Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 5: Cơ cấu thanh - Trường Đại học Giao thông vận tải

cơ cấu hiế kế ấ d à á ê ầ đề để h l đồ„ T t cơ c u: ựa v o c c y u c u ra c ọn ược cơ cấu thích hợp rồi xác định các kích thước của lược đồ cơ cấu đã chọn. „ Phương pháp: „ Các phương pháp thiết kế cơ cấu: „ Giải tích, „ Đồ giải „ Thực nghiệm. Tuỳ vào yêu cầu của bài toán và các điều kiện cho trước mà ta 10/01/2011 3 „ chọn phương pháp thiết kế. 5 CƠ CẤU THANH. 5.1. Khái quát chung „ Ưu điểm: „ Thành phần khớp động là mặt nên lâu mòn, chịu được tải trọng lớn do áp suất nhỏ khả năng truyền lực lớn, . „ Chế tạo đơn giản. „ Dễ dàng thay đổi quy luật chuyển động của các khâu bị dẫn hờ h đổi kí h h ớ khâ dẫn t ay c t ư c u n. „ Nhược điểm: „ Khó thiết kế chính xác cơ cấu theo các điều kiện cho trước và khó thực hiện chính xác các quy luật chuyển động phức tạp. „ Khó cân bằng lực quán tính của các khâu chuyển động phức tạp, khi vận tốc cao sẽ gây ra các tải trọng động lớn nên cơ cấu 10/01/2011 4 thanh thường được dùng khi vận tốc tương đối thấp. 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Khái niệm: Cơ cấu 4 khâu bản lề là cơ cấu gồm 4 khâu nối với nhau bằng các khớp quay (khớp bản lề). „ Khâu cố định gọi là giá. „ Khâu đối diện với khâu cố định gọi là thanh truyền (chuyển động song phẳng). „ Hai khâu còn lại nối với giá cố định gọi là tay quay nếu nó quay được toàn vòng (3600) và gọi là cần lắc nếu nó chỉ lắc qua lắc lại 10/01/2011 5 . 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Các biến thể: „ Thay đổi hình dạng và kích thước tương đối các khâu 10/01/2011 6 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Các biến thể: „ Thay đổi kích thước các khớp động 10/01/2011 7 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Các biến thể: „ Chọn các khâu khác nhau làm giá 10/01/2011 8 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Điều kiện tồn tại tay quay: „ Tuỳ theo quan hệ kích thước của các khâu cơ cấu 4 khâu bản lề có thể có 2, tay quay, 1 tay quay và 1 cần lắc hoặc 2 cần lắc. Giả sử khâu a và d đều có thể quay„ toàn vòng quanh khớp A. Ta có: a + d ≤ b+ c b (d ) b d≤ - a + c ⇔ a + ≤ +c c ≤ (d - a) + b ⇔ a + c ≤ d + b ⇒ a ≤ b; a ≤ c; a ≤ d 10/01/2011 9 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Điều kiện tồn tại tay quay: ⇒ Điều kiện để 2 khâu của chuỗi động kín 4 khâu nối với nhau nhờ 4 khớp quay có thể quay toàn vòng đối với nhau: Trong 2 khâu đó phải có 1 khâu là™ khâu ngắn nhất của chuỗi động. ™ Tổng chiều dài của khâu ngắn nhất đó với khâu dài nhất của chuỗi động phải nhỏ hơn hoặc bằng tổng chiều dài của 2 khâu còn lại: l + l ≤ l’ + l” 10/01/2011 10 min max 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Điều kiện tồn tại tay quay: „ Chuỗi động 4 khâu bản lề có thể phân thành 2 nhóm: ó 1 l l l’ l” ấ bấ ứ khâ à là iá hì„ Nh m : min + max > + ⇒ L y t c u n o m g t cơ cấu đều chỉ có 2 cần lắc. „ Nhóm 2: lmin + lmax ≤ l’ + l” ⇒ Khâu ngắn nhất của chuỗi động này ó hể à ò đối ới khâ ới ó hà h khớ Dc t quay to n v ng v u tạo v n t n p quay. o đó ta có các trường