Bài giảng Nguyên lý máy - Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp - Nguyễn Trọng Du

Bàn gá phôi Dao Phôi Động cơ Yêu cầu ▪ Hành trình H ▪ Hệ số năng suất ▪ Lực cắt tác dụng lên dao ▪ Số chu trình/đơn vị thời gian 3.1 Những vấn đề cơ bản Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 6 Lựa chọn cấu trúc cơ cấu truyền động 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 7 Ví dụ: Thiết kế cơ cấu máy bào ngang Hình dung về chuyển động của cơ cấu với cấu trúc được chọn 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 8 Vấn đề đặt ra ◼ Hành trình đầu dao bào? ◼ Không gian làm việc của các khâu => thiết kế vỏ máy? ◼ Vận tốc cắt của đầu dao? ◼ Khâu nối với động cơ có quay được toàn vòng? ◼ 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 9 Tại sao phải phân tích động học? ◼ Bài toán vị trí: Tính quỹ đạo của điểm làm việc 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 10 ◼ Bài toán vị trí: Xét ví dụ máy xúc 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 11 ◼ Bài toán vị trí: Xét ví dụ robot công nghiệp Kuka Không gian làm việc của robot Kuka 6 BTD 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 12 Chọn LOẠI cơ cấu, kích thước động học Phân tích động học, lực, động lực học Thiết kế chi tiết máy Vật liệu Nguyên lý làm việc Công nghệ chế tạo Thiết kế nguyên lý máy Nội dung chính của bài: 3.1 Những vấn đề cơ bản Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 13 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học ▪ Cơ cấu (cấu trúc/kích thước) ▪ Quy luật chuyển động (mong muốn) của khâu dẫn Đặc điểm chuyển động của các khâu bị dẫn Phân tích lực Phân tích động lực học Thiết kế kết cấu các chi tiết máy (khớp, khâu) Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 14 Nội dung của phân tích động học Giả thiết ◼ Cho lược đồ cơ cấu với kích thước các khâu và quan hệ hình học giữa các khớp. ◼ Khâu dẫn và quy luật chuyển động của khâu dẫn (vận tốc và gia tốc của khâu dẫn). Để đơn giản, sau này ta xét các cơ cấu có một bậc tự do, khâu dẫn là tay quay chuyển động đều. Mục tiêu cần đạt được: ◼ Xác định các thông số động học (vị trí, vận tốc, gia tốc) của các khâu. ◼ Xác định đặc điểm hình-động học của cơ cấu để xác định phạm vi sử dụng hợp lý của từng cơ cấu, rút ra cách tổng hợp hình động học: Tính bôi trơn, mài mòn cho các khớp, thiết kế trục, ổ trục. ◼ Sử dụng để phân tích lực, tính toán động lực học cơ cấu và một số bài toán khác: Lực quán tính, cân bằng máy 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 15 Các phương pháp phân tích động học ◼ Phương pháp đồ thị động học. ◼ Phương pháp họa đồ véc tơ. ◼ Phương pháp giải tích. 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 16 ◼ Nội dung ◼ Tổng hợp kích thước: Cho trước một số yêu cầu về vị trí => tìm kích thước các khâu dựa vào hình học ◼ Phân tích: Cho cơ cấu (sau khi tổng hợp sơ bộ) xác định vị trí/quỹ đạo của điểm/khâu bị dẫn ◼ Ứng với một hoặc một vài vị trí nhất định của khâu dẫn => Sử dụng phương pháp dựng hình đơn giản ◼ Ứng với nhiều vị trí của khâu dẫn trong một chu kỳ động học => Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp tính toán với sự trợ giúp của máy tính ◼ Vấn đề quay toàn vòng, góc định kỳ, hệ số năng suất 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 17 Một số khái niệm ◼ Họa đồ cơ cấu là hình biểu diễn vị trí của cơ cấu ứng với một vị trí xác định của khâu dẫn ◼ Họa đồ chuyển vị là tập hợp của họa đồ cơ cấu ứng với các vị trí khác nhau của khâu dẫn ◼ Chu kỳ động học là góc quay nhỏ nhất của khâu dẫn để cơ cấu trở về vị trí ban đầu 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 18 - Họa đồ cơ cấu ◼ Lấy ví dụ máy bào