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

n cân bằng cần đặt lên khâu dẫn để cân bằng các ngoại lực khác tác dụng lên cơ cấu. 10/01/2011 2 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.1. Mục đích, nội dung và phương pháp „ Phương pháp: „ Phương pháp đồ giải, h há iải í h„ P ương p p g t c . Chú ý: „ Ngoại lực đặt lên các khâu, các tham số động học, các tham số quán tính và quy luật chuyển động của cơ cấu xem như đã biết. „ Bỏ qua lực quán tính khi vận tốc thấp hay khối lượng khâu nhỏ . Nguyên lý Đalambe: Nế ngoài những lực tác động lên một cơu hệ, ta thêm vào đó lực quán tính và coi chúng như những ngoại lực thì cơ hệ được coi ở trạng thái cân bằng. dù h há tĩ h h để iải bài t á 10/01/2011 3 ⇒ ng p ương p p n ọc g o n 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.2. Các loại lực tác dụng lên cơ cấu „ Ngoại lực „ Lực cản kỹ thuật: Lực từ đối tượng công nghệ và lực cản do ma sát môi trường, „ Trọng lượng của các khâu, „ Lực phát động, „ Lực quán tính „ Xuất hiện khi các khâu chuyển động có gia tốc, „ Lực quán tính gây nên áp lực động phụ và lực ma sát phụ, „ Nội lực „ Nội lực là phản lực trong các khớp động, 10/01/2011 4 „ Gồm 2 thành phần: ⊥ và ⁄ ⁄ với phương chuyển động tương đối 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.3. Cách xác định lực quán tính „ Khâu chuyển động tính tiến B uuurr r Ba P C Do 0 0qtMε = → =r Khâu chỉ có lực quán tính đi qua trọng tâm S:qt Ca a S qt sP ma= − uur r A S a 10/01/2011 5 A 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.3. Cách xác định lực quán tính „ Khâu quay quanh trục cố định đi qua trọng tâm Khi khâ đề S a. u quay u 0 0Sa P ma= → = − = uurr rr r Mqt ε qt s b. Khi khâu quay không đều 0 0S qt sa P ma= → = − = uurr rr r 10/01/2011 6 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.3. Cách xác định lực quán tính „ Khâu quay quanh trục không đi qua trọng tâm Khi khâ đềS qtP a. u quay u n n S S Sa a P ma ma= → = − = − uurr r r rO ω = const Sa qt s b. Khi khâu quay không đều 4 2 4 2 n t S S S AS qt s AS a a a l P ma ml ω ε ω ε = + = + → = − = − + r r r uur r 10/01/2011 7 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.3. Cách xác định lực quán tính „ Khâu chuyển động song phẳng π a Sa aSA A Ba s a 0s qt sa P ma≠ → = − uurrr rSBa b Pqt Mqt εA B S 10/01/2011 8 ω Sa 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động „ Điều kiện tĩnh định: Để giải bài toán áp lực khớp động thì số phương trình cân bằng lực phải bằng số ẩn chứa t h t ì h đórong p ương r n . „ Xét 1 chuỗi động n khâu và pk khớp loại k „ Số phương trình lập được 6n phương trình, „ Số ẩn chứa trong chuỗi động phụ thuộc vào số lượng và loại khớp động, khớp loại k chứa k ẩn, „ Theo điều kiện tĩnh định ta có: ối ới ấ hẳ 5 5 1 1 6 . 6 . 0k k k k n k p hay n k p = = = − =∑ ∑ 10/01/2011 9 Đ v cơ c u p ng 5 43 2. 0n p p− − = 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động „ Số ẩn cần xác định của các loại khớp động Khớp loại 1 Khớp loại 2 Khớp loại 3 10/01/2011 10 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động „ Số ẩn cần xác định của các loại khớp động Khớp loại 4 Khớp loại 5 10/01/2011 11 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động „ Số ẩn cần xác định của các loại khớp động Khớ l i 4 ( hẳ ) Khớ l i 5 ( hẳ )p oạ p ng p oạ p ng 10/01/2011 12 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.5. Phân tích lực cơ cấu „ Các bước phân tích lực „ Xác định lực quán tính và đặt các ngoại lực tác dụng lên cơ cấu, á đị h khâ dẫ„ X c n u n, „ Tách cơ cấu thành các nhóm tĩnh định (nếu có khớp cao thì thay bằng khớp thấp tương đương), „ Bắt đầu tính lực đối với nhóm tĩnh định xa khâu dẫn nhất cho đến khâu dẫn. 10/01/2011 13 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.5. Phân tích lực cơ cấu „ Xác định áp lực khớp động „ Tách các nhóm tĩnh định ra khỏi cơ cấu. Các ngoại lực lúc này gồm có: lực cản kỹ thuật trọng lực các khâu lực quán tính và, , các áp lực khớp chờ, „ Tách các khâu trong nhóm tĩnh định, đặt các áp lực khớp động và các ngoại lực lên khâu, „ Viết phương trình cân bằng lực cho từng khâu, „ Giải các phương trình viết cho các khâu thuộc 1 nhóm tĩnh đị h Giải h á hó ở khâ dẫ ớn . c o c c n m xa u n trư c. Chú ý: Với cơ cấu phẳng, 