Giáo trình nguyên lý máy

Giáo trình nguyên lý máy

MÔN HỌC: NGUYÊN LÝ MÁY

MỤC ĐÍCH

NỘI DUNG MÔN HỌC

• CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CƠ CẤU

• CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC

CƠ CẤU

• CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PHẲNG

• CHƯƠNG 4: MASÁT

• CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG MÁY

• CHƯƠNG 6: CƠ CẤU PHẲNG TOÀN

KHỚP THẤP

• CHƯƠNG 7: CƠ CẤU CAM

• CHƯƠNG 8: CƠ CẤU BÁNH RĂNG – HỆ THỐNG BÁNH RĂNG

• CHƯƠNG 9: CÁC CƠ CẤU ĐẶC BIỆT

• SỐ TIẾT: 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CƠ CẤU

1.1 Những khái niệm cơ bản

• Chi tiết máy: Máy và cơ cấu có thể tháo

rời thành nhiều bộ phận khác nhau Bộ phận không thể tháo rời nhỏ hơn được nữa gọi là chi tiết máy

• Khâu: Toàn bộ bộ phận có chuyển động

tương đối với so với bộ phận khác trong

cơ cấu hay máy được gọi là khâu

Hình 1.1

Hình 1-2

• Nối động: các khâu nối với nhau.

• Nối cứng: các chi tiết trong một khâu nối

Hình 1.3:

Các loại khớp

+ Lược đồ của khâu

+ Lược đồ cơ cấu

+ Các thông số xác định vị trí tương đối giữa các thành phần khớp động trên cùng một khâu gọi là các kích thước động của khâu

Hình 1-4Lựơc đồ khớp

Hình 1.4 Lược đồ khớp

Hình 1.5

Lược đồ cơ cấu

• Chuỗi động và cơ cấu

+Chuỗi động: một số khâu được nối với

nhau bằng một số khớp động

- Chuỗi động hở là chuỗi động mà có ít

nhất một khâu chỉ được nối với một khâu khác

- Chuỗi động kín là chuỗi động mà mỗi

khâu được nối với ít nhất hai khâu

+ Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố

định và chuyển động theo một quy luật

xác định Khâu cố định gọi là giá

Hình 1-6: Chuỗi động

1.2 Bậc tự do của cơ cấu

1.2.1 Định nghĩa Bậc tự do là số khả năng

chuyển động độc lập của cơ cấu

1.2.2 Công thức tổng quát

W = 6n – R

n: số khâu trong cơ cấu (không tính giá)

R : số ràng buộc trong cơ cấu

• Ràng buộc trực tiếp, gián tiếp, trùng

+ Ràng buộc trực tiếp: ràng buộc giữa hai khâu do khớp nối trực tiếp giữa hai khâu

đó

+ Ràng buộc gián tiếp: ràng buộc giữa hai

khâu không phải do tác dụng trực tiếp của khớp nối giữa hai khâu đó

+ Ràng buộc trùng: vừa là trực tiếp vừa là

• Bậc tự do của cơ cấu không gian

VD 1

• VD2

Ràng buộc thừa

Cơ cấu chêm có ràng buộc trùng R0 =1(Qz)

Bậc tự do thừa

W = 3n – (2p5 + p4 - r)

–s s: bậc tự do thừa

+ Công thức tính bậc tự do cho cơ cấu không gian

s R

p k

• Số bậc tự do của cơ cấu bằng số quy

luật chuyển động cần cho trước để cho quy luật chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác định

Hình a- Một bậc tự doHình b- Hai bậc tự do

• Khâu có quy luật chuyển động cho trước gọi là khâu dẫn, các khâu còn lại là khâu bị dẫn Khâu dẫn được chọn là khâu nối giá bằng khớp bản lề

+ Phải biết khâu dẫn Khâu dẫn và giá

không thuộc các nhóm

+ Những khâu và khớp trong một nhóm phải thõa mãn điều kiện: khớp tách ra phải

thuộc nhóm vừa tách

+ Sau khi tách nhóm ra khỏi cơ cấu, phần

còn lại phải là cơ cấu hoàn chỉnh hoặc là còn lại khâu dẫn nối với giá Việc tách

nhóm phải tiến hành từ xa khâu dẫn về

gần khâu dẫn

Hình a gồm một khâu dẫn, một giá và một

nhóm tĩnh định(khâu 2,3 và khớp B,C,D)

Hình b gồm hai khâu dẫn, một nhóm tĩnh định (khâu 2,3 và khớp B,C,D)