ngang ◼ Cho trước ◼ Lược đồ cơ cấu ◼ Kích thước các khâu (đã tính được ở bước trước) ◼ Một vị trí xác định của khâu dẫn j1 ◼ Tìm ◼ Họa đồ cơ cấu 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vị trí Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 19 ◼ Lưu ý: Bài toán dựng hình cần dùng một tỷ lệ xích 𝜇𝑙 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚 𝑚𝑚 ◼ Các bước thực hiện ◼ Dựng phương xx, từ kích thước a xác định vị trí giá AC ◼ Từ lAB và j1 xác định vị trí khâu dẫn AB và thanh lắc CD ◼ Từ lDE vị trí D tìm vị trí E: ◼ Dựng đầu bào (khâu 6)   ( )= ,E D DE xx 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vị trí Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 20 - Họa đồ chuyển vị 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vị trí Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 21 Hệ số về nhanh ◼ Hệ số về nhanh (hệ số năng suất) 𝑘 = 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑚á𝑦 sinh 𝑐ô𝑛𝑔 𝑐ó í𝑐ℎ 𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 𝑚á𝑦 𝑘ℎô𝑛𝑔 sinh 𝑐ô𝑛𝑔 𝑐ó í𝑐ℎ Trong 1 chu kỳ làm việc của máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 22 ◼ Đã giải xong bài toán vị trí ◼ Nội dung ◼ Xác định vận tốc và gia tốc của điểm/khâu bị dẫn ◼ Sử dụng quan hệ vận tốc và gia tốc giữa các điểm trên cơ cấu (kiến thức cơ lý thuyết) ◼ Ứng với một hoặc một vài vị trí nhất định của khâu dẫn => Sử dụng phương pháp họa đồ véc-tơ ◼ Ứng với nhiều vị trí của khâu dẫn trong một chu kỳ động học => Sử dụng phương pháp giải tích kết hợp tính toán với sự trợ giúp của máy tính ◼ Lấy ví dụ máy bào ngang 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc và gia tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 23 Bổ túc về đại số vector Cho hệ phương trình véc tơ 1 2 ' ' ' 1 2 ( ) ( ) = + + +  = + + + n n m m m m a m m m m b Các véc tơ: ' 1 1, ,m m m chung gốc ', ,n nm m mCác véc tơ: chung ngọn Từ đó ta thấy nếu trong phương trình (a) biết hoàn toàn các véc tơ còn véc tơ biết phương; trong phương trình (b) biết hoàn toàn các véc tơ còn véc tơ biết phương.  Ta có thể dùng hoạ đồ véc tơ để giải tìm véc tơ 1 2 ( 1), ,..., nm m m − nm ' ' ' 1 2 ( 1), ,..., nm m m − ' nm m 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 24 Quan hệ vận tốc Hai điểm A, B trên cùng một khâu đang chuyển động song phẳng VBA AV VA VB B A  B A BAv v v= + Trong đó ,A Bv v là vận tốc tuyệt đối các điểm B, A BAv là vận tốc tương đối của B khi quay quanh điểm A, BAv ⊥BA, chiều theo chiều quay của , .BA ABv l= 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 25 Quan hệ vận tốc Hai điểm Bi và Bk trùng nhau tức thời thuộc hai khâu đang chuyển động song phẳng Trong đói k BV i kB r BkiB   k k i i  = = là vận tốc tuyệt đối các điểm trên hai khâu là vận tốc trong chuyển động tương đối của Bi với Bk, // phương tịnh tiến giữa khâu i và khâu k. i k BiBk r B Bv v v= + , i kB B v v Bi Bk rv Bi Bk rv 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 26 ◼ Phương trình liên hệ vận tốc (A1 ← B1 ← B2 ← B3 → C3) 3 3 3 2 3 2C B C BB B vv vv =+ + 1 1 1; B ABv l AB   = =  ⊥  ? CB =  ⊥ 0 ? / / CB =   3 2 3 2 ;B B B Bv v v= + 3 3 3 3 ;B C B Cv v v= +2 1 ;B Bv v= 𝜇𝑣 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠 𝑚𝑚 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Ví dụ bài toán vận tốc: Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 27 ◼ Vận tốc góc khâu 3: → ◼ Để tính vận tốc cho điểm E và vận tốc góc khâu 5 ta viết phương trình liên hệ vận tốc: (F4 ← F6 ← E6 ← E5 → D5) 𝜇𝑣 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠 𝑚𝑚 3 3 3 B C BC v l  = 3D CDv l= Ví dụ bài toán vận tốc: 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 28 ◼ PT liên hệ vận tốc (F4 ← F6 ← E6 ← E5 → D5) 4 6 4 5 5 5F F F D E D v v v v+ = + ? / / EF =   0 ? DE =  ⊥ 5 5 5 5 ;E D E Dv v v= +5 6 6 4 6 4 ;E E F F F Fv v v v v= = = + 𝜇𝑣 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠 𝑚𝑚 Đã biết 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 29 ◼ Vận tốc góc khâu 5: ◼ Chiều quay? 