Bài giảng Nguyên lý máy - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu - Phạm Minh Hải

NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 0 Bài giảng Nguyên lý máy TS. Phạm Minh Hải Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot Email: hai.phamminh1@hust.edu.vn Google Site: tsphamminhhaibkhn NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 1 • Mục tiêu: Phân tích và tổng hợp cơ cấu về mặt cấu trúc động học • Những khái niệm cần nắm được: – CTM, khâu, khớp, chuỗi động, cơ cấu – Bậc tự do của cơ cấu – Nguyên lý hình thành cơ cấu, nhóm tĩnh định • Những vấn đề mấu chốt: – Lập được lược đồ động học của một cơ cấu cho trước – Xác định số bậc tự do của một cơ cấu cho trước – Lập/lựa chọn cấu trúc cơ cấu khi cho trước một số đặc điểm về chuyển động của khâu bị dẫn Bài 1 Cấu trúc động học của cơ cấu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 2 Nội dung  Các khái niệm cơ bản Bậc tự do của cơ cấu Cấu trúc cơ cấu – Nguyên lý hình thành cơ cấu Một số loại cơ cấu điển hình NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 3 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.1 Khâu • Khâu: Bộ phận có chuyển động tương đối với bộ phận khác trong máy Các bộ phận có chuyển động tương đối đối với nhau: 1. Thân động cơ 2. Trục khuỷu - c/đ quay so với khâu (1) 3. Thanh truyền – c/đ song phẳng 4. Piston – c/đ tịnh tiến 5. Van (2x) - c/đ tịnh tiến 6. Cam (2x) - c/đ quay Mô hình động cơ đốt trong Có 6 khâu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 4 • Mỗi khâu là một CTM hoặc do nhiều CTM ghép cứng lại với nhau Khâu (3): nhiều chi tiết ghép lại Khâu (2): 1 chi tiết 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.2 Chi tiết máy NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 5 Ví dụ về cấu tạo củacụm piston-thanh truyền (động cơ đốt trong) 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.2 Chi tiết máy A, B, C: vòng xéc măng; D: thân pít-tông; E, F: vít kẹp đầu nhỏ; G, J, K: vít kẹp đầu to; H: 2 nửa đầu to; L: bạc lót ổ trục đầu to. NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 6 – Các chi tiết máy/bộ phận máy liên kết với nhau tạo thành máy. – Trên 1 khâu, các chi tiết máy được liên kết cố định với nhau – Trong một cơ cấu, các khâu được liên kết động (nối động) với nhau 6 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.3. Cấu tạo của máy Nối động là gì? Có những loại nối động nào? NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 7  Hai khâu để rời trong không gian có 6 khả năng chuyển động tương đối độc lập, gọi là 6 bậc tự do  Hai khâu để rời trong chuyển động phẳng có 3 BTD tương đối y x O A B 1 2 xA yA  1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động a) Nối động: NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 8 a) Nối động: • Một phép nối động được thực hiện bằng cách cho 2 khâu tiếp xúc với nhau theo một quy cách nhất định, nhằm hạn chế bớt số BTD tương đối. 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động Ví dụ: NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 9 b) Khớp động là tập hợp các thành phần khớp động trong một phép nối động. Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành phần khớp động. Mặt cầu – mặt phẳng Mặt trụ (tròn xoay) – mặt phẳng Mặt phẳng – mặt phẳng Mặt cầu – mặt cầu 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 10 • Theo tính chất tiếp xúc – Khớp (loại) cao: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo điểm / đường – Khớp (loại) thấp: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo mặt • Theo số BTD tương đối bị hạn chế (số ràng buộc) Khớp loại i hạn chế i BTD; i=1,2,3,4,5 c) Phân loại khớp động: Ví dụ: 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động Cao, loại 1 Cao, loại 2 Thấp, loại 3 NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 11 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động c) Phân loại khớp động (tiếp): Thấp, loại 5 Thấp, loại 4 Thấp, loại 3 Thấp, loại 4 Thấp, loại 5 Thấp, loại 5 NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 12 Nhận xét: các khâu (gồm các chi tiết máy) có hình dáng phức tạp với nhiều kích thước. Để nghiên cứu về chuyển động, ta có thể biểu diễn cơ cấu như thế nào cho thuận tiện?  Lược đồ cơ cấu 12 NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 13 Ví dụ về lược đồ khớp động: 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 14 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu Ví dụ về lược đồ khớp động (tiếp): NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 15 • Lược đồ khâu: Biểu diễn các thành phần khớp động trên khâu và vị trí tương quan giữa chúng (kích thước động) Khâu thanh truyền Lược đồ khâu 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 16 • Chuỗi động/Cơ cấu: tập hợp các khâu nối với nhau bằng các khớp động 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu Chuỗi động 4 khâu, 4 khớp bản lề Chọn làm hệ quy chiếu và gọi là GIÁ Cơ cấu Cơ cấu = GIÁ + các khâu động NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 17 Phân loại cơ cấu theo tính chất chuyển động: • Cơ cấu cấu phẳng: Các khâu chuyển động trong cùng một mặt phẳng hoặc những mặt phẳng song song với nhau. • Cơ cấu cấu không gian: Các khâu chuyển động trên những mặt phẳng không song song với nhau. 1.1 Các khái niệm cơ bản 1.1.6 Phân loại chuỗi động - cơ cấu Phân loại chuỗi động: • Chuỗi kín: mỗi khâu được nối động với ít nhất 2 khâu khác • Chuỗi hở: có khâu chỉ nối động với 1 khâu khác • Chuỗi hỗn hợp: gồm các chuỗi kín và chuỗi hở kết hợp lại NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 18 Số khâu, số khớp, loại khớp của một cơ cấu tuân theo quy tắc nào? Mô hình động cơ đốt trong Cơ cấu 4 khâu 4 khớp: thân máy, trục khuỷu, thanh truyền, pít-tông Cơ cấu 3 khâu 3 khớp: thân máy, trục cam, van su-páp Nhận xét: Một máy có thể gồm nhiều hơn 1 cơ cấu thành phần NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 19 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.1 Công thức cho cơ cấu phẳng Xét cơ cấu phẳng có: • n khâu động và giá • T khớp loại thấp và C khớp loại cao Tổng số BTD (so với Giá) của n khâu động khi tách rời là: Wo =3n - Wth Tổng số BTD mất đi do T khớp thấp và C khớp cao tạo ra là: R = 2T + C – Rtr – Rth Số BTD của cơ cấu: W = Wo – R = 3n – (2T + C – Rtr – Rth) - Wth Wth : số BTD thừa Rtr: Số ràng buộc trùng Rth: Số ràng buộc thừa Ví dụ NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 20 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.2 Ví dụ (cơ cấu phẳng) W = 3n – (2T + C) = 3.3 – (2.4 + 0) = 1 W = 3n – (2T + C) = 3.4 – (2.5 + 0) = 2 Wth = 0 Rtr = 0 Rth = 0 Ví dụ 1 NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 21 Thực tế chuyển động quay của con lăn không ảnh hưởng tới quy luật chuyển động của cần lắc -> có 1 BTD thừa, Wth = 1 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.2 Ví dụ Xét cơ cấu cam quay cần lắc đáy con lăn W = 3n – (2T + C) - Wth = 3.3 – (2.3 + 1) -1 = 1 Rtr = 0 Rth = 0 Ví dụ về bậc tự do thừa NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 22 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.2 Ví dụ W = 3n – (2T + C - Rtr) = 3.2 – (2.3 + 0 - 1) = 1 Wth = 0 Rth = 0 Rtr = 1 Ràng buộc trùng Mô phỏng chuyển động NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 