hợp: ™ Chọn bất cứ khâu nào kề với khâu ngắn nhất làm giá, cơ cấu ầ ắsẽ có 1 tay quay và 1 c n l c. ™ Chọn khâu ngắn nhất làm giá, cơ cấu sẽ có 2 tay quay ™ Chọn khâu đối diện khâu ngắn nhất làm giá, cơ cấu sẽ có 2 10/01/2011 11 cần lắc 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Điều kiện tồn tại tay quay: „ Các trường hợp của nhóm 2: ™ Chọn bất cứ khâu nào kề với B C B C khâu ngắn nhất làm giá, cơ cấu sẽ có 1 tay quay và 1 cần lắc. ™ Chọn khâu ngắn nhất làm giá A (a) D (b) A D , cơ cấu sẽ có 2 tay quay ™ Chọn khâu đối diện khâu ngắn nhất làm giá cơ cấu sẽ có 2 B C B C , cần lắc (c) A D A (d) D 10/01/2011 12 5 CƠ CẤU THANH. 5.2. Cơ cấu 4 khâu bản lề „ Điều kiện tồn tại tay quay: „ Ví dụ: Cho l1 = 0.3m, l2 = 0.5m, l = 0 6m Xác định l để cơ cấu 2 B 3 C 2l 3l 4 . , 3 có AB là tay quay, CD là thanh lắc. Giải 1 A 4 D l 1 l 4 „ AB phải là khâu ngắn nhất nên ≥ → ≥3 1 3 0.3l l l m Trường hợp l3 = lmax: → + ≤ +1 3 2 4l l l l Trường hợp l4 = lmax:→ + ≤ + → ≥ + − 1 4 2 3 3 1 4 2 l l l l l l l l → ≤ + − → ≤ → ≤ ≤ 3 2 4 1 3 3 0.8 0.6 0.8 l l l l l m m l m 10/01/2011 13 → ≥ → ≤ ≤ 3 3 0.4 0.4 0.6 l m m l m Kết luận: ≤ ≤30.4 0.8m l m 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Tỉ số truyền: Là tỷ số vận tốc góc 2 khâu nối giá 1 13 3 i ωω= 23P 1 B 2 3 P12 CTính tỉ số truyền theo tâm vận tốc tức thời: Vận tốc góc 2 khâu tỷ lệ nghịch với A 4 D 34P14P13P Tâm vận tốc tức thời của cơ cấu khoảng cách từ tâm vận tốc tức thời tuyệt đối tới tâm vận tốc tức thời tương đối của chúng. 13 341 13 3 13 14 P Pi P P ω ω= = 10/01/2011 14 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Tỉ số truyền: Đặc trưng của tỉ số truyền: i là đ i l h đổi h ị í B 2 C 2C ™ 13 ạ ượng t ay t eo v tr . ™ i13 = 1 khi cơ cấu 4 khâu bản lề là cơ cấu hình bình hành. Điểm P13 khi đó ở ì khâ 2 à 4 l ô A 1 3 D 1C 2B 1ϕ θ ψ ∞ v u v u n song song nhau. ™ Khi tay quay và thanh truyền duỗi thẳ h hậ h P ẽ t ù A 4 B1 ϕ2 ng ay c p n au, 13 s r ng ,ω3 = 0, khâu 3 lúc này ở các vị trí biên và bắt đầu đổi chiều lắc. Góc ψ giữa 2 vị trí biên gọi là góc lắc 10/01/2011 15 . 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Góc áp lực và góc truyền động: a. Góc áp lực: Góc giữa lực và vận tốc tuyệt đối của điểm γ Pn P đặt lực. à hỏ à ố ì δ=γ B 1C 2 C 2C δ i α tP ( ), CP vα = r r α c ng n c ng t t v N = P.vC.cosα b. Góc truyền động: 1B Bω 1 A 1 2 D δmax m n Góc γ xen giữa Pn và P. Vì γ + α = 900 → γ càng lớn càng tốt 4 10/01/2011 16 . Để cơ cấu truyền động an toàn, khi thiết kế người ta thường lấy γmin = 400. 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Chuyển động về nhanh: Khi tay quay và thanh truyền nằm trên 1 đường thẳng → vị trí cực hạn 2 C 2C . Góc nhọn xen giữa 2 vị trí cực hạn gọi là góc cực vị θ. Hà h ì h đi Từ AB AB ( ) 1 B 31C 2B θ ψ n tr n : 1- → 2, ϕ1 Hành trình về: Từ AB2- → AB1, (ϕ2) ϕ1 > ϕ2 mà tay quay quay đều nên vận ố ầ ắ A 4 D 1ϕ ϕ2 t c của c n l c CD khi đi sẽ bé hơn khi về → chuyển động về nhanh. → Sử dụng khi thiết kế các máy có hành trình không làm việc về nhanh ằ ắ B1 10/01/2011 17 nh m rút ng n thời gian chạy