định nghĩa và phân loại cơ cấu cam?
2- Trình bày quá trình phân tích động học cơ cấu cam?
3- Nêu cách vạch dạng cam?
4- Lấy ví dụ thực tế để nêu những ứng dụng của cơ cấu cam?
Trang 30Chương 4 CƠ CẤU BÁNH RĂNG
4.1 Khái niệm về cơ cấu bánh răng
4.1.1 Định nghĩa:
Cơ cấu bánh răng là một cơ cấu có khớp cao dùng để truyền chuyển động quay giữa 2 trục với tỷ số truyền xác định, nhờ sự ăn khớp răng trực tiếp giữa 2 khâu có
răng (khâu có răng gọi là bánh răng)
Lược đồ cấu tạo cơ cấu bánh răng (còn gọi là bộ truyền bánh răng), hình 4.1
Hình 4.1 Lược đồ cấu tạo cơ cấu bánh răng
Trong đó: - Bánh răng1: bánh dẫn; Bánh răng2: bánh bị dẫn
4.1.2.1 Theo vị trí tương đối giữa 2 trục:
cơ cấu bánh răng được chia làm 2 loại chủ yếu sau:
- Cơ cấu bánh răng phẳng
Trang 31- Cơ cấu bánh răng không gian
1 Cơ cấu bánh răng phẳng (hình 4.2):
Là cơ cấu bánh răng dùng để truyền động quay giữa 2 trục song song, như: cơ cấu
bánh răng trụ răng thẳng-hình 4.2a, cơ cấu bánh răng trụ răng nghiêng-hình 4.2b, cơ cấu bánh răng trụ răng chữ V-hình 4.2c
Hình 4.2 Cơ cấu bánh răng phẳng
2 Cơ cấu bánh răng không gian (hình 4.3):
Là cơ cấu bánh răng dùng để truyền động giữa hai trục không song song nhau (giao nhau hoặc chéo nhau)
- Hai trục giao nhau như: cơ cấu bánh răng nón-hình 4.3b;
- Hai trục chéo nhau: cơ cấu bánh răng trụ trục chéo-hình 4.3a; cơ cấu bánh răng nón chéo-hình 4.3c; cơ cấu trục vít-bánh vít hình 4.3d
Hình 4.3 Cơ cấu bánh răng không gian
Ngoài ra còn sử dụng bộ truyền bánh răng-thanh răng: hình 4-4
Trong đó thanh răng được coi là một bánh răng có đường kính dài vô tận, dùng
để biến đổi chuyển động quay của bánh răng thành chuyển động tịnh tiến (thẳng) của thanh răng và ngược lại
Trang 32Hình 4.4 Bánh răng-thanh răng 4.1.2.2 Theo kiểu ăn khớp: (hình 4.5)
Gồm: cơ cấu bánh răng ăn khớp ngoài như hình 4.5a; cơ cấu bánh răng ăn khớp
trong như hình 4.5b
Hình 4.5 Cơ cấu bánh răng ăn khớp
- Cơ cấu bánh răng có vành răng của bánh răng này nằm ngoài vành răng của bánh
răng kia gọi là cơ cấu bánh răng ăn khớp ngoài (ngoại tiếp)
- Cơ cấu bánh răng có vành răng bánh này nằm trong vành răng bánh kia gọi là cơ
cấu bánh răng ăn khớp trong (nội tiếp)
4.1.2.3 Theo phương răng so với đường sinh:
- Cơ cấu bánh răng thẳng: đường răng là đường thẳng song song với trục-hình
4.2a
- Cơ cấu bánh răng nghiêng: đường răng nghiêng với trục một góc β-hình 4.2b
- Cơ cấu bánh răng chữ V: đường răng là 2 đường nghiêng với trục nhưng đối
chiều nhau-hình 4-2c
- Cơ cấu bánh răng cong: hình 4.3c
Trang 334.1.2.4 Theo biên dạng răng (prôfin răng):
- Cơ cấu bánh răng thân khai: biên dạng răng là một đoạn đường thân khai của
vòng tròn cơ sở (do Ơ le tìm ra năm 1760), hình 4.6
Hình 4.6 Cơ cấu bánh răng thân khai
- Cơ cấu bánh răng Xycloid: biên dạng răng là một đoạn của đường cong Xycloid (biên dạng đỉnh răng có dạng Epicycloid, biên dạng chân răng có dạng hypocycloid),
hình 4.7
Hình 4.7 Cơ cấu bánh răng Xycloid
- Cơ cấu bánh răng Novikov: biên dạng răng là cung tròn (do Novikov tìm ra năm
1954), hình 4.8
Hình 4.8 Cơ cấu bánh răng côn Novikov
Trang 344.1.2.5 Theo chiều nghiêng của răng: Nghiêng phải và nghiêng trái
Hình 4.9 Chiều nghiêng của răng
4.1.3 Ưu-nhược điểm:
1 Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ nhưng tải lớn;
- Tỉ số truyền cố định;
- Hiệu suất cao, khả năng hoạt động cao;
- Tuổi thọ và độ tin cậy cao
2 Nhược điểm:
- Chế tạo phức tạp;
- Yêu cầu độ chính xác cao;
- Gây ồn khi làm việc ở vận tốc cao
4.1.4 Công dụng của cơ cấu bánh răng:
- Thực hiện được tỉ số truyền (TST) lớn: từ 1 đến 10 hoặc cao hơn
- Truyền động giữa 2 trục xa nhau với TST chính xác
- Thay đổi TST
- Thay đổi chiều quay của trục bị dẫn khi trục dẫn có chiều quay không đổi
- Dùng để truyền và biến đổi chuyển động
4.1.5 Ứng dụng của cơ cấu bánh răng:
Được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí (hộp số, hộp giảm tốc ); các cơ cấu điều khiển (đồng hồ cơ, ); các máy công nghiệp; dụng cụ đo (đồng hồ đo, )
4.2 Truyền động của bánh răng
4.2.1 Khái niệm hệ bánh răng:
Hệ bánh răng là hệ thống những cặp bánh răng truyền động cho nhau
Trang 35Chú ý: Dấu (-) khi cặp bánh răng ăn khớp ngoài, như hình 4.10;
4.2.3 Phân loại: Chia làm 2 loại:
- Hệ bánh răng thường, gồm: hệ thường phẳng, hệ thường không gian;
- Hệ bánh răng vi sai, gồm: hệ vi sai, hệ hành tinh, hệ vi sai kín
4.2.3.1 Hệ bánh răng thường:
1 Định nghiã:
Là hệ thống các bánh răng truyền động trong đó tất cả các bánh răng đều quay
quanh các trục cố định (đều có đường trục cố định)
Chú ý: - Hệ bánh răng thường là một cơ cấu có một bậc tự do
- TST của hệ bánh răng phụ thuộc vào TST của từng cặp bánh
Ví dụ 1: Cho lược đồ hệ bánh răng thường gồm 4 cặp bánh răng truyền động nối
tiếp nhau (hình 4.12)
Trang 36Hình 4.12 Hệ bánh răng thường
Trong hình vẽ ta thấy: chuyển động quay đƣợc truyền từ trục dẫn I đến trục bị dẫn
V thông qua 4 cặp bánh răng Z1Z2- Z/2Z3- Z/3Z4 – Z/4Z5 lắp trên các trục trung gian II, III, IV
Bậc tự do của cơ cấu phẳng trên đƣợc tính theo công thức sau:
5
Z Z
Trang 37ω
ω
4
3
ω
ω
5
3
Z
Z
/ 3
4
Z
Z
/ 4
- m là số cặp bánh răng ăn khớp ngoài
Chú ý: Trong công thức (4-6) không dùng để tính hệ bánh răng có cặp bánh răng
ăn khớp trong và cặp bánh răng không gian
Nhận xét: Nếu trong một hệ bánh răng thường số cặp bánh răng ngoại tiếp chẵn,
TST của hệ sẽ dương nghĩa là trục vào và trục ra quay cùng chiều Nếu cặp bánh răng ngoại tiếp của hệ lẻ, TST của hệ sẽ âm nghĩa là trục vào và trục ra quay ngược chiều
b) Hệ thường không gian:
Do các trục quay không song song với nhau nên dấu của vận tốc góc và TST không còn ý nghĩa nữa, vì vậy ta dùng giá trị tuyệt đối
Ví dụ 2: Cho hệ thường không gian như hình 4.13
Hình 4.13 Hệ thường không gian
2
ω
ω
= 3
1
ω ω
2
Z
Z
2
3
Z Z
Trang 38Chiều quay của trục ra (bánh răng Z3) được xác định dựa trên chiều quay của trục vào (bánh răng Z1) nhờ phương pháp đánh dấu như trên hình 13 (dấu "cộng" đi vào, dấu "chấm" đi ra)
3 Ví dụ về hệ hánh răng thường:
Ví dụ 3: Hộp số hình 4.14 có hai khối bánh răng: khối 1 có 3 bánh răng gắn
cứng trên trục I; khối 2 có 3 bánh răng di trượt dọc trục II Mỗi lần di trượt chỉ có 1 trong 3 cặp bánh răng ăn khớp với nhau Như vậy trong hộp số này thực hiện được 3 TST khác nhau giữa 2 trục
Hình 4.14 Khối bánh răng di trượt
Ví dụ 4: Như hình 4.15 thực hiện truyền chuyển động giữa 2 trục xa nhau với
TST chính xác, với bánh răng trung gian có số răng Z2 và Z3
Truyền động giữa trục I và trục IV thông qua 2 trục trung gian II và III và 2 bánh răng trung gian Z2 và Z3 ta có:
(4-8)
Trang 39Hình 4.15 Hệ bánh răng thường
Chú ý: Những bánh răng ăn khớp đồng thời với 2 bánh răng ở trục trước và
trục sau, không ảnh hưởng đến TST của hệ Các bánh răng này gọi là bánh răng trung gian (bánh răng nối không)
Ví dụ 5: Truyền động giữa 2 trục I và II (giữa bánh răng Z1 và Z4) nhờ cặp bánh răng trung gian Z2 và Z3 điều khiển thông qua cần gạt A (hình 4.16)
Hình 4.16 Cơ cấu đảo chiều quay
Khi cho Z2 ăn khớp với Z1 (hình 4.16b) ta có:
Trang 40Hình 4.17 Hệ bánh răng vi sai (a); hệ bánh răng hành tinh (b)
Chú ý: Hệ bánh răng vi sai là một cơ cấu có 2 bậc tự do, vì khi cố định cần C
mang trục của các bánh vệ tinh ta sẽ có một hệ thống thường có một bậc tự do
Hình 4-17a: hệ bánh răng vi sai
Trong đó:
- Trục O2 di động
- Tay quay O1O2 là thanh truyền (cần), (kí hiệu H có vận tốc góc là ωH)
- Bánh răng quay quanh trục cố định O1 gọi là bánh trung tâm
Nếu bánh trung tâm không quay (hình 4.17b) hệ vi sai trong trường hợp này
thường gọi là hệ bánh răng hành tinh
2 Tỉ số truyền của hệ bánh răng vi sai:
Xét hình 4.17a, coi cần H (thanh truyền) là giá cố định, xét hệ vi sai trong chuyển động tương đối đối với cần H thì các bánh răng O1 và O2 đều có đường trục cố định Khi đó hệ này trở thành một hệ thường