Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 6: Cơ cấu CAM - Nguyễn Chí Hưng

CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.2. Phân loại Cơ cấu cam phẳng A 2 1 B C  1 A  D 2 C 1 A  B C 2 1 A  B C 2 1 A  B C 3 1 A  B C 2 3 B D 2 1 2 3 D 1 2 A A B C B C (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.2. Phân loại Cơ cấu cam không gian A 1 B C 1 2 (a) (b) (c) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Khi khớp cao B đi từ Bg đến Bx thì đầu cần ngày càng xa tâm cam nên gọi đây là thời kỳ “đi xa”. Góc quay của cam là đ, góc mặt cam tƣơng ứng là đ. - Khi khớp cao B đi từ Bx đến B’x thì đầu cần đứng yên ở vị trí xa tâm cam nhất, gọi là giai đoạn “đứng xa” (ở xa)  x, x. - Khi khớp cao B đi từ B’x đến B’g thì đầu cần càng về gần tâm cam hơn, gọi là giai đoạn “về gần” v, v. - Khi khớp cao B đi từ B’g đến Bg thì đầu cần đứng yên ở vị trí gần tâm cam nhất, gọi là giai đoạn “đứng gần” (ở gần)  g, g. Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam  A d Bg C Bx B'x B'g B 1 2 x v g 1 B A H e C 2 Quá trình chuyển động của cần ứng với một vòng (chu kì) quay của cam (2) gồm bốn giai đoạn: Góc công nghệ, góc định kỳ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt đ ≠ đ ≠ 0; v ≠ v ≠ 0; x = x; g = g Cơ cấu cam cần đẩy, đáy nhọn, ngoài những thông số đặc trƣng của cam nhƣ đã trình bày ở trên ta còn có thêm một thông số nữa gọi là tâm sai e. Tâm sai e là khoảng cách từ tâm quay của cam A đến phƣơng tịnh tiến của cần đẩy BC, e = AH. Đƣờng tròn (A,e) gọi là đƣờng tròn tâm sai. Nếu e = 0 ta có cam cần đẩy chính tâm, còn khi e ≠ 0 ta có cam lệch tâm. đ, x, v, g  góc định kì (th.số đ.học của cam) đ, x, v, g  góc công nghệ (th.số h.học của cam) Ta thấy đ + x + v + g = đ + x + v + g = 2. Tuy nhiên nói chung thì các góc định kì và công nghệ ở thời kì đi xa và về gần không bằng nhau (và phải khác 0), còn thời kì đứng xa và đứng gần chúng bằng nhau (và có thể bằng 0): Góc công nghệ, góc định kỳ  A d Bg C Bx B'x B'g B 1 2 x v g 1 B A H e C 2 Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Góc công nghệ, góc định kỳ Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Góc công nghệ, góc định kỳ Cg C’g Cx Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Thông số lực học của cơ cấu cam Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.3. Thông số cơ bản của cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.1. Định nghĩa, phân loại 6.1.4. Nội dung nghiên cứu • Phân tích cơ cấu cam. GT: - Cho cc cam: b.dạng cam, tâm cam, cần. - Cho quy luật c.động của cam, 1 = const. KL: - Xđ quy luật c.động của cần (vị trí, v.tốc, g.tốc): bài toán đ.học - Đại lƣợng đ.l.học: góc áp lực , ma sát, h.suất của cơ cấu. • Tổng hợp cơ cấu cam. GT: - Quy luật c.động của cần và điều kiện đ.l.học (góc áp lực ) KL: - Tìm k.thƣớc h.học của cam (b.dạng, vị trí tâm cam, cần)  2 bài toán: Tổng hợp động học --> Vẽ biên dạng cam. Tổng hợp động lực học --> Tâm cam A. (cơ cấu cam phẳng) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam GT: Cho lƣợc đồ cơ cấu: Các kích thƣớc động học li; 1 = const. KL: Xác định quy luật chuyển động của cần: (), (), (): cần lắc hoặc S(), v(), a(): cần đẩy + Phƣơng pháp: Có thể sử dụng nhiều phƣơng pháp để phân tích động học cơ cấu cam nhƣ: - Phƣơng pháp chuyển động tuyệt đối (dựa vào chuyển động tuyệt đối của các khâu trong cơ cấu). - Phƣơng pháp đổi giá. - Phƣơng pháp tâm quay tức thời - Phƣơng pháp giải tích. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối)  A d Bg C Bx B'x B'g B 1 2 x v g 1 B A H e C 2 - Dựng l.