+ Khi tách nhóm phải tiến hành tách nhóm

đơn giản trước, nếu không được mới tiến hành tách nhóm phức tạp

• Những nhóm có ít nhất một chuỗi động kín thì loại nhóm là số cạnh của chuỗi động kín đơn cao nhất trong nhóm đó

Hình 1-17 có nhóm loại 3, khâu 3 là khâu cơ

sở

1.3.2 Xếp loại cơ cấu

• Cơ cấu loại một là cơ cấu có một khâu

động, nối với giá bằng khớp bản lề

• Nếu cơ cấu có chứa nhóm Atxua thì loại của cơ cấu là loại cao nhất của các nhóm

có trong cơ cấu

VD: tính bậc tự do của cơ cấu

cấu chuyển động Bài toán vị trí

• Xác định vận tốc các điểm trên khâu, vận tốc góc các khâu tại từng vị trí, quy luật

vận tốc các khâu

• Xác định gia tốc các điểm trên khâu, gia

tốc góc các khâu tại từng vị trí, quy luật

gia tốc các điểm trên khâu, gia tốc góc các khâu khi cơ cấu chuyển động Bài toán gia tốc

• Để giải quyết bài toán phân tích động học

ta có thể dùng một trong ba phương pháp sau:

+ Giải tích

+ Đồ thị

+ Họa đồ vectơ

2.2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC BẰNG

PHƯƠNG PHÁP GiẢI TÍCH

• Cho cơ cấu tay quay con trượt như hình

vẽ ω1 = const

1 2

2 1 3

3

1 1

3

1 3

1 3

cos

sin

1 1

sin

1 sin

1 1

cos

cos

1

) (sin

1 arcsin

sin

1 sin

2.2.2 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của con

max

3 1

e l

l X

e l

l X

l X

Khi tay quay con trượt chính tâm H = 2l1

• Vận tốc của con trượt

2 1 1

cos

coscos

, e = 50.Tính:

a- φ3, ω3 và ε3

b- Xc , Vc, ac và H

2.3 Phân tích động học bằng họa đồ vectơ

• Với phương pháp này thì ta có thể giải

được hai ẩn bằng một phương trình

2.3.1 Bài toán vị trí

2.3.2 Vẽ họa đồ vận tốc, gia tốc

Vận tốc

Gia tốc

• Lực quán tính do ngoại lực tác dụng lên

máy không cân bằng

m p

đó trong

p p

Vây

a m p

hay m

p a

qt

qt

, 0

M đó

trong

M M

Vây

J M

hay J

M

qt

qt

, 0

• Các dấu (-) trong các lực quán tính có

nghĩa là lực quán tính ngược chiều với gia tốc

Áp lực khớp trượt biết phương

• Khớp trượt có áp lực Ri phương vuông

góc với phương chuyển động, điểm đặt và

độ lớn chưa biết

• Khớp cao có áp lực Ri đặt tạo điểm tiếp

xúc theo phương pháp tuyến chung của

hai thành phần khớp cao, độ lớn chưa biết

3.2 Xác định áp lực khớp động

Phương trình cân bằng lực từng khâu

Khâu 2: R12 + P2 + R32 =0 (1)

Mc = Rt12 *lBC - M2 + P2*h2 =0 (2)Khâu 3: R43 + P3 + R23 =0 (3)

Mc = R43*X + M3 + P3 * h3 =0 (6)

R12 = Rt12 + Rn12 (a)

Từ (2) và (a) suy ra Rt12 = (P2*h2 – M2)/lBC

Cộng 1 với 3 và thế a vào ta có

P2 + P3 + R43 + Rt12 + Rn12 = 0 với phương

trình này có hai ẩn là độ lớn R43 và Rn12 nên

ta giải được bằng họa đồ vectơ

• Từ một điểm a bất kỳ vẽ ab =// P3, từ đầu

mút P3 vẽ bc=//P2, từ đầu mút P2 vẽ

cd=//Rt12, từ đầu mút Rt12 vẽ đường thẳng //

R43, từ chân P 3 (điểm xuất phát) vẽ đường

thẳng // Rn12 Giao của hai đường này chính

ta xác định được độ lớn của chúng

• Sau đó ta vẽ họa đồ lực của 1 hoặc 3 ngay trên họa đồ vừa vẽ ta xác định được R23

