Bài giảng Nguyên lý máy - Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng - Phạm Minh Hải

1Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 0 Bài giảng Nguyên lý máy TS. PhạmMinh Hải Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot Email: hai.phamminh1@hust.edu.vn Google site : tsphamminhhaibkhn Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 1 Bài 3 Phân tích lực cơ cấu phẳng Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 2 Mục tiêu và ý nghĩa 2 Cơ cấu / máyTải trọng Phân tích lực cơ cấu Tải trọng tác dụng lên từng khâu, khớp Lực dẫn động cần thiết trên khâu dẫn (g/t khâu phát động) - Thiết kế kết cấu của các chi tiết máy ghép thành từng khâu - Thiết kế kết cấu và chọn thông số bôi trơn cho các khớp động - Đánh giá về hiệu suất truyền động của cơ cấu - Chọn động cơ dẫn động phù hợp - Tính toán cơ cấu truyền động từ động cơ đến khâu dẫn (hộp tốc độ, hộp giảm tốc) Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 3 Nội dung 3
Các lực tác dụng trên cơ cấu
Phân tích áp lực khớp động /Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn 2Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 4 a) Ngoại lực: – Lực cản kỹ thuật FC do đối tượng công nghệ tác dụng lên bộ phận công tác – Trọng lượng G của các khâu chuyển động – Lực phát độngMđ / Fđ từ động cơ đặt lên khâu phát động Máy bào ngang 3.1 Các loại lực trên cơ cấu Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 5 b) Lực quán tính – Tồn tại ở những khâu chuyển động có gia tốc – Trong trường hợp tổng quát khâu chuyển động song phẳng có: • Khối lượng khâumi • Vị trí trọng tâm Si • Mô men quán tính đối với trọng tâm Jsi • Gia tốc góc
 • Gia tốc trọng tâm  iqi i S P m a= −

iqi S i M J ε= −

và 3.1 Các loại lực trên cơ cấu Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 6 c) Nội lực: Lực tác động tương hỗ giữa các khâu trong cơ cấu Nij: áp lực (khớp động) từ khâu i tác động lên khâu j Fmsij: Lực ma sát từ khâu i tác động lên khâu j Vji: vận tốc tương đối của khâu j đối với khâu i ij ij msijR N F= +


