Bài giảng Nguyên lý máy - Chương I: Phân tích cấu trúc cơ cấu - Trường Đại học Giao thông vận tải

đích „ BiÕt nguyªn lý hình thμnh vμ kh¶ năng chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu tõ ®ã x¸c ®Þnh ®−îc tÝnh c«ng nghÖ vμ kh¶ năng sö dông cña c¬ cÊu „ Vì c¸c tÝnh chÊt ®éng häc vμ ®éng lùc häc cña c¬ cÊu vμ m¸y phô thuéc vμo cÊu tróc cña chóng nªn tõ ®ã ta chän ®−îc ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ®éng häc vμ ®éng lùc häc ®èi víi tõng lo¹i c¬ cÊu, m¸y mét c¸ch hîp lý 10/01/2011 3 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. 1.2. C¸c kh¸i niÖm vμ ®Þnh nghÜa c¬ b¶n „ Kh©u vμ chi tiÕt m¸y „ Chi tiÕt m¸y: lμ mét bé ph©n kh«ng thÓ t¸ch rêi cña m¸y. BÊt cø c¬ cÊu hay m¸y nμo còng ®Òu do nhiÒu chi tiÕt m¸y ghÐp thμnh. C¸c chi tiÕt m¸y trong c¬ cÊu hoÆc m¸y ®−îc nèi ®éng hoÆc nèi cøng víi nhau. „ Kh©u: M¸y gåm nhiÒu bé phËn cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi víi nhau. Mçi bé phËn chuyÓn ®éng riªng biÖt nμy cña m¸y gäi lμ mét kh©u. Kh©u cã thÓ lμ mét chi tiÕt m¸y hoÆc nhiÒu chi tiÕt m¸y ghÐp cøng l¹i víi nhau 410/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ Khíp ®éng vμ ph©n lo¹i khíp ®éng „ Khíp ®éng: lμ mét liªn kÕt ®éng cña 2 kh©u. Hay nãi c¸ch kh¸c hai kh©u nèi víi nhau cã kh¶ năng chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi ®èi víi nhau t¹o thμnh khíp ®éng. „ Thμnh phÇn cña khíp ®éng: lμ ®iÓm, ®−êng, mÆt mμ theo ®ã hai kh©u tiÕp xóc nhau. TÝnh chÊt chuyÓn ®éng cña c¸c kh©u t¹o thμnh khíp phô thuéc vμo thμnh phÇn cña khíp ®éng. 510/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Ph©n lo¹i khíp ®éng: Ph©n lo¹i theo sè BTD bÞ h¹n chÕ: Khíp ®éng lo¹i k h¹n chÕ k bËc tù do Khớp loại I Khớp loại II Khớp loại III 6 Khớp loại IV Khớp loại V 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Ph©n lo¹i theo ®Æc ®iÓm tiÕp xóc cña thμnh phÇn khíp „ Khíp lo¹i thÊp: lμ khíp cã thμnh phÇn tiÕp xóc cña c¸c kh©u t¹o thμnh khíp lμ mÆt. ¦u ®iÓm cña c¸c lo¹i khíp thÊp lμ kh¶ năng chÞu vμ truyÒn t¶i lín, l©u mßn h¬n c¸c khíp lo¹i cao. Khíp lo¹i thÊp cã tÝnh thuËn nghÞch „ Khíp lo¹i cao: lμ khíp cã thμnh phÇn tiÕp xóc cña c¸c kh©u t¹o thμnh khíp lμ ®iÓm vμ ®−êng. ¦u ®iÓm cña c¸c khíp lo¹i cao lμ dÔ dμng thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng phøc t¹p víi kÕt cÊu ®¬n gi¶n h¬n c¬ cÊu toμn khíp lo¹i thÊp. 7 Khíp lo¹i cao kh«ng cã tÝnh thuËn nghÞch 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Lược đồ khớp: 1 1 1 2 2 2 2 2 1 2 3 4 5 1 12 2 1 6 7 8 9 10 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 1 222 2 8 11 12 13 14 Quy −íc mét sè khíp ®éng th−êng gÆp10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Lược đồ khâu: 9C¸c l−îc ®å quy −íc10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Chuỗi động Chuçi ®éng lμ hÖ thèng c¸c kh©u ®−îc nèi víi nhau b»ng c¸c khíp ®éng. Chuçi ®éng lμ c¬ së cña bÊt cø c¬ cÊu hoÆc ¸ μm y n o. Chuçi ®éng ®¬n gi¶n lμ chuçi ®éng cã tÊt c¶ c¸c