𝜇𝑣 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠 𝑚𝑚 5 5 5 E D DE v l  = 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán vận tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 30 Quan hệ gia tốc Khi hai điểm A, B khác nhau thuộc cùng khâu đang chuyển động song phẳng Trong đó là gia tốc tuyệt đối các điểm A,B. là gia tốc trong chuyển động tương đối của B quanh A hướng từ B → A, là thành phần gia tốc pháp tuyến (hướng tâm);  A B Aa  aA Ba t BA a a BA n a BA ,A Ba a BAa n BAa 2n BA ABa l=  n t B A BA A BA BAa a a a a a= + = + + 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán gia tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 31 Quan hệ gia tốc Hai điểm trùng nhau tức thời thuộc 2 khâu đang chuyển động song phẳng Trong đó là gia tốc tuyệt đối các điểm Bi,Bk. là gia tốc Cô-ri-ô-lít trong chuyển động tương đối của Bk và Bi. Do nên và chiều là chiều của quay đi 900 theo chiều quay của ωi. là gia tốc trong chuyển động tương đối của Bi với Bk = =   i ik k   Bi kB r Bki VB k i Ba i kB k r Bki aB i k i k i k k r B B B B B Ba a a a= + + , k iB B a a 2. i k i k k r B BB B ia v=  i k r B Ba i k r i B Bv ⊥ 2. . i ki k k r B BB B ia v= i k r B Bv 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán gia tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 32 ◼ Phương trình liên hệ gia tốc: (A1 ← B1 ← B2 ← B3 → C3) 23 3 3 3 3 2 3 23 n t C B C B B k r B B B BC aa a aa a =+ + ++ 2 1 / / ABl AB B A =    → 2 3 / / CBl CB B C =    → 0 3 2 3 2 3 3 2=  ⊥   B B B B v CB v   ? / / =   CB ? CB =  ⊥ Theo và 𝜇𝑎 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠2 𝑚𝑚 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán gia tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 33 ◼ Gia tốc góc khâu 3: ◼ Chiều quay? ◼ Tính gia tốc điểm E và gia tốc góc khâu 5, cách làm tương tự! 3 3 3 = B C t BC a l  𝜇𝑎 = 𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡 Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛 𝑚/𝑠2 𝑚𝑚 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.1. Bài toán gia tốc Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 34 4 3 2 1 A P 13 C D BV 31B A13 V Hình 2-12 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.2. PP tâm vận tốc tức thời Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 35 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.2. PP tâm vận tốc tức thời Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 36 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.2. PP tâm vận tốc tức thời Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 37 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.2. PP tâm vận tốc tức thời Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 38 3.2 Động học 3.2.1 Phân tích động học 3.2.1.3. Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 39 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 40 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 41 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 42 3 C lAB=lAC 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 43 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 44 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 45 Bài 3: Tính vận tốc và gia tốc điểm F trong cơ cấu máy sàng lắc nếu tay quay quay đều với vận tốc góc 1 = 20rad/s tại vị trí AB và CD thẳng đứng, BC nằm ngang. Cho