Bài giảng Nguyên lý máy: Chương 4 - ĐH Giao thông Vận Tải

Bài giảng Nguyên lý máy: Chương 4 Động lực học cơ cấu và máy cung cấp cho người học những kiến thức như: Mục đích, nội dung và mô hình nghiên cứu; Phương trình chuyển động của máy dưới dạng năng lượng (động năng); Các đại lượng thay thế và khâu thay thế; Phương trình chuyển động thực của cơ cấu và máy; Quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy; Các chế độ chuyển động của máy;...

ƯỜ Ô Ậ Ả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy

-&&&&& -NGUYÊN LÝ MÁY

CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.1 Mục đích, nội dung và mô hình nghiên cứu ụ , ộ g g

„ Mục đích:

„ Tìm quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy dưới tácdụng của các lực đặt lên các khâu và các lực sinh ra khi cáckhâu chuyển động,

„ Xét các biện pháp kỹ thuật đảm bảo cho chuyển động thực của

cơ cấu và máy đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng làm việc

cơ cấu và máy đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng làm việc,

„ Nội dung

„ Thiết lập được phương trình chuyển động thực của máy

„ Từ đó tìm ra các tham số chuyển động thực của máy (vận tốc,gia tốc, thời gian)

„ Nghiên cứu các phương pháp làm đều và điều chỉnh chuyểng p g p p yđộng máy

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.1 Mục đích, nội dung và mô hình nghiên cứu ụ , ộ g g

„ Mô hình nghiên cứu:

„ Nguyên cứu chuyển động của 1 khâu mà ta gọi là khâu thaythế

thế,

„ Khâu thay thế phải thoả mãn các điều kiện sau:

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.2 Phương trình chuyển động của máy dưới g y ộ g y dạng năng lượng (động năng)

Định lý biến thiên động năng:

Lượng tăng động năng ΔE bằng công nguyên tố ΔA của các

ngoại lực tác dụng lên hệ trong khoảng thời gian đó,

E0, E: động năng của máy ứng với vị trí ϕ0 và ϕ của khâu dẫn

A : công các lực ứng với chuyển dời khâu dẫn từ ϕ0→ ϕ,

ΔA = A d - A c (± A G)

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.2 Phương trình chuyển động của máy… g y ộ g y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Vì và chỉ phụ thuộc vào vị trí cơ cấu nên M t là hàm vị trí

„ Có thể biểu thị bằng tỷ số các đoạn thẳng tương ứng của hoạ đồ

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

P v M P

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Mômen quán tính thay thế:

Chọn khâu dẫn 1 là khâu thay thế → từ biểu thức động năng ta có:

i

m v J J

J t gọi là mômen quán tính thay thế trên khâu dẫn

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Mômen quán tính thay thế:

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Khối lượng thay thế:

„ Khâu thay thế quay quanh trục cố định thì khối lượng thay thế

t

i

m v J J

m v J m

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Ví dụ:

Cho cơ cấu tay quay con trượt ở vị trí như Hình 4-2(a) Biếtkích thước khối lượng và mômen quán tính của các khâu đối

với trọng tâm S i Lực tác dụng lên con trượt 3 là P3

Xác định: Mômen quán tính thay thế J t,

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

„ Giải:

„ Vẽ hoạ đồ vận tốc

„ Viết lại hệ phương trình trên dưới dạng các vector biểu diễn

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

i

m v J J

.

b l pa

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.3 Các đại lượng thay thế và khâu thay thế ạ ợ g y y

P v M M

v v

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.4 Phương trình chuyển động thực của cơ cấu và máy

„ Phương trình chuyển động dưới dạng năng lượng

Đây là phương trình biến thiên động năng của 1 khâu

(gọi là khâu thay thế):

„ Có mômen quán tính bằng mômen quán tính thay thế

„ Chịu tác dụng của mômen lực thay thế

Nhận xét: Ý nghĩa của khâu thay thế là đưa việc xác định chuyển

động của 1 cơ cấu phức tạp 1 BTD về chuyển động của 1 khâuđộng của 1 cơ cấu phức tạp 1 BTD về chuyển động của 1 khâu

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.4 Phương trình chuyển động thực … g y ộ g ự

„ Phương trình chuyển động dưới dạng vi phân

Từ phương trình động năng của máy :

d

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.5 Quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy Q y ậ y ộ g ự y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.5 Quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy Q y ậ y ộ g ự y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.5 Quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy Q y ậ y ộ g ự y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

( ) ( ) 2

t

J E

trong giai đoạn ổn định

„ Từ đồ thị (E - ị ( ϕ ϕ) và (J ) ( t t - ϕ ϕ) ta lập đồ thị E = E(J ) ập ị ( t t ) (gọi là đồ thị ) (gọ ị khối năng-Vittenbao)

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4 5 Quy luật chuyển động thực của cơ cấu và máy