kh©u tham gia kh«ng 1 2 3 A B qu¸ 2 khíp ®éng Chuçi ®éng phøc t¹p lμ chuçi ®éng 4C A B 2 cã trong thμnh phÇn cña nã Ýt nhÊt mét kh©u tham gia h¬n 2 khíp ®éng C 1 4 10 3 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ Chuçi ®éng ph¼ng vμ kh«ng gian „ Chuçi ®éng ph¼ng: lμ chuçi ®éng mμ c¸c ®iÓm thuéc tÊt c¶ c¸c kh©u cña chuçi chuyÓn ®éng trong cïng mét mÆt ph¼ng hoÆc trong ¸ Æt h¼ hc c m p ng song song n au. „ Chuçi ®éng kh«ng gian: lμ chuçi ®éng mμ cã c¸c ®iÓm thuéc c¸c kh©u cña chuçi v¹ch nªn c¸c quü ®¹o lμ c¸c ®−êng cong n»m trong c¸c mÆt ph¼ng kh«ng song song víi nhau. 2A B z C B 3 2 1 3 4C yD4 1 11 x A Chuỗi động phẳng Chuỗi động không gian 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ C¬ cÊu „ C¬ cÊu lμ chuçi ®éng cã 1 kh©u ®−îc chän lμm gi¸ vμ c¸c kh©u cßn l¹i lμ c¸c kh©u cã quy luËt hoμn toμn x¸c ®Þnh trong hÖ quy chiÕu ®· chän „ Kh©u cña c¬ cÊu cã quy luËt chuyÓn ®éng biÕt tr−íc gäi lμ kh©u dÉn. C¸c kh©u ®éng cßn l¹i cña c¬ cÊu gäi lμ kh©u bÞ dÉn. Quy luËt chuyÓn ®éng cña kh©u bÞ dÉn phô thuéc vμo quy luËt chuyÓn ®éng cña kh©u dÉn vμ cÊu tróc cña c¬ cÊu 1210/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. L−îc ®å c¬ cÊu „ ĐÓ tiÖn cho viÖc nghiªn cøu cÊu tróc, ®éng häc vμ ®éng lùc häc c¬ cÊu, c¸c c¬ cÊu ®−îc biÓu thÞ d−íi d¹ng m« hì h i lμ l ®å Ên gä −îc c¬ c u A 4 B 5 1 C 2 3 D 13Cơ cấu Lược đồ cơ cấu10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. 1.3 BËc tù do (BTD) cña c¬ cÊu ƒ Kh¸i niÖm: Sè BTD cña c¬ cÊu lμ sè kh¶ năng chuyÓn ®éng ®éc lËp vμ còng lμ sè tham sè ®éc lËp cÇn ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ ñ ¬ Êc a c c u ƒ TÝnh BTD cña c¬ cÊu kh«ng gian: C«ng thøc tæng qu¸t 5 6W W R n k p R⎛ ⎞⎜ ⎟∑0 0 1 . k k= = − = − −⎝ ⎠ W: BTD cña c¬ cÊu W0: BËc tù do tæng céng cña tÊt c¶ c¸c kh©u ®éng nÕu ®Ó rêi. R: Sè rμng buéc cña tÊt c¶ c¸c khíp ®éng trong c¬ cÊu n: Số khâu động pk: lμ sè khíp lo¹i k 1410/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. ƒ TÝnh BTD cña c¬ cÊu ph¼ng ( )3 2 t cW n p p r s= − + − − Trong đó n : số khâu động pt : số khớp loại thấp pc : số khớp loại cao r : số ràng buộc thừa s : số bậc tự do thừa 1510/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ VÝ dô tÝnh BTD cña c¬ cÊu C ấ 4 khâ bả lềơ c u u n : Số khâu động n = 3, số khớp thấp bằng 4, số khớp cao bằng 0, không tồn tại ràng buộc thừa và bậc tự do thừa Bậc tự do: 16 . ( )3 3 2 4 0 0 1W = × − × − − =10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ TÝnh BTD cña c¬ cÊu tay quay con tr−ît A' A 3 O B'1 2 B 4 S S'4 4 ( ) ( ) 3 2 3.3 2.4 0 1 t cW n p p= − + = − + = 1710/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ BTD cña c¬ cÊu 5 kh©u b¶n lÒ ph¼ng B 2 C 3 D 1 4 α 2α 1 EA 5 ( ) ( ) 5 43 2 3 4 2 5 0 2 W n p p= − + = − + = 18 . . 