đồ cơ cấu, tỷ lệ xích l - Ban đầu, cam và cần tiếp xúc tại B0 = Bg (bắt đầu cung đi xa). -Lấy AC làm gốc để đo góc quay của cần  khi cam quay ứng với mỗi vị trí  của cam thì cần có vị trí xác định . - Dựng hệ trục toạ độ O với tỉ lệ xích của các trục là  [rad/mm],  [rad/mm]. Nội dung của phƣơng pháp chính là xác định chuyển vị i (i = 0,1,2, ,n) của cần theo các góc quay liên tiếp của cam i (khi đầu cần tiếp xúc với các điểm trên biên dạng cam). Từ đó xây dựng đồ thị (). Việc xác định các cặp giá trị (i, i) dựa trên chuyển động thực của cơ cấu. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối) Giả sử khi cam quay đƣợc một góc i thì đầu cần tiếp xúc với biên dạng cam tại điểm , ta đi xác định góc quay tƣơng ứng của cần i? Dễ dàng nhận thấy quỹ đạo chuyển động của đầu cần là cung tròn tâm C, bán kính CB (chiều dài cần), quỹ đạo chuyển động của các điểm trên biên dạng cam là cung tròn tâm A, bán kính . Giao điểm của hai cung tròn này chính là vị trí của đầu cần khi tiếp xúc với điểm trên biên dạng cam. Nhƣ vậy ta sẽ xác định đƣợc: là góc quay của cam. góc quay tƣơng ứng của cần. góc quét của đầu cần trên mặt cam. Chuyển vị thật của cần là i = i – 0 Biểu diễn cặp giá trị (i,i) này trên hệ trục tọa độ O ta sẽ đƣợc một điểm i của đồ thị cần tìm () với tung độ và hoành độ tƣơng ứng nhƣ sau:        ii i i  , CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối) Làm tƣơng tự cho các góc quay i (i = 0,1,2, ,n) khác trong một chu kỳ động học, sau đó nối các điểm i lại với nhau bằng 1 đƣờng cong trơn ta sẽ thu đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc lắc của cần  theo góc quay  của cam: (). Đạo hàm đồ thị chuyển vị của cần () ta thu đƣợc đồ thị vận tốc góc của cần () và đồ thị gia tốc góc của cần () theo góc quay . Vận tốc góc của cần: Gia tốc góc của cần Nếu cam quay đều, ta có Trên hình vẽ ta có: Góc định kỳ đi xa là: Góc công nghệ đi xa là:   1 1 d d d d t dt d dt d . ( )                    2 2 2 21 1 1 1 12 2 2 dd d d d d d d d t dt dt d dt d d dt d d ( )                                2 2 1 2 d t d       21 ˆ xxđ BAB 0 1 ˆBABxđ  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực (Cđ tuyệt đối) Nhƣợc điểm của phƣơng pháp:  Phải đo 2 góc i, i --> sai số lớn.  Khó xác định đƣợc các giá trị i cách đều nhau để tiện biểu diễn trên trục hoành (khi 1 = const) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Khi sử dụng phƣơng pháp chuyển động tuyệt đối, ta gặp phải khó khăn đó là, rất khó chọn các điểm Bi 1 trên mặt cam để có đƣợc các góc quay i của cam cách đều nhau. Để khắc phục điều đó, phƣơng pháp đổi giá cho phép xác định chuyển vị của cần theo các góc quay chọn trƣớc của cam. Phƣơng pháp đổi giá - Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l. Xét thời điểm ban đầu, cam và cần tiếp xúc nhau tại điểm B0 (điểm bắt đầu cung đi xa), vị trí cơ cấu là AB0C0. - Lấy đƣờng giá AC (nối tâm quay của cam và tâm quay của cần) làm gốc để đo góc quay của cần. - Dựng hệ trục toạ độ O với tỉ lệ xích của các trục là , . -Cho cả cơ cấu quay với vận tốc – ω1 quanh tâm quay A. Khi đó vận tốc các khâu tƣơng ứng sẽ là: Cam 1: Cần 2 : Giá :011  12   Giá 0 : 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Phƣơng pháp đổi giá CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn - Cam 1 đƣợc xem nhƣ đứng yên (đƣợc đổi thành “giá”) và giá 0 chuyển động với vận tốc – ω1. Quỹ đạo của điểm C là đƣờng tròn tâm A, bán kính AC gọi là vòng tròn tâm cần. Chia vòng