1 khâu có thể viết được 3 phương trình: 0; 0; 0F F M= = =∑ ∑ ∑r r 10/01/2011 14 0x y z 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.5. Phân tích lực cơ cấu „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Xét cơ cấu tay quay - con trượt như hình vẽ (a). Giả sử đã xác định được các lực và các mômen là những ngoại lực bao gồm lực cản kỹ thuật, lực quán tính, trọng lượng các khâu. Xác định các áp lực ở các khớp A, B, O? A 1 2 2M P M 3 O 3 2 3P 4 B 10/01/2011 15 (a) 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Tách nhóm tĩnh định 2-3 ra khỏi cơ cấu như hình (b) MA R12 chưa biết phương nên ta phân tích thành 2 thành phần như hình vẽ Viết lại phương 3 M 32 2 2P 12R n R12t R12 . trình cân bằng lực: 2 3 12 12 43 0 n tP P R R R+ + + + = rr r r r r P B 3 t t R43(b) Cá á l R à R t ở thà h hữ i lc p ực 12 v 43 r n n ng ngoạ ực. Ta có phương trình cân bằng lực cho nhóm 2-3: 0P P R R+ + + = rr r r r 10/01/2011 16 2 3 12 43 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Tính Viết phương trình cân bằng mômen cho khâu 2 đối với B: 12 tR r ( ) 12 2 2 2 2 2 2 12 0tB AB t AB M R l P h M M PhR l ∑ = + − = −→ = R R t 12 n 12 2M 2 2h 12R P2 BNếu kết quả >0 thì chiều đúng với chiều giả thiết 32R (c) 10/01/2011 17 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Tính các lực còn lại Xếp lại phương trình cân bằng lực nhóm 2-3 và biều diễn bằng các ể ễđoạn bi u di n: 12 2 3 43 12 0 0 t nR P P R R b b d d + + + + = + + + + rr r r r r uur uur uur uur uur r tR12 12R P2 n 12 A R 2 2M 3M 3a c c e ea = Giải phương trình trên bằng phương pháp họa đồ, ta có: eAB tt R n12 t 3 B P 43R t R d uurr 43R 23R 12R c P2 R t12 b a43 12 12 . . . P n P P e R ea eb ea ab R eb μ μ μ = = = + → = uurr uur uur uur uurr 10/01/2011 18 P d 3 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Xác định vị trí đặt lực R43 Giả sử điểm đặt lực R43 cách B một khoảng x. Viết phương trình cân ằ ểb ng mômen của khâu 3 với đi m B: 43 3 3 3 3 3 3 0xR h P M M h Px − − = +→ = 43R M 3 3 2h23 R B P3 43R x 10/01/2011 19 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. „ Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt Xác lực R32 = -R23 Viết phương trình cân bằng lực cho khâu 2: 12 2 32 0R P R+ + = rr r r R R R t 12 P2 n 12 2M 2 2hTừ họa đồ lực ở bước trước, ta có: a e 12 nR AB tt 12 B 32R 32 .PR ceμ= uurr b c 2 P 12 tR12R R23R43 10/01/2011 20 d P3 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.6. Tính lực cân bằng „ Phương pháp phân tích áp lực „ Với phương pháp này cần giải bải toán phân tích áp lực khớp động như ở phần trước, „ Tính áp lực khớp động ở khớp nối với khâu dẫn „ Đặt vào khâu dẫn mômen hoặc lực cân bằng „ Viết phương trình cân bằng mômen hoặc lực đối với khâu dẫn để xác định mômen hoặc lực cân bằng. 10/01/2011 21 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.6. Tính lực cân bằng „ Phương pháp phân tích áp lực „ VD: Tính lực cân bằng đặt trên khâu dẫn của cơ cấu tay quay – con trượt 21R Đặt các lực và mô men cân bằng lên khâu dẫn như hình vẽ. Viết phương trình cân bằng mô men đối h21 B cbM với điểm A, ta có: 1 1 1 21 21 0cbM M Ph R h+ + − = A l 1P h1 PcbM1 21 21 1 1 1 / cb cb cb M R h M Ph P M l → = − − → = 10/01/2011 22 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.6. Tính lực cân bằng „ Phương pháp công suất Tính trực tiếp lực cân bằng từ ngoại lực và lực quán tính mà không cần tính áp lực khớp động. Nguyên lý di chuyển khả dĩ: Trong một hệ lực cân bằng, tổng công suất tức thời của tất cả các lực bằng 0 trong mọi di chuyển khả dĩ. 0 0 i iP M N N hay P v M ω + = + = ∑ ∑ ∑ ∑ r r r r rr Trong đó: vi là vận tốc các điểm đặt lực Pi ωi là vận tốc góc khâu i có mômenMi bao gồm cảMcb . .i i i i 10/01/2011 23 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU. 3.6. Tính lực cân bằng „ Phương pháp công suất VD: Cho cơ cấu culit như hình vẽ. Giả thiết kích thước hình học của ωA 1 2 B các khâu đã biết, S3B=S3C, S2 trùng với B. Khối lượng khâu dẫn 1 coi như không đáng kể 4 1 3 2S P2M, khối lượng và mômen quán tính của khâu 2 và 3 lần lượt là m2, JS2 và m3, JS3 .P2 và P3 là trọng S 3 3 30° lượng của khâu 2 và khâu 3. Xác định mômen cân bằng đặt trên khâu dẫn bằng phương pháp ấ C = 4 2 ω ω3 3P 10/01/2011 24 công su t.