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ TÝnh BTD cña c¬ cÊu cam 3 ( ) ( ) 3 2 3 3 2 3 1 2 t cW n p p= − + = − + = 2 . . Tuy nhiên ta thấy bậc tự do của con lăn ổkhông làm thay đ i vị trí của các khâu khác trong cơ cấu. Đây chính là BTD thừ ủ ấ à khi tí h t á t hải 1( )3 2 1t cW n p p= − + − a c a cơ c u m n o n a p bỏ đi 19 ( )3.3 2.3 1 1 1= − + − = 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. „ TÝnh BTD cña c¬ cÊu 5 kh©u 6 khíp b¶n lÒ B C2 ( ) ( ) 3 2 3.4 2.6 0 0 t cW n p p= − + = − + = E 4 Ở đây EF đóng vai trò là một ràng buộc thừa, không ảnh ế ể F 1 hưởng đ n chuy n động của cơ cấu mà chỉ làm cơ cấu vững chắc thêm DA 5 ( ) ( ) 3 2 1 3 4 2 6 0 1 1 t cW n p p= − + − = − + − = 20 . . 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. 1.4. Nguyªn lý hình thμnh vμ ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu ƒ Nguyªn lý hình thμnh c¬ cÊu: “BÊt cø c¬ cÊu nμo còng ®Òu cã thÓ hình thμnh b»ng c¸ch nèi lÇn l−ît c¸c nhãm chuçi cã bËc tù do b»ng 0 víi (c¸c) kh©u dÉn vμ gi¸” 3 B A C 3 1 1 1 4 2 5 6E DO 2 5 4 6 2 4 3 (a) (b) 21 5 6 (c) 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. ƒ Nhóm tĩnh định Nhãm cã W = 0 vμ kh«ng thÓ t¸ch thμnh c¸c nhãm cã W = 0 nhá h¬n gäi lμ nhãm tÜnh ®Þnh 3 2 0 2 3t tW n p p n= − = ⇔ = n ph¶i lμ béi sè cña 2 vμ p lμ béi sè cña 3 t Lo¹i cña nhãm tÜnh ®Þnh ®−îc x¸c ®Þnh theo lo¹i cao nhÊt cña ®a gi¸c khÐp kÝn cã trong nhãm ®ã 2210/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. Loại nhóm tĩnh định 1 2 4 F BA C A F 1 4 2 C 21 B 21 B 3 D E EB D 3 A C CA Loại III A F 4 2 C1 2 1 3 B C D A 1 B 2 1 2 BLoại II Loại IV B 3 E D 4F EA C A C 2310/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. ƒ Thay thÕ khíp cao b»ng khíp thÊp ƒ ĐiÒu kiÖn 1: Sè BTD cña c¬ cÊu tr−íc vμ sau khi thay kh«ng ®æi. Ӄ ĐiÒu kiÖn 2: Chuy n ®éng t−¬ng ®èi (tøc thêi) tr−íc vμ sau khi thay kh«ng ®æi. Ví dụ: C II O I II C N A 3 B C A N N 1 2 3 1 2O A 1 2 3 B II I B 1 2 I 24 A N 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. ƒ Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu Thực hiện theo các bước sau: ƒ Lo¹i bá c¸c rμng buéc thõa vμ BTD thõa nÕu c㠃 Thay khíp lo¹i cao thμnh chuçi ®éng gåm 1 kh©u vμ 2 khíp thÊp ƒ TÝnh BTD cña c¬ cÊu ®Ó x¸c ®Þnh sè kh©u dÉn ƒ Chän kh©u dÉn hoÆc gi¸ sao cho c¬ cÊu cã h¹ng bÐ nhÊt ƒ T¸ch khái c¬ cÊu c¸c nhãm tÜnh ®Þnh víi chó ý lo¹i cña nhãm tÜnh ®Þnh lμ nhá nhÊt cã thÓ. ViÖc t¸ch nhãm tiÕp 25 tôc cho ®Õn khi cßn l¹i (c¸c) kh©u dÉn víi gi¸ 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. ƒ Ví dụ: XÐt c¬ cÊu cã l−îc ®å: C OA B D F G 2610/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. C B 5 6 7 A D F O G 1 2 3 4 8 E B−í 1 L i bá ¸ μ b é thõ μ BTD thõc : o¹ c c r ng u c a v a. B−íc 2: Thay khíp lo¹i cao thμnh chuçi ®éng gåm mét kh©u vμ 2 khíp thÊp 27 10/01/2011 I Ph©n tÝch cÊu tróc c¬ cÊu. B−íc 3: TÝnh BTD cña c¬ cÊu 3 2 3 8 2 11 2W n p= − = × − × = B−íc 4: Chän kh©u dÉn: Chän kh©u 1 vμ kh©u 2 lμm kh©u dÉn. B−íc 5: T¸ch khái c¬ cÊu c¸c nhãm tÜnh ®Þnh t C 6 7 A B G D F O1 5 824 E 3 II(7,8) I(0 1) II(6 5) Ta thu được cấu trúc của ấ 28 , , II(4,3) I(2,0) → → cơ c u có dạng như sau: 10/01/2011