Bài giảng Nguyên lý máy - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu - Nguyễn Trọng Du

cấu về mặt cấu trúc động học ◼ Những khái niệm cần nắm được ◼ CTM, khâu, khớp, chuỗi động, cơ cấu ◼ Bậc tự do của cơ cấu ◼ Nguyên lý hình thành cơ cấu, nhóm tĩnh định ◼ Những vấn đề mấu chốt: ◼ Lập được lược đồ động học của một cơ cấu cho trước ◼ Xác định số bậc tự do của một cơ cấu cho trước ◼ Lập/lựa chọn cấu trúc cơ cấu khi cho trước một số đặc điểm về chuyển động của khâu bị dẫn NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 3 Cấu tạo cơ bản của máy = Máy Nguồn năng lượng Cơ cấu+ Các CTM Các khâu Các khớp Cơ cấu NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 4 2. Định nghĩa và khái niệm 2.1. Khâu và chi tiết máy ◼ CTM: Các chi tiết máy trong cụm piston-thanh truyền (động cơ đốt trong) NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 5 2. Định nghĩa và khái niệm 2.1. Khâu và chi tiết máy ◼ Khâu: Bộ phận có chuyển động tương đối với bộ phận khác trong máy Các khâu ▪ Trục khuỷu ▪ Thanh truyền ▪ Piston ▪ Xylanh ▪ Van (2x) ▪ Cam (2x) Mô hình động cơ đốt trong NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 6 2. Định nghĩa và khái niệm 2.1. Khâu và chi tiết máy ◼ Mỗi khâu là một CTM hoặc do nhiều CTM ghép cứng lại với nhau Thanh truyềnTrục khuỷuĐộng cơ 4 xylanh NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 7 2. Định nghĩa và khái niệm 2.2. Bậc tự do của khâu, nối động ◼ Hai khâu để rời trong không gian có 6 khả năng chuyển động tương đối độc lập, gọi là 6 bậc tự do ▪ Hai khâu để rời trong chuyển động phẳng có 3 BTD tương đối y x O A B 1 2 xA yA  NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 8 2. Định nghĩa và khái niệm 2.2. Bậc tự do của khâu, nối động ◼ Nối động: Cho hai khâu tiếp xúc với nhau theo một quy cách xác định, nhằm • Hạn chế bớt BTD tương đối • Tạo chuyển động xác định giữa các khâu NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 9 2. Định nghĩa và khái niệm 2.2. Bậc tự do của khâu, nối động ◼ Mỗi khớp động gồm 2 thành phần khớp động Cầu – phẳng Trụ – phẳng Phẳng – phẳng Cầu-cầu NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 10 2. Định nghĩa và khái niệm 2.3. Phân loại khớp động ◼ Theo tính chất tiếp xúc ◼ Khớp cao: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo điểm hoặc đường ◼ Khớp thấp: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo mặt ◼ Theo số BTD bị hạn chế (số ràng buộc) ◼ Khớp loại i: Hạn chế i BTD NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 11 2. Định nghĩa và khái niệm 2.3. Phân loại khớp động Có khớp loại 6? NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 12 2. Định nghĩa và khái niệm 2.4. Lược đồ khâu, khớp ◼ Mục đích: Đơn giản hóa, giữ lại những yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động => tiện cho việc nghiên cứu về các bài tính Nguyên lý máy ◼ Cách biểu diễn khớp động: NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 13 2. Định nghĩa và khái niệm 2.4. Lược đồ khâu, khớp NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 14 2. Định nghĩa và khái niệm 2.4. Lược đồ khâu, khớp ◼ Lược đồ khâu : ◼ Biểu diễn các thành phần khớp động trên khâu và vị trí tương quan giữa chúng (kích thước động) Kích thước động = ? NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 15 2. Định nghĩa và khái niệm 2.5. Chuỗi động, cơ cấu ◼ Chuỗi động: Gồm nhiều khâu nối động với nhau ◼ Chuỗi động kín / Chuỗi động hở Mỗi khâu được nối với ít nhất 2 khâu khác Có khâu chỉ nối với 1 khâu duy nhất NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 