Tính áp lực khớp cơ cấu culit

3.4 Bài toán xác định momen cân bằng

Mcb + M1 + P1h1 – R21h21 =0

Suy ra Mcb = R21h21 - M1 - P1h1

4.1.2 Lực masát và hệ số masát

• Khi tác dụng lên vật A

một lực P nhưng vật vẫn đứng yên chứng tỏ có

một lực khác tác dụng lên vật cân bằng với lực P Lực đó gọi là lực masát

Fms

• Khi tăng P từ từ thì vật vẫn đứng yên chứng tỏ lực masát tăng theo

• Hệ số masát fms = Ft/N

• Ft: là giá trị giới hạn của lực masát

• Hệ số masát động fd = Fd/N

• Fd: lực masát ứng với trạng thái chuyển động4.1.3 Định luật culông về masát trượt khô

• Lực masát tỉ lệ với áp lực pháp tuyến N

Chiều của lực masát là chiều chống lại

chuyển động tương đối

• Hệ số masát phụ thuộc vào vật liệu bề mặt tiếp xúc, trạng thái bề mặt tiếp xúc và thời

gian tiếp xúc

• Hệ số masát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và vật tốc tương đối giữa hai bề mặt

• Trong da số trường hợp, hệ số masát tĩnh luôn lớn hơn hệ số masát động, trừ cao su

4.1.4 Nón masát

Phân lực P thành hai thành phần

F = Psin tạo ra chuyển động

N = Pcos : gây ra lực masát

F ms = f.N = f.Pcos : lực masát Đặt tagφ = f Góc φ gọi là góc

masát

Điều kiện chuyển động là F>= Fms Tag >= f hay  >= φ

• Điều kiện chuyển động không phụ thuộc vào giá trị mà chỉ phụ thuộc vào phương của hợp lực P

+ P nằm ngoài nón masát, vật A chuyển

Masát trên mặt nghiêng

4.2 Masát trên khớp tịnh tiến

4.2.1 Masát trên mặt phẳng nghiêng

4.2.1.1 Đi lên đều

• Hợp lực R phải nằm trên đường sinh aa

) sin(

sin sin

Q P

ra suy

Q Q

P

4.2.1.1 Đi xuống đều

• Hợp lực R phải nằm trên đường sinh bb của nón masát

Masát trên rãnh chữ V

Ý nghĩa của hệ số masát thay thế f’

• Vật trượt trên rãnh chữ V nằm ngang

tương đương với mặt phẳng nằm ngang khi thay f = f’

• Khi vật trượt trên rãnh chữ V nằm nghiêng thì coi như trượt trên mặt phẳng nghiêng khi thay f = f’

Masát trên ren vít

a- Masát trên ren vuông

Coi như vật trượt trên

P = Q sin(+φ)/sin(++φ)

 = 900

P = Q sin(+φ)/cos(+φ) = Q tg(+φ)Moment vặn đai ốc

Mms = rtbQ tg(+φ)

rtb = (re + ri )/2

Vặn ra

Mms = rtbQ tg(-φ)

Masát trên ren tam giác

• Coi như vật trượt

4.3 Masát trên khớp quay 4.3.1 Masát trên ổ đỡ

Q: tải trọng tác dụng đi qua tâm

• Ổ mới (khít)

Mms = π*r*f’*Q/2

• Ổ khít đã mòn

Mms = 4*r*f’*Q/π

4.4 Masát trên dây đai

S0: lực căng dây đai ban đầu(đứng yên)

S1 và S2 là sức căng của đai trên và đai dưới khi chuyển động

S1 > S0, S2 < S0

Với một bộ truyền đai ta

có hai giá trị moment

CHƯƠNG 5: CÂN BẰNG MÁY

5.1 Ý nghĩa và nội dung của cân bằng máy

• Phản lực khớp động là do ngoại lực tác động và lực quán tính.Giá trị của lực quán

tỉ lệ với bình phương của vận tốc góc

• Lực quán tính là nguyên nhân gây ra rung động máy và nền máy, dẫn đến các hư hỏng Để giảm tác hại này thì phải triệt tiêu chúng bằng cách phân bố lại khối lượng trên các khâu hoặc thay đổi khối lượng các khâu.Đây chính là nội dung cân bằng máy

r

m r

Để cân bằng ta thêm khối lượng m tại

vị trí r để cho tổng lực quán tính bằng

0 nghĩa là khối tâm đặt tại O

0

2 1

r m

n

i i i  *

• Nếu ta biết các khối tượng mi và vị trí ri thì

ta hoàn toàn xác định được mr

• Vd: xác định vị trí mất cân bằng

Chia đường tròn thành n phần bằng nhau Lần lượt quay các điểm thứ

i đến vị trí nằm ngang, đặt vào đó khối lượng misao cho vật bắt đầu quay

Ta có hai phương trình cân bằng

5.2.2 Vật quay có bề dày lớn

Khi thu lực quán tính về khối tâm thì ta được một lực quán tính Pqt và một moment lực quán tính Mqt