biết kích thước các khâu: 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 46 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 47 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 48 Bài 4 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 49 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 50 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 51 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 52 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 53 3.2 Động học 3.2.2 Động học một số cơ cấu phẳng điển hình Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 54 Tại sao phải phân tích lực? ◼ Một số điểm/khâu trên cơ cấu/máy cần làm việc với giới hạn lực cho trước ◼ Cơ sở để ◼ Tính toán độ bền, thiết kế chi tiết ◼ Tính toán chế độ bôi trơn, mài mòn ◼ Tính toán hiệu suất ◼ Chọn động cơ dẫn động 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 55 Những vấn đề mấu chốt ◼ Cho trước cơ cấu với ◼ Kích thước động học ◼ Quy luật chuyển động của khâu dẫn ◼ Kết cấu sơ bộ: Phân bố khối lượng (khối lượng, mô men quán tính của các khâu, vị trí trọng tâm) ◼ Lực tác dụng lên điểm làm việc (lực cản kỹ thuật) ◼ Mục tiêu: Xác định tải trọng đặt lên các khâu, khớp => làm cơ sở thiết kế hoàn chỉnh kết cấu của các chi tiết máy, thiết kế bôi trơn, tính chọn động cơ có mô-men dẫn động phù hợp ◼ Bài toán phải giải quyết: ◼ Phân tích áp lực khớp động ◼ Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 56 ◼ Ngoại lực: lực từ bên ngoài tác động lên bộ phận làm việc của máy ◼ Lực cản kỹ thuật FC ◼ Trọng lượng của các khâu chuyển động G ◼ Lực phát động Mđ / Fđ 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 57 ◼ Lực quán tính ◼ Tồn tại ở những khâu chuyển động có gia tốc ◼ Trong trường hợp tổng quát khâu chuyển động song phẳng có: ◼ Khối lượng khâu mi ◼ Vị trí trọng tâm Si ◼ Mô men quán tính đối với trọng tâm Jsi ◼ Gia tốc góc ◼ Gia tốc trọng tâm i iS a iqi i S P m a= − iqi S i M J = −và 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 58 ◼ Nội lực: Lực tác động tương hỗ giữa các khâu trong cơ cấu => là thành phần phản lực trong các khớp động ◼ Áp lực khớp động ◼ Lực ma sát ◼ Luôn có ◼ Nếu bỏ qua ma sát thì msijF ijN ijR ij ij msijR N F= + ij ijR N ij jiR R= − v F 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 59 ◼ Các dữ liệu cho trước ◼ Kích thước động và vị trí khâu dẫn ◼ Đã giải xong bài toán gia tốc ◼ Các thông số cấu tạo (sơ bộ) các khâu ◼ Khối lượng khâu mi ◼ Vị trí trọng tâm Si ◼ Mô men quán tính đối với trọng tâm JSi ◼ Các ngoại lực đã biết: lực cản kỹ thuật ◼ Tính ◼ Lực quán tính ◼ Phản lực khớp động trên khâu bị dẫn ◼ Phân tích lực khâu dẫn: phản lực khớp và lực cân bằng 1j 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 60 ◼ Coi các khâu rắn tuyệt đối ◼ Coi khâu dẫn chuyển động đều ◼ Bỏ qua ma sát trong các khớp động ◼ Vì sao gần đúng? ◼ Ràng buộc lẫn nhau ij ijR N 1 const = Bài toán vận tốc Bài toán gia tốc Lực ma sát Phân tích lực Tính lực quán tính Khâu dẫn 1 const = 3.3 Phân tích lực 3.3.1 Các lực tác động lên máy Các giả thiết Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 61 Nguyên tắc giải bài toán lực ◼ Các khâu chuyển động có gia tốc => ngoại lực tác dụng không cân bằng => không viết được phương trình cân bằng lực => không giải được bài toán => Sử dụng nguyên lý Đa-lăm-be và phương pháp động tĩnh học ◼ Coi lực quán tính là ngoại lực cùng với các ngoại lực khác tác động lên cơ hệ => coi là cơ hệ cân bằng => thiết lập phương trình cân bằng lực ◼ Tách cơ cấu thành khâu dẫn và các chuỗi động hở làm xuất hiện phản lực khớp động ◼ Tách thế nào? 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 62 Nguyên tắc: Điều kiện tĩnh định ◼ Nhóm tách ra phải thỏa mãn: Số PTCB lực = Số ẩn số ◼ Xét nhóm tách ra có: n khâu, T khớp thấp và C khớp cao ◼ Số PT cân bằng lực: 3n ◼ Số ẩn số? ◼ Khớp thấp 2 ẩn ◼ Khớp cao 1 ẩn ◼ Có 2T+C ẩn Trị số và phương? Trị số và điểm đặt? Trị số? 3 2n T C= + 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 63 Nguyên tắc: Điều kiện tĩnh định Giải cho các nhóm từ xa khâu dẫn về gần khâu dẫn. Vì sao? 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 64 Trình tự giải bài tính lực cơ cấu ◼ B1: Xác định ngoại lực tác dụng lên cơ cấu ◼ B2: Xác định lực quán tính ◼ B3: Tách cơ cấu làm xuất hiện áp lực khớp động ◼ Với mỗi nhóm: ◼ B4: Áp dụng PP tĩnh động học thiết lập PTCB lực ◼ B5: Giải hệ phương trình cân bằng lực ◼ Chú ý: giải cho các nhóm từ xa khâu dẫn về gần khâu dẫn ◼ B6: Phân tích lực khâu dẫn: lực tác dụng lên giá và mô men cân bằng 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 65 Tính lực quán tính ◼ Khâu chuyển động tịnh tiến ◼ Khâu quay quanh một điểm cố định trùng với trọng tâm ◼ Khâu quay quanh một điểm cố định KHÔNG trùng với trọng tâm 0 q S q P ma M  = −  = 0q q S P M J   =  = − . . .sin .sin . . . . − = = = = − q S S S S q S S AS AS M J J a J h P m a m a l m l    sin S SK AS Jh l ml = = 2 SK AS l l  =hay 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 66 Phân tích lực cơ cấu 4 khâu bản lề ◼ Cho cơ cấu bốn khâu bản lề có lược đồ (giả sử họa đồ được lập với tỷ xích µl = 1 ) Cho biết: ◼ Góc vị trí của khâu dẫn là φ1 . A B C D M3 1 P2 2 3 4 1 1 j • Các lực P2, M3 bao gồm lực cản kỹ thuật, trọng lượng các khâu, lực quán tính của các khâu. P2 đặt tại trung điểm của BC Yêu cầu: xác định áp lực trong các khớp động 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động: Thí dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 67 Lời giải: 1. Tách nhóm tĩnh định Vì trong cơ cấu trên không có khớp cao nên điều kiện tĩnh định là 3n = 2T. Với cơ cấu này, ta tách cơ cấu thành hai phần: - Nhóm tĩnh định gồm 2 khâu 2, 3 và 3 khớp B, C, D. Có các lực: + Ngoại lực: P2, M3 + Tại khớp B có lực liên kết N12 là lực từ khâu 1 tác dụng lên khâu 2 + Tại khớp D có lực liên kết N43 là lực từ khâu 4 tác dụng lên khâu 3 - Khâu dẫn 1 và giá: tại B có lực N21 trực đối với N12. n t N43 N4343N 12N n 12N t N12 12N C D M3 3 P2 2B 1 ? 1 1 f A B N3212N B C 2 2P 3M 23N N43N21 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động: Thí dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 68 2. Viết phương trình cân bằng lực cho nhóm tĩnh định và giải bằng họa đồ lực 2 43 12 0P N N+ + = 12 12 43 4312 43, n t n t N N N N N N= + = +Đặt n t N43 N4343N 12N n 12N t N12 C D M3 3 P2 2B -Phương trình cân bằng lực cho nhóm hai khâu 2, 3 và 3 khớp : ( )122 0 2 t C BC P M N+ = -Phương trình cân bằng mômen của khâu 2 đối với điểm C: -Phương trình cân bằng mômen của khâu 3 đối với điểm C: • Chú ý: nếu > 0 thì chiều chọn là đúng, nếu < 0 thì chiều thực tế ngược với chiều đã chọn. 12 2 2 t P N = ( )433 0CM M N+ = 43 3. t l M N CD  = (1) 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động: Thí dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 69 3. Gải phương trình cân bằng lực Viết lại phương trình (1): trong phương trình này chỉ còn hai lực và là chưa biết độ lớn. Do vậy có thể giải bằng cách vẽ họa đồ lực như hình vẽ. 12 43 43 122 0 t t n n N P N N N+ + + + = t 43N n 43N 12N n N12 N12 t P2 N43 e d c b a ?' ? 