16 2. Định nghĩa và khái niệm 2.5. Chuỗi động, cơ cấu ◼ Cơ cấu: Chuỗi động có một khâu cố định (khâu được chọn làm hệ quy chiếu) gọi là GIÁ ◼ Cơ cấu phẳng / Cơ cấu không gian Cơ cấu 4 khâu bản lề Cơ cấu tay quay-con trượt NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 17 2. Định nghĩa và khái niệm 2.6. Lược đồ cơ cấu Cơ cấu 4 khâu bản lề Cơ cấu tay quay-con trượt không gian NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 18 3. Cơ cấu phẳng 3.1. Khái niệm ◼ Cơ cấu cấu phẳng: Các khâu chuyển động trong cùng một mặt phẳng hoặc các mặt phẳng song song với nhau Cơ cấu Sin Cơ cấu Culít Cơ cấu Robot //Cơ cấu Cam Cơ cấu hỗn hợp: Tay quay- con trượt; Bánh răng; Cam NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 19 3. Cơ cấu phẳng 3.1. Khái niệm Khả năng chuyển động của cơ cấu phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc của các khớp động như thế nào? Tính bậc tự do của cơ cấu NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 21 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do của cơ cấu ◼ Số BTD = Tổng BTD của khâu động – Tổng ràng buộc do các khớp tạo ra ◼ Xét cơ cấu phẳng có ◼ n khâu động và giá ◼ T khớp loại thấp và C khớp loại cao ◼ Tổng số BTD của n khâu động Wo =3n ◼ Tổng số ràng buộc do T khớp thấp và C khớp cao tạo ra R = 2T+C ◼ Vậy BTD của cơ cấu 0 = -W W R 0 3 2= − = − +( )W W R n T C NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 22 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do ◼ Lược đồ hóa và tính BTD NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 23 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do ◼ Lược đồ hóa và tính BTD NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 24 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do ◼ BTD thừa Wth ◼ Xét cơ cấu cam quay cần lắc đáy con lăn ◼ Thực tế chỉ có 1 BTD => có 1 BTD thừa ◼ Tại sao? Chuyển động quay của con lăn có ảnh hưởng gì? 3 2 3 3 2 3 1 2= − + = − + =( ) . ( . )W n T C NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 25 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do ◼ Ràng buộc trùng Rtr ◼ Xét cơ cấu chêm ◼ Thực tế cơ cấu vẫn chuyển động => có 1 BTD ◼ Ràng buộc trùng? 3 2 3 2 2 3 0 0= − + = − + =( ) . ( . )W n T C NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 26 3. Cơ cấu phẳng 3.2. Bậc tự do ◼ Công thức tổng quát tính BTD của cơ cấu phẳng 0 3 2= − = − + − − +( ) Wtr th thW W R n T C R R n : số khâu động T : số khớp loại thấp C : số khớp loại cao Rtr : số ràng buộc trùng Rth : số ràng buộc thừa Wth : số bậc tự do thừa NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 27 3. Cơ cấu phẳng 3.3. Ý nghĩa BTD ◼ Xét cơ cấu 4 khâu bản lề: ◼ Có 1 BTD ◼ Biết 1(t) → c/động của các khâu còn lại ◼ Xét cơ cấu 5 khâu bản lề: ◼ Có 2 BTD ◼ Biết 1(t), 4(t) → c/động của các khâu còn lại NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 28 3. Cơ cấu phẳng 3.3. Ý nghĩa BTD, khâu dẫn, khâu phát động ◼ BTD = Số thông số vị trí độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu ◼ BTD = Số quy luật chuyển động cần cho trước để xác định hoàn toàn quy luật chuyển động của cơ cấu ◼ Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn. Các khâu còn lại gọi là các khâu bị dẫn ◼ Khâu phát động là khâu được nối trực tiếp với nguồn năng lượng làm máy chuyển động. Nó có thể trùng hoặc không trùng với khâu dẫn NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 29 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ◼ Cơ cấu 4 khâu bản lề có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 1 nhóm hai