ij ijR N≈

ij jiR R= −

3.1 Các loại lực trên cơ cấu
Phản lực khớp động
Khi bỏ qua ma-sát trong khớp động
Tác dụng tương hỗ Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 7 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Các dữ liệu cho trước – Kích thước động và vị trí khâu dẫn – Vận tốc, gia tốc – Các thông số cấu tạo các khâu • Trọng tâm Si • Khối lượng mi • Mô men quán tính đối với trọng tâm JSi – Lực cản kỹ thuật • Kết quả – Phản lực (áp lực) tại các khớp động – Lực (mô-men) cân bằng trên khâu dẫn • Phương pháp: nguyên lý Đa-lăm-be (d'Alembert) {Lực quán tính, ngoại lực} = hệ lực cân bằng 3Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 8 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ẩn số trong bài tính phân tích áp lực khớp động: Trị số và phương? Trị số và điểm đặt? Trị số? Khớp thấp: 2 ẩn số Khớp cao: 1 ẩn số Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 9 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Nguyên tắc: Tách rời các khâu, khi đó nội lực của cơ cấu trở thành ngoại lực đối với từng khâu • Phương pháp: – Giải tích – Họa đồ vec tơ (vẽ) Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 10 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích A B C D ϕ1 ϕ2 ϕ3 l1 l2 l3 l4 ω1 A S1 P1 B R41y R41x -R12y -R12x M1 Mcb1 Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y) B CS2 P2 R12y R12x -R23y -R23xM2 Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R12x,R12y,R23x,R23y) D S3 P3 R23y R23x M3 R43y R43x Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R23x,R23y, R43x,R43y) C Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 11 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích A S1 P1 B R41y R41x -R12y -R12x M1 Mcb1 Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y) B C S2 P2 R12y R12x -R23y -R23xM2 Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R12x,R12y,R23x,R23y) Nhận xét: - Khi xét riêng từng khâu độc lập→ số pt ≠ số ẩn số - 2 cách có thể tiến hành: i. Xét chung nhóm khâu 2 và 3 (6 ẩn số) và xét riêng khâu 1 (3 ẩn số, các ẩn số ở khớp B đã tìm được) ii. Xét đồng thời cả 3 khâu (9 ẩn số) D S3 P3 R23y R23x M3 R43y R43x Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R23x,R23y, R43x,R43y) C 4Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 12 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích  −  +  = 0 (1a)  −  ×  +  ×  − = 0 (1b) Cân bằng lực khâu 1 A S1 P1 B R41y R41x -R12y -R12x M1 Mcb1 Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y) Trong đó:  =  Chiếu p/t (1a) lên các trục Ox, Oy và p/t (1b) lên trục Oz trong hệ tọa độ toàn cục, ta được hệ p/t đại số sau:  −   +  = 0 (1.1)  −   +  = 0 (1.2)  −   −   + ( − ) −  = 0 (1.3) Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 13 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực-mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích  −   +  = 0  −  ×   +  ×  = 0 Cân bằng lực khâu 2 B C S2 P2 R12y R12x -R23y -R23xM2 Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R12x,R12y,R23x,R23y) Làm tương tự như với khâu 1, ta được hệ phương trình đại số sau:   −   +   = 0 (2.1)   −   +   = 0 (2.2)  −    −   + (   −   ) = 0 (2.3) Với  =  Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 14 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích   +  +  = 0  +  ×   +  ×  = 0 Cân bằng lực khâu 3 D S3 P3 R23y R23x M3 R43y R43x Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm (R23x,R23y, R43x,R43y) C Làm tương tự như với khâu 1, ta được hệ phương trình đại số sau:   +  +  = 0 (3.1)   +  +  = 0 (3.2)  +    −   + ( − ) = 0 (3.3) Với  =  Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 15 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích   +  +  = 0 (3.1)   +  +  = 0 (3.2)  +    −   + ( − ) = 0 (3.3)  −   +  = 0 (1.1)  −   +  = 0 (1.2)  −   −   + ( − ) −  = 0 (1.3)   −   +   = 0 (2.1)   −   +   = 0 (2.2)  −    −   + (   −   ) = 0 (2.3) NHÓM TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số) 5Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 16 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn
Điều kiện TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số) khi giải bài toán phân tích áp lực khớp động • Xét ĐỒNG THỜI sự cân bằng lực của các khâu trong 1 nhóm gồm có: n khâu, T khớp thấp và C khớp cao • Số PT cân bằng lực: 3n • Số ẩn số: 2T+C ( Khớp thấp: 2 ẩn, Khớp cao: 1 ẩn) Điều kiện TĨNH ĐỊNH: 3n = 2T + C Nhận xét: tương đồng với công thức tính số bậc tự do của NHÓM TĨNH ĐỊNH khi phân tích cấu trúc cơ cấu. Trình tự giải bài tính phân tích áp lực khớp động: i. Xét các NHÓM TĨNH ĐỊNH, nhóm ở xa khâu dẫn xet trước. ii. Xét (các) khâu dẫn Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 17 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - phương pháp Họa đồ véc tơ Bài 1 Cho cơ cấu 4kbl như hình dưới đây, với lAB = lBC /4 = lCD /4 = 0,1 (m) BC nằm ngang :ϕ1=900, ϕ3=450, P3=100N, α3=900, AM=MC. Tính áp lực khớp động. Bài 2 Cho cơ cấu tqct như hỡnh dưới đây, với: lBC = 2lAB = 0,2 (m) , lCD = 0,05 (m), ϕ1=900, P3=100N. Tính áp lực khớp động. Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 18 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men cân bằng trên khâu dẫn
Xác định lực cân bằng trên khâu dẫn bằng công suất • Nguyên lý di chuyển khả dĩ – Vớimột hệ lực cân bằng, tổng công của tất cả các lực bằng không trong mọi di chuyển khả dĩ – Xét một hệ lực cân bằng gồm: ngoại lực, lực quán tính và mô-men cân bằng trên khâu dẫn 1 1 1 [ ] . 0 n i i i i CB i Pv M Mω ω = + + =∑





11 1 [ ] n CB i i i i i M Pv M ω ω = → = − +∑



MCB >0, mô-men cân bằng cùng chiều ω1 MCB >0, mô-men cân bằng ngược chiều ω1 0ii iiP Mδ ϕ+ =∑ ∑ 

Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 19 Hết bài 3 Tham khảo thêm: Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân Lạc, Trần Doãn Tiến Google site: tsphamminhhaibkhn