− = ∫

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.6 Các chế độ chuyển động của máy ộ y ộ g y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.6 Các chế độ chuyển động của máy ộ y ộ g y

Lúc này A = 0 (ngừng cung cấp công phát động cho máy) và

Lúc này A d = 0 (ngừng cung cấp công phát động cho máy) vàbiến thiên động năng ứng với 2 vị trí liên tiếp ΔE = E2 - E1 < 0

→ máy chuyển động chậm dần rồi ngừng hẳn

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.6 Các chế độ chuyển động của máy ộ y ộ g y

„ Chế độ chuyển động với vận tốc góc đều ω1 = const

„ Chế độ chuyển động không đều có chu kỳ

J t thay đổi có chu kỳ (thoả mãn sau mỗi vòngcủa khâu dẫn) 0

( )

1 ( )

t t

J J

ϕ

ϕ =

và ΔA = A d – A c = 0 có chu kỳ

„ Chế độ chuyển động không đều, không có chu kỳ

ΔA = A d – A = 0 không có chu kỳ

ΔA A d A c 0 không có chu kỳ

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.6 Các chế độ chuyển động của máy ộ y ộ g y

„ Ví dụ:

Tính vận tốc góc lớn nhất và nhỏ nhất của chuyển động máy

trong 1 chu kỳ chuyển động bình ổn Nếu mômen thay thế các lực

biến đổi theo đồ thị trên hình vẽ, Mômen quán tính thay thế

J t=2kgm2=const, và vận tốc góc tại đầu chu kỳ ω0=10s-1.

M (Nm)

40

M c

M d

ϕ π

π

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.6 Các chế độ chuyển động của máy ộ y ộ g y

M (Nm)

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy

„ Mục đích:

Trong chuyển động thực của máy, vận tốc góc khâu dẫn (thay thế)vẫn dao động quá 1 giới hạn cho phépg q g p p → gây nên áp lực động phụg y p g ptrong các khớp động → cần phải làm đều chuyển động máy

„ Nội dung:

Làm đều chuyển động máy là giới hạn biên độ dao động của vậntốc khâu dẫn quanh trị số vận tốc trung bình trong giới hạn chophép theo yêu cầu kỹ thuật đề ra

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy y ộ g y

„ Làm đều chuyển động máy bằng bánh đà:

Nguyên lý:

„ Khi A d > A c → bánh đà tíchluỹ năng lượng

„ Khi A d < A c → bánh đà giảiphóng năng lượng

→ Kết quả là làm cho vận tốckhâu dẫn ω1 thay đổi trongmột giới hạn cho phép

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy y ộ g y

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy

„ Tính J d khi J t = const (có cả bánh đà) và M t = M t (ϕ)

Từ phương trình chuyển động thực viết dưới dạng động năng, ta có

t

t t

J

A A

J

2 2

2 10

2 1

2 10

2 max 1

2 '

ω 2 2 max 2 max

2

tb

t t

tb

t

A J

J A

1

0 2

1

2 0

1

J J i J i

J J J

J

x d

x d

ω ω

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy y ộ g y

„ Ví dụ 1:

Tính mômen quán tính bánh đà J d Nếu mômen thay thế các lựcbiến đổi theo đồ thị trên hình vẽ mômen quán tính thay thế

J t=1.2kgm2=const, và vận tốc góc trung bình ωtb=20s-1, Hệ sốkhông đều cho phép [δ] = 2%

M (Nm)

40

M c

M d

ϕ π

π

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy y ộ g y

M (Nm)

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy

„ Tính J d khi M t , J t đều là hàm của ϕ

„ Lập đồ thị khối năng E = E(J t)

„ Vận tốc góc khâu dẫn tại vị trí kg

1

2 1

„ Mômen quán tính thay thế của

„ Trên E-J t ta kẻ 2 đường tiếp tuyến

với đường Vittenbao làm với trục

OJ t các góc ψmax và ψmin Hai

đường này cắt nhau tại O’.

„ Mômen quán tính thực của bánhđà: J d J'd ω 1 2

ω

⎛ ⎞

= ⎜ ⎟

4 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU & MÁY

4.7 Làm đều chuyển động máy y ộ g y

„ Ví dụ 2:

Cho đồ thị E t = f(J t) của máy trong giai đoạn chuyển động ổn định

là 1 đoạn thẳng NK như Hình 4 10 Hãy xác định hệ số không đều δ

là 1 đoạn thẳng NK như Hình 4-10 Hãy xác định hệ số không đều δ

của máy khi biết các toạ độ của N và K như Hình 4-10 Biết tỷ lệ

xích của hoạ đồ μE = 50jun/mm, μJ = 10kgm2/mm Máy có cần làmđều không khi [δ] = 0 1? Xác định J d nếu cần

đều không khi [δ] 0.1? Xác định J d nếu cần