khâu, ba khớp ◼ Cơ cấu 5 khâu bản lề có 2 BTD = 2 khâu dẫn + nhóm 2 khâu, 3 khớp NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 30 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ◼ Cơ cấu 6 khâu có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 2 nhóm hai khâu, ba khớp Có nhận xét gì về số BTD của cơ cấu, số khâu dẫn và số bậc tự do của các nhóm còn lại? NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 31 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ◼ Nguyên lý hình thành cơ cấu: ◼ Các nhóm có BTD = 0 được gọi là Nhóm tĩnh định 𝑊𝑛ℎó𝑚 𝑡ĩ𝑛ℎ đị𝑛ℎ = 3𝑛 − 2𝑇 = 0 Cơ cấu có W BTD 0 0 0= + + + + ...W W Số khâu dẫn Các nhóm có BTD = 0 NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 32 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Nhóm tĩnh định chưa tối giản Nhóm tĩnh định tối giản –> Nhóm A-xua (Át-xua) NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 33 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Khớp trong Khớp chờ Hạng 2 Hạng 3 Hạng 4 Hạng 4 Hạng của nhóm Át-xua NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 34 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ◼ Phân hạng cơ cấu ◼ Cơ cấu hạng I: là cơ cấu có một khâu động thường nối với giá bằng khớp bản lề ◼ Cơ cấu có số khâu động lớn hơn 1: Tổ hợp của một hay một số cơ cấu hạng một với một hay một số nhóm Át- xua ◼ Nếu chỉ có một nhóm Át-xua thì hạng của cơ cấu là hạng của nhóm này ◼ Nếu có nhiều nhóm Át-xua thì hạng của cơ cấu là hạng của nhóm có hạng cao nhất NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 35 ◼ Xét ví dụ chọn/hình thành cơ cấu tạo chuyển động tịnh tiến qua lại cho đầu bào 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Đầu bào chuyển động tịnh tiến qua lại Bàn gá phôi Dao Phôi Động cơ NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 37 ◼ Phương án thực tế 3. Cơ cấu phẳng 3.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Sử dụng cơ cấu Culit phối hợp với các nhóm khác nhau NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 38 ◼ Lấy ví dụ máy bào ngang ◼ Cho trước ◼ Hành trình: H ◼ Góc lắc cực đại: Y ◼ Phương xx: a =(b+c)/2 ◼ Khoảng cách AC = a/2 ◼ Tỷ số lDE/lDC = l ◼ Tìm ◼ Kích thước các khâu 3. Cơ cấu phẳng 3.5. Tổng hợp kích thước NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 39 ◼ Từ hành trình H và góc lắc cực đại Y xác định được chiều dài thanh lắc CD: ◼ Từ tỷ số l tính được chiều dài thanh truyền DE: ◼ Chiều dài lAC = a/2 ◼ Từ chiều dài lAC và góc lắc Y tính được chiều dài tay quay: 2 2  = / ; sin CD H l 2 Y = os ;CDc l c = CDb l l=DE DCl l 2 Y = =' sinAB AB ACl l l 3. Cơ cấu phẳng 3.5. Tổng hợp kích thước NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 42 5. Bài tập ◼ Vẽ lược đồ động và tính BTD của cơ cấu khung xe Giá (khung) Giá (khung xe) NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 43 5. Bài tập ◼ Vẽ lược đồ động và tính BTD của cơ cấu máy đột dập NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 44 5. Bài tập ◼ Vẽ lược đồ động của cơ cấu và tính BTD? NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 45 5. Bài tập Máy dập cơ khí Máy ép thủy động NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 46 5. Bài tập Cơ cấu động cơ Diesel Cơ cấu bơm ô xy NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 47 5. Bài tập Cơ cấu động cơ Diesel Cơ cấu vẽ đường thẳng Lipkin NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 48 5. Bài tập Cơ cấu chuyển động theo quỹ đạo cho trước Cơ cấu bơm ô xy NLM ME2203 - Bài 2: Cấu trúc động học của cơ cấu 49 5. Bài tập