• Nguyên tắc: phân phối lại khối lượng trên hai mặt phẳng(I và II) tùy ý vuông góc với trục quay

• P1II + P2II + …+ PnII + mIIω2rII =0

• mI và mII là khối lượng thêm vào trên ở

mặt phẳng I và II

Máy cân bằng động 1: khung

2: vật cân bằng5: Khớp nối

7: giảm chấn8: dụng cụ đo

CHƯƠNG 6

CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP

THẤP

6.1 Đại cương

• Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp là những

cơ cấu chỉ chứa những khớp loại thấp

Ví dụ như: cơ cấu bốn khâu bản lề, culit, tay quay con trợt …

6.1.1 Cơ cấu bốn khâu bản lề và các biến

thề của nó

1 Cơ cấu bốn khâu bản lề

Khâu 4 gọi là giá, khâu 1, 3 gọi là khâu nối

giá, có thể quay tròn hoặc lắc, khâu 2 gọi là thanh truyền hay là biên

2 Cơ cấu biến thể của cơ cấu bốn khâu bản lề

• Cơ cấu tay quay con trượt: chính tâm và lệch tâm hình b, c

• Cơ cấu culit hình d, f

• Cơ cấu tang hình g

• Cơ cấu sin hình h, k

• Cơ cấu ellipse hình l

• Cơ cấu Ondam hình m

6.1.2 Ưu và nhược điểm của các cơ cấu

• Thay đổi kích thước các khâu tương đối

dễ Điều này thì khó thực hiện đối với các

cơ cấu khác như cam, bánh răng

2 Nhược điểm:

• Khó thiết kế loại cơ cấu này để thực hiện qui luật chuyển động cho trước

6.2 Đặc điểm động học cơ cấu bốn khâu

bản lề

6.2.1 Tỉ số truyền

i13 = ω1/ ω3

1 Định lý kennedy

• Trong cơ cấu 4 khâu bản lề tâm quay

tức thời trong chuyển động tương đối của hai khâu đối diện là giao điểm hai đường tâm của hai khâu còn lại

2 Định lý Willis

ω1.lPA = ω3.lPD; i13 = ω1 /ω3 = PD/PA (vectơ)

• Cơ cấu bốn khâu bản lề đường thanh truyền chia giá thành hai đoạn tỉ lệ nghịch với vận tốc góc của hai khâu nối giá

+ ω1 = const nhưng ω3 không là hằng số

+ Nếu cơ cấu là hình bình hành thì i13 =1

+ i13 <0: ω1, ω3 quay ngược chiều P ở giữa AD+ i13>0 thì ω1 và ω3 cùng chiều P ở ngoài AD+ i13 =  thì ω3 =0, P trùng A (ABC thẳng

hành)

Với cơ cấu hình bình hành P ở vô cùng nên i13 = lPD/lPA = (lPA+ lAD)/lPA = 1+ lAD/lPA

=1

6.2.2 Hệ số năng suất(hệ số về nhanh)

• Hệ số năng suất là tỉ số giữa thời gian làm việc và thời gian chạy không trong một chu

kỳ làm việc của máy

6.2.3 Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá

• Khâu 1 quay toàn vòng

• Một khâu nối giá quay toàn vòng khi và chỉ khi quỹ tích của một điểm trên khâu nối

giá nằm trong miền với tới của điểm trên thanh truyền nối với điểm đó

6.3 Đặt điểm động học các cơ cấu biến thể

1 Cơ cấu tay quay con trượt

a Quan hệ động học

P là tâm quay tức thời trong chuyển động tương đối của khâu 3 với khâu 1

Vc = ω1.lPA

b Hệ số năng suất

k = tlv/tck

Tay quay con trượt chính tâm có k =1

c Điều kiện quay toàn vòng

Vì lCD =  nên miền với tới của B2 là mặt phẳng giới hạn bởi hai đường thẳng //, cách