tròn tâm cần thành n khoảng đều nhau (giả sử n = 8) và đánh dấu bằng các điểm Ci (i = 0 -> n) theo chiều quay của giá – ω1 (ngƣợc chiều kim đồng hồ). Tại thời điểm i, vị trí tâm cần là Ci, vị trí khớp cao nối cam và cần là Bi = giao điểm của cung tròn tâm Ci, bán kính CB (chiều dài cần) cắt biên dạng cam. Nhƣ vậy ta có trong chuyển động đổi giá, góc quay của giá (tƣơng ứng với góc quay của cam trong chuyển động thực) là i = , chuyển vị tƣơng ứng của cần là i = .Biểu diễn cặp giá trị (i , i) này trên hệ trục toạ độ O ta đƣợc điểm i thuộc đồ thị () cần tìm. Phƣơng pháp đổi giá iCAC  0 ACB ii ˆ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.1. Cơ cấu cam cần lắc nhọn Chuyển vị thật của cần là i = i – 0 Làm tƣơng tự cho các điểm i (i = 0,1,2, ,n) khác trong một chu kỳ động học, sau đó nối các điểm i lại với nhau bằng 1 đƣờng cong trơn ta sẽ thu đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa góc lắc của cần  theo góc quay  của cam: (). Đạo hàm đồ thị chuyển vị của cần () ta thu đƣợc đồ thị vận tốc góc của cần () và đồ thị gia tốc góc của cần () theo góc quay . Trên hình vẽ ta có: Góc định kỳ đi xa là: Góc công nghệ đi xa là: Phƣơng pháp đổi giá        ii i i  , xđ CAC ˆ 0 0 ˆBABxđ  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.2. Phân tích động học cơ cấu cam 6.2.2. Cơ cấu cam cần đẩy nhọn Phƣơng pháp chuyển động thực Phƣơng pháp đổi giá  Xem TLTK CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam Mục đích Nhằm mục đích xác định mối quan hệ giữa cấu tạo (tâm cam, biên dạng) và động học (hành trình, vận tốc) với lực (góc áp lực ) Od B A C  P V CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam Góc áp lực là góc giữa lực tác dụng từ khâu dẫn (1) lên khâu bị dẫn (2) và vận tốc điểm đặt lực trên khâu bị dẫn, kí hiệu là - Ứng với những điểm khác nhau có những góc áp lực khác nhau. - Vì giả thiết bỏ qua ma sát ở các khớp, do đó lực tác dụng từ khâu 1 lên khâu 2 chỉ có một thành phần là áp lực và có phƣơng pháp tuyến nn với biên dạng cam tại khớp cao B. -Xét công suất truyền động của cam:  P = N/(V.cos) Trong cơ cấu cam thì xem nhƣ N = const, V là quy luật chuyển động của cần, xem nhƣ đã xác định, do đó P phụ thuộc . Nếu  tăng thì P tăng --> cơ cấu chuyển động khó khăn, hiệu suất   = 900 --> P tăng  --> cơ cấu không thể chuyển động đƣợc và gọi là cơ cấu ở trạng thái tự hãm. Trong thực tế   500 - 600 cơ cấu đã tự hãm. Tự hãm : th. Để cơ cấu làm việc đƣợc thì cơ cấu phải đƣợc thiết kế sao cho   [max] với [max] < th [max] – góc áp lực lớn nhất cho phép. ),( VP cos... VPVPN  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.1. Góc áp lực trong cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.2. Góc áp lực và kích thước cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.2. Góc áp lực và kích thước cơ cấu cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.3. Phân tích lực cơ cấu cam 6.3.2. Xác định góc áp lực và pháp tuyến của biên dạng cam CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam Tổng hợp (Thiết kế) cơ cấu cam là xác định hình dáng, kích thƣớc cơ cấu nhằm thoả mãn các điều kiện: - Làm việc đƣợc (Không bị tự hãm,   [max]) --> Bài toán Tổng hợp động lực học --> Tìm tâm cam A. - Thực hiện đúng quy luật chuyển động yêu cầu --> Bài toán tổng hợp động học --> Tìm biên dạng cam. - Kích thƣớc nhỏ gọn (đồng thời thoả mãn cả 2 yêu cầu trên). GT: - Quy luật chuyển động của cần: + Cần đẩy: S, v, a, hmax = Smax - Smin + Cần lắc : , , , max = max - min - Các góc định kỳ, chiều dài cần lắc: l2 , [max] - 1 = const. KL: - Tìm tâm cam A. - Vẽ biên dạng cam. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy đáy nhọn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy đáy nhọn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn Tìm vị trí tâm cam Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l = 1.Từ đồ thị quy luật chuyển động của cần. Xét 1 vị trí thứ i của cần với góc lắc i, ứng với 2 thời điểm đi và về iđ , iv ta có vận tốc của cần tƣơng ứng là: iđ , iv       id  iv   id iv id C Eid Eiv BM Bm Bi  "E"   i iv  m in   m in A CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn Tìm vị trí tâm cam Ta đã biết véc tơ có: - Gốc nằm tại vị trí đầu cần. - Chiều của vận tốc đầu cần quay đi 900 theo chiều quay của cam. - Độ lớn --> xác định vị trí các điểm Eiđ và Eiv Góc truyền động nhỏ nhất cho phép: [min] = 90 0 - [max] Qua Eiđ,v ta dựng các đƣờng iđ,v làm với một góc [min] (= i , ) iđ,v là quỹ tích tâm cam A ứng với [max] Ta có thể chứng minh đƣợc nếu lấy các điểm nằm phía dƣới các đƣờng iđ , iv làm tâm cam thì tại vị trí i cơ cấu cam có  < [max]. Làm tƣơng tự cho các vị trí i khác. Nhƣ vậy để cơ cấu cam chuyển động đƣợc thì tâm cam phải đƣợc lấy nằm trong miền đa giác hở “” phía dƣới tất cả các đƣờng iđ và iv. ii EB 22 ).()( lVEB iBii   viđi EB , viđi EB , CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn Tìm vị trí tâm cam * Các bƣớc - Xác định vị trí cần i --> Bi - Xác định vi() --> Ei - Dựng đƣờng i tại Ei - Tƣơng tự với các điểm i khác trong 1 chu kỳ - Xác định miền tâm cam: đa giác hở phía dƣới tất cả các đƣờng đ và v (miền gạch) - Lấy 1 điểm A trong miền  làm tâm cam thoả mãn điều kiện kích thƣớc gọn nhƣng chú ý không nên lấy sát biên do sai số trong quá trình vẽ hình. - Nối A với vị trí thấp nhất đầu cần Bmin --> rmin - Nối A với vị trí cao nhất đầu cần Bmax --> rmax - Nối A với C --> lAC CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn Vẽ biên dạng cam theo quy luật chuyển vị cho trƣớc của cần.  bt ngƣợc của bt phân tích động học cơ cấu cam. - Dùng phƣơng pháp đổi giá và cắt cung. + Dựng lƣợc đồ cơ cấu với tỷ lệ xích l = 1. + Vẽ vòng tròn tâm cần (A, AC). + Chia vòng tròn tâm cần thành các khoảng đều nhau Ci (i = 0, 1, 2, ...,n ; theo thứ tự ngƣợc chiều quay của cam ) tƣơng ứng với các vị trí i trên đồ thị chuyển vị (). Lƣu ý các vị trí Cg , Cx , Cx’ , Cg’ tƣơng ứng với các thời điểm bắt đầu và kết thúc vị trí ở gần và ở xa của cần. Còn trên biên dạng cam thì tƣơng ứng với các điểm Bg , Bx , Bx’ , Bg’. + Tại các điểm Ci, đặt các góc i và căn cứ chiều dài cần ta xác định đƣợc các điểm Bi trên biên dạng cam cần tìm. + Nối các điểm Bi bằng đường cong mềm ta sẽ được biên dạng cam cần tìm. Vẽ biên dạng cam (tổng hợp động học) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.1. Tổng hợp cơ cấu cam cần lắc nhọn Vẽ biên dạng cam (tổng hợp động học) 2 1 0   A C3 C2=Cx C1 C0=Cg B2=Bx B1 B0 g   () vxd 1 O 1   1  2 3 4 5 6 7B3 B4  0 C'x C'g C4 B'g CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 6 CƠ CẤU CAM 6.4. Tổng hợp cơ cấu cam 6.4.2. Tổng hợp cơ cấu cam cần đẩy nhọn (lăn) Đây là trƣờng hợp đặc biệt của cam cần lắc (với tâm quay ở ) nên về nguyên tắc không có gì thay đổi mà còn đơn giản hơn. Thật vậy. Do cần tịnh tiến nên phƣơng vận tốc cần không đổi --> không đổi phƣơng (vuông góc phƣơng cần), với 1 góc [max] --> phƣơng lực không đổi --> các đƣờng iđ (iv) song song với nhau.  Xem TLTK CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt