Giáo trình: môn học nguyên lý máy

Tài liệu học tập Giáo trình môn học nguyên lý máy với nội dung cập nhật, phương pháp trình bày khoa học trong chuyên ngành cho chuyên gia chuyên ngành

• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Nguyên Lý Máy
• Đề tài: Cấu Tạo Cơ Cấu
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm Cơ Bản Về Môn Học Nguyên Lý Máy

Môn học nguyên lý máy là một trong những môn học quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư cơ khí. Môn học này tập trung vào nghiên cứu cấu tạo cơ cấu và nguyên lý hoạt động của các máy móc công nghiệp. Giáo trình môn học nguyên lý máy được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết vững chắc, giúp sinh viên hiểu rõ về các thành phần cơ bản của máy, cách các khâu liên kết với nhau, và cách chúng tạo ra các chuyển động có qui luật. Chỉ tiết máy là những bộ phận không thể tách rời của máy, trong khi khâu là các bộ phận có chuyển động tương đối so với nhau. Việc nắm vững các khái niệm này là bước đầu tiên để hiểu sâu về cơ học máy.

1.1. Định Nghĩa Chỉ Tiết Máy Và Khâu

Chỉ tiết máy là bộ phận của máy mà không thể tách rời, tạo thành những hệ thống nhất định. Khâu trong cơ cấu máy là toàn bộ các bộ phận có chuyển động tương đối so với các bộ phận khác. Các khâu được nối kết với nhau thông qua khớp động để tạo thành chuỗi hoạt động liên tiếp, giúp máy thực hiện các chức năng cụ thể theo qui luật đã định.

1.2. Bậc Tự Do Của Khâu

Bậc tự do của khâu là số lượng khả năng chuyển động độc lập của nó. Trong mặt phẳng, hai khâu có 3 bậc tự do (Tx, Ty, Òz). Trong không gian, hai khâu có 6 bậc tự do (Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz). Việc hiểu rõ bậc tự do giúp xác định tính chất chuyển động của các bộ phận máy và dự đoán hành vi của cơ cấu.

II. Phân Loại Khớp Động Và Chuỗi Động

Khớp động là nơi liên kết giữa hai khâu, cho phép chúng có chuyển động tương đối. Trong giáo trình nguyên lý máy, khớp động được phân loại theo hai tiêu chí chính. Thứ nhất là theo số bậc tự do bị hạn chế, với khớp loại k hạn chế k bậc tự do. Thứ hai là theo đặc điểm tiếp xúc, gồm khớp cao (tiếp xúc tại điểm hay đường) và khớp thấp (tiếp xúc trên mặt). Việc hiểu rõ các loại khớp động là nền tảng để phân tích cơ cấu máy. Chuỗi động được hình thành khi nhiều khâu nối với nhau, tạo ra các chuỗi kín, chuỗi hở, chuỗi phẳng hoặc chuỗi không gian. Những chuỗi này quyết định hành vi chuyển động của toàn bộ cơ cấu.

2.1. Phân Loại Khớp Động Theo Bậc Tự Do

Khớp loại k hạn chế k bậc tự do, có ràng buộc lực k. Khớp loại 4 hạn chế 4 bậc tự do, còn khớp loại 5 hạn chế 5 bậc tự do. Mỗi loại khớp có đặc tính riêng biệt, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất hoạt động của cơ cấu. Trong cơ cấu phẳng, khớp loại 4 chứa 1 ràng buộc, khớp loại 5 chứa 2 ràng buộc.

2.2. Chuỗi Động Và Cơ Cấu

Chuỗi động được hình thành khi nhiều khâu nối với nhau. Cơ cấu là chuỗi động có một khâu cố định gọi là giá, với chuyển động theo qui luật xác định. Chuỗi kín không có đầu cuối, trong khi chuỗi hở có các đầu tự do. Sự phân loại này giúp xác định tính chất hoạt động và khả năng điều khiển của máy.

III. Công Thức Tính Bậc Tự Do Cơ Cấu Không Gian

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu. Công thức tính bậc tự do trong cơ cấu không gian là: W = 6n - (Σkpₖ - R₀). Trong đó, W₀ = 6n là bậc tự do tổng cộng của n khâu động, Σkpₖ là tổng số ràng buộc do tất cả khớp gây nên, và R₀ là số ràng buộc trùng. Ràng buộc trùng chỉ xảy ra ở khớp đóng kín của cơ cấu. Công thức này cho phép kỹ sư dự đoán và kiểm soát chuyển động của máy một cách chính xác. Ví dụ, cơ cấu 4 khâu bản lề có bậc tự do W = 1, điều này có nghĩa là với một chuyển động đầu vào, toàn bộ cơ cấu sẽ chuyển động theo qui luật xác định.

3.1. Định Nghĩa Bậc Tự Do Cơ Cấu

Bậc tự do là số khả năng chuyển động tương đối độc lập của cơ cấu. Nó đại diện cho số tín hiệu đầu vào độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu. Một khâu để tự do trong không gian có 6 bậc tự do. Do đó, n khâu động sẽ có tổng bậc tự do là W₀ = 6n, trước khi tính đến ảnh hưởng của các khớp nối.

3.2. Ràng Buộc Trực Tiếp Gián Tiếp Và Trùng

Ràng buộc trực tiếp là ràng