23 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.2 Ví dụ W = 3n – (2T + C - Rth) = 3.4 – (2.6 + 0 - 1) = 1 Wth = 0 Rtr = 0 Rth = 1 E A B C D F Ràng buộc thừa NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 24 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.3 Ý nghĩa BTD của cơ cấu – Khâu dẫn – Khâu bị dẫn • Số BTD = Số thông số vị trí độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu • Số BTD = Số quy luật chuyển động cần cho trước để xác định hoàn toàn quy luật chuyển động của cơ cấu 1 BTD 2 BTD NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 25 1.2 Bậc tự do của cơ cấu 1.2.3 Ý nghĩa BTD của cơ cấu – Khâu dẫn – Khâu bị dẫn • Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn (nối giá bằng khớp bản lề). Các khâu còn lại gọi là các khâu bị dẫn • Khâu phát động là khâu trên đó đặt lực phát động. Mô hình động cơ đốt trong Cơ cấu được hình thành như thế nào? NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 26  Cơ cấu 4 khâu bản lề có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 1 nhóm (2 khâu, 3 khớp) 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (Atxua) – nguyên tắc hình thành cơ cấu  Cơ cấu 5 khâu bản lề có 2 BTD = 2 khâu dẫn + 1 nhóm (2 khâu, 3 khớp) NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 27  Cơ cấu 6 khâu có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 2 nhóm (2 khâu, 3 khớp) 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc hình thành cơ cấu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 28 → Nguyên tắc hình thành cơ cấu: số BTD 0 0 0     ...W W Số khâu dẫn Các nhóm khâu động có BTD = 0 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc hình thành cơ cấu Các nhóm có BTD = 0 được gọi là nhóm tĩnh định 𝑊 = 3𝑛 − 2𝑇 = 0 ( phẳng toàn khớp thấp) NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 29 Nhóm tĩnh định chưa tối giản Nhóm tĩnh định tối giản –> Nhóm A-xua (Át-xua) 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc hình thành cơ cấu Khâu dẫn Nhóm tĩnh định tối giản (A- xua) là nhóm không thể tách thành các nhóm tĩnh định nhỏ hơn (ít khâu, ít khớp hơn) NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 30 Khớp trong Khớp chờ Hạng 2 Các loại nhóm A-xua 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu Hạng 3 Đa giác khớp trong có 3 đỉnh NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 31 Hạng 4 Đa giác khớp trong có 4 đỉnh Hạng 5 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu Các loại nhóm A-xua NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 32 • Các loại cơ cấu: – Cơ cấu hạng I: là cơ cấu có một khâu động, nối với giá bằng khớp bản lề – Cơ cấu có số khâu động lớn hơn 1: Tổ hợp của một hay một số cơ cấu hạng I với một hay một số nhóm A-xua • Nếu chỉ có một nhóm A-xua thì hạng của cơ cấu là hạng của nhóm này • Nếu có nhiều nhóm A-xua thì hạng của cơ cấu là hạng của nhóm có hạng cao nhất 1.3 Cấu trúc cơ cấu 1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 33 1.4 Xếp loại cơ cấu phẳng có khớp cao 1 khớp cao = 1 khâu + 2 khớp thấp Chú ý: phép thay thế này chỉ áp đúng “tức thời” Dùng phép thay thế khớp cao bằng khớp thấp tương đương NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 34 1.5 Cơ cấu 4 khâu phẳng 1. Bốn khâu bản lề 2. Tay quay con trượt chính tâm 3. Tay quay con trượt lệch tâm 4. Cu-lít chính tâm 5. Cu-lít lệch tâm 6. Cu-lít đảo 7. Tang 8. Sin 9. Man 10.Ôn-đam (Oldham) NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 35 • Vẽ lược đồ động của cơ cấu khung xe Giá (khung) Giá (khung xe) 1.6 Bài tập ví dụ NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 36 Hết bài 1