không 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Hệ số biến thiên vận tốc: Hệ số biến thiên vận tốc k (hệ số về nhanh hệ số năng suất) là tỷ số giữa B 2 3 C 2C C, vận tốc trung bình của khâu bị dẫn khi chạy không và khi làm việc: 1 D 1 2B 1ϕ θ ψ 0 02 1 180 1180v kk ϕ θ θ+ − A 4 B ϕ2 0 1 2 180 1v kϕ θ= = = ⇒ =− + Nhận xét: Cơ cấu tay quay cần lắc khi chuyển động có xuất hiện góc cực vị θ thì cơ cấu đó có tính về nhanh. Góc θ càng lớn → k càng lớn → thời gian chạy không của máy và công suất cần thiết của động cơ càng giảm 1 10/01/2011 18 . 5 CƠ CẤU THANH. 5.3. Các đặc trưng cơ bản của cơ cấu 4 khâu bản lề „ Vị trí chết: ™ Chọn khâu CD làm khâu dẫn Xé 2 ị í AB à h h B 2 3 C 2C C ™ t v tr tay quay v t an truyền BC cùng nằm trên một đường thẳng. Khi đó l á d ừ khâ dẫ CD 1 D 1 2B 1ϕ θ ψ ™ ực t c ụng t u n qua BC tới AB đi qua tâm các khớp quay A và B → không thể làm quay AB → gọi là 2 vị trí chết A 4 B ϕ2 Xét về mặt truyền động, sự tồn tại vị trí chết là có hại. Tuy nhiên trong kỹ thuật, người ta còn lợi dụng vị trí này ví dụ như cơ cấu 4 khâu bản lề dùng để kẹp chặt phôi 1 10/01/2011 19 . 5 CƠ CẤU THANH. 5.4. Thiết kế cơ cấu 4 khâu bản lề Ví dụ 1: Xác định kích thước tay quay l1 và thanh truyền l2 của cơ cấu tay quay cần lắc, biết chiều dài cần lắc là l lắ l h ố ề h h l k C2 1C θ 1 l 2 - l 3l 3, góc c à ψ, ệ s v n an à . Các bước thực hiện: ™ Tính góc cực vị 1 11800 + −= k kθ DA 2B ψ ™ Vẽ thanh lắc tại 2 vị trí giới hạn DC1 và DC2. ™ Từ C1 (hoặc C2) kẻ nửa đường thẳng B1 2l + l 1 bất kì, rồi từ C2 (C1) kẻ nửa đường thẳng làm với nửa đường thẳng vừa rồi góc cực vị θ. ẳ ắ ™ Từ quan hệ hình học, ta có: AC1 = l2 + l1 AC = l - l 10/01/2011 20 ™ Hai đường th ng c t nhau tại A là vị trí tâm quay của tay quay. 2 2 1→ Từ đó tìm được l1 và l2. 5 CƠ CẤU THANH. 5.4. Thiết kế cơ cấu 4 khâu bản lề C1 2C c12 c23 Ví dụ 2: Xác định kích thước giá và hai khâu nối giá của cơ cấu bốn khâu bản lề biết trước ba vị trí của thanh ề l B1 B C3 12b b23 truy n à C1B1, C2B2 và C3B3. Các bước thực hiện: ™ Kẻ đường trung trực b12 và b23 của á à Cá đ ờ A 2 D 3B c c cung B1B2 v B2B3. c ư ng này cắt nhau tại tâm quay A của khâu AB. Kẻ đ ờ à ủ™ ư ng trung trực c12 v c23 c a các cung C1C2 và C2C3. Các đường này cắt nhau tại tâm quay D của khâu CD ™ Vậy ta đã xác định được 2 điểm của giá là A và D. Cơ cấu như vậy đã được xác định 10/01/2011 21 . . 5 CƠ CẤU THANH. 5.4. Thiết kế cơ cấu 4 khâu bản lề 1CC2 C h Ví dụ 3: Thiết kế cơ cấu tay quay con trượt khi biết trước hệ số biến thiên vận tốc k, hành trình h của con trượt đ l h A B1 eθ 90°−θ và ộ ệc tâm e. Các bước thực hiện: ™ Tính góc cực vị 2B B ™ Dựng đoạn thẳng C1C2 = h biểu thị hành trình con trượt. ™ Từ C1 kẻ đường thẳng làm với C1C2 ™ Kẻ đường thẳng song song với P một góc 900 - θ, đồng thời từ C2 kẻ đường thẳng vuông góc với C1C2. Hai đường này cắt nhau tại P. ể C1C2 và cách 1 khoảng e. Đường này cắt đường tròn tại A là tâm quay của tay quay AB cần tìm. 10/01/2011 22 ™ Dựng đường tròn qua 3 đi m P, C1, C2. ™ Sau khi tìm được A, tìm AB và BC tại các vị trí cực hạn (như Ví dụ 1),