xx một đọan l2

l1 + e ≤ l2

2 Cơ cấu culit

b Hệ số năng suất

c Điều kiện quay

lAB  lAD

Cơ cấu sin

x= l1sinφ

V3 = ω1.l1cosφ

Cơ cấu tang

x= atangφ1

V3 = ω1.a/cos2φ1

Cơ cấu elip

XM = acosφ

YM = bsinφ

(XM/a)2 +(YM/b)2 =1

Góc áp lực

• Góc áp lực là góc hợp bởi vectơ lực tác dụng

và vectơ vận tốc của điểm đặt lực

Ý nghĩa của góc áp lực

• Công suất của lực tác dụng P

Np = P.V.cos

6.5 Một số ứng dụng cơ cấu phẳng

• Truyền chuyển động giữa hai trục song song ta dùng cơ cấu Ondam

• Cơ cấu ở đầu máy xe lửa dùng cơ cấu hình bình hành như hình 8-21

• Cơ cấu máy dệt hình 8.22

• Cơ cấu bốn khâu bản lề dùng trong máy may đạp chân, xe lắc của người tàn tật

• Cơ cấu tay quay con trượt dùng

trong động cơ đốt trong, máy cưa, máy dập, máy

sàng

• Máy bào dùng kết hợp cơ cấu culit và cơ cấu tay quay con trượt

• Cho cơ cấu tay bốn khâu bản lề có các kích thước sau: l1 =200, l2 = 400, l3 =

500, l4 = 600

A- khâu 1 có quay tòan vòng không

B- tính hệ số năng suất của cơ cấu

CHƯƠNG 7:

CƠ CẤU CAM

7.1.2 Phân lọai

cơ cấu cam

• Theo chuyển động khâu dẫn : cam quay

Hình 9-3

Cam không gian

8.2 Phân tích động học cơ cấu cam

8.2.1 Cam cần lắc đáy nhọn

Xác định mối quan hệ φi và Ψi

a- Phương pháp chuyển động thực

• Quay cung tròn tâm c bán kính l cần

• Bi’ là giao của hai cung tròn: vị trí tiếp xúc của Bi và đầu cần

• Đo φi và Ψi

Phương pháp này có nhược điểm:

• Sau khi xác định Bi’, ta phải đo φi và Ψi

• Kh lấy Bi’ ta không khống chế φi nên mỗi góc quay φi ta đều phải tính và đo độ dài trên trục φ

b- Phương pháp đổi giá

• Vị trí tương đối giữa cần và giá không đổi trong hai trường hợp:

+ Vẽ cung tròn tâm Ci bán kính l cắt biên

dạng cam tại Bi Đây là vị trí tiếp xúc giữa cam và đầu cần

Ψi = ACiBi φi = CACi

* Vậy với cách này ta không cần đo các góc

φi và hoàn toàn chủ động chọn các giá trị

φi theo ý

Các giai đoạn chuyển động của cần

• Một chu kỳ chuyển động của cần ứng với một vòng quay của cam.

• Khi đầu cần tiếp xúc với biên dạng cam là cung tròn có tâm trùng với A thì vị trí cần không đổi

Vị trí xa nhất và gần nhất của cần khi cần tiếp xúc với hai cung này

• Một chu kỳ chuyển động của cần thông thường

có bốn giai đoạn: đi xa, đứng ở xa, về gần,

đứng ở gần Các góc quay của cam ứng với

bốn giai đoạn chuyển động này được gọi là góc định kỳ φđi, φxa, φvề, φgần

cam tính từ tâm quay gọi

là góc mặt cam giữa hai

điểm đó Trên biên dạng

cam có 4 góc công nghệ

γđi ,γxa ,γvề ,γgần

• Khi cam quay

góc φđi thì măt cam và đầu cần tiếp xúc trong

cung KL được xác định bởi góc

γđi.

Φđi ≠ γđi

• Các góc công nghệ chỉ phụ thuộc vào hình dáng hình học của biên dạng cam nghĩa là sau khi chế tạo các góc này không đổi.

• Góc định kỳ phụ thuộc vào biên dạng cam

và vị trí tương đối giữa cam và cần, chiều dài cần

2 Quy luật vận tốc và gia tốc

• Cơ cấu cam cần đẩy

đáy nhọn

A- phương pháp

chuyển động thực

B- Phương pháp đổi giá

7.3 Phân tích lực cơ cấu cam

1- Xét cam cần đẩy đáy

• Ba lực P, Q, S tác dụng lên cần cân bằng tạo

90 sin

' 90

là cần không thể chuyển động được – cơ cấu cam tự hãm

CHƯƠNG 8:

CƠ CẤU BÁNH RĂNG

• 8.1 Đại cương

8.1.1 Định nghĩa và phân loại

8.1.1.1Định nghĩa: là cơ cấu có khớp cao dùng để truyền chuyển động quay giữa các trục với tỉ số truyền xác định nhờ sự

ăn khớp trực tiếp giữa các khâu có răng gọi là bánh răng

8.1.1.2 Phân loại

Cơ cấu bánh răng phẳng

Cơ cấu bánh răng không gian