3M 23N N43 12 n N 43 n N N12 P 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động: Thí dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 70 Trên họa đồ lực ta chọn tỉ lệ xích họa đồ , ta giải phương trình véc tơ như sau: - Từ a lần lượt vẽ các véc tơ ab, bc, cd biểu diễn cho - Từ d kẻ biểu diễn cho phương của , từ a kẻ biểu diễn cho phương của . Hai đường thẳng này cắt nhau tại e, từ đó ta có véc tơ de biểu diễn cho và ea biểu diễn cho . - Ta có: Cũng trên họa đồ lực này, ta xác định được áp lực N23 và N32 tại khớp C dựa vào phương trình cân bằng lực cho khâu 2: hoặc cho khâu 3: P N mm        12 433, , t t N P N 43 n N 12 n N 43 n N 12 n N 12 43. ; . n n P PN ea N de = = 212 32 0N P N+ + = 23 32 0N N+ = 3.3 Phân tích lực 3.3.2 Tính phản lực khớp động: Thí dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 71 ◼ Sau khi tách hết các nhóm còn lại khâu dẫn nối với giá cố định bằng một khớp thấp có áp lực khớp động chứa 2 ẩn số ◼ Khớp quay: Phương và trị số ◼ Khớp tịnh tiến: Điểm đặt và trị số ◼ Trong điều kiện CB lực cho khâu dẫn lập được 3 PT → Ẩn thứ 3 có thể và cần xác định chính là một trong hai yếu tố của ngoại lực dùng để cân bằng các lực trên khâu dẫn ◼ Lực cân bằng khâu dẫn là lực xác định được ở khâu dẫn để cân bằng toàn bộ các ngoại lực khác trên toàn bộ cơ cấu, kể cả lực quán tính 3.3 Phân tích lực 3.3.3 Phân tích lực trên khâu dẫn Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 72 ◼ Nếu trên khâu dẫn đặt lực cân bằng: cho trước điểm đặt và phương ◼ Nếu trên khâu dẫn đặt mô men cân bằng ◼ Tách khớp A làm xuất hiện và tính dựa vào PTCB lực: → Phương pháp phân tích áp lực khớp động 21 21.=CB AI N h P l 21 21.CBM N h= 21 41 0CBP N N+ + = 41N 3.3 Phân tích lực 3.3.3 Phân tích lực trên khâu dẫn Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 73 ◼ Nguyên lý di chuyển khả dĩ ◼ Với một hệ lực cân bằng, tổng công suất tức thời của tất cả các lực bằng không trong mọi di chuyển khả dĩ ◼ Nếu trên khâu dẫn đặt mô men cân bằng ( ) ( ) 0i iN P N M+ =  1 1 [ ] . 0 n i i i i CB i Pv M M  = + + = 11 1 [ ] n CB i i i i i M Pv M   = → =  + CBMdấu “-” khi cùng chiều , dấu “+” khi ngược chiều1 CBM 1 3.3 Phân tích lực 3.3.3 Phân tích lực trên khâu dẫn Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 74 ◼ Ứng với mỗi vị trí của khâu dẫn xác định được mô men cân bằng ◼ Cơ sở để chọn động cơ dẫn động cho cơ cấu 1 ij i CBM 1 1 ntb i d CB CB i M M M n = = =  max{ }ikd CBM M= 3.3 Phân tích lực 3.3.3 Phân tích lực trên khâu dẫn: Ý nghĩa momen cân bằng Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 75 ◼ Mỗi động cơ có Md, Mkd xác định → chỉ có thể chọn ◼ Nên nhìn chung → khâu dẫn không cân bằng lực ◼ Giả thiết khâu dẫn chuyển động đều là gt gần đúng ◼ Để máy làm việc ổn định thì trong mỗi chu kỳ tổng công của mô men động cơ phải bằng tổng công của mô men cân bằng i d BM M C 1 1 ntb i d CB CB i M M M n =  =  1max{ }kd CBM M d CBM M A A= 3.3 Phân tích lực 3.3.3 Phân tích lực trên khâu dẫn: Ý nghĩa momen cân bằng Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 76 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 77 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 78 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 79 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 80 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 81 3.3 Phân tích lực: Ví dụ Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 82 Cho cơ cấu như hình vẽ biết: lBC = 2lAB = 0,2 (m) , lCD = 0,05 (m), P3=100N, 1=10 (rad/s). Tại vị trí đang xét có j1=90 0. Tính áp lực khớp động và mô men cân bằng trên khâu dẫn? 𝜔1 𝑆3 ≡ 3.3 Phân tích lực: Bài tập Bài 3: Thiết kế cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 83 Cho cơ cấu có lược đồ như hình vẽ, có lAB = lBC = 0,1 (m), khâu dẫn quay đều với 1=10 (rad/s), M3 = 20 Nm , P2 = 100N. Tại vị trí đang xét j1=60 0. Tính mo-men cân bằng trên khâu dẫn 1? 3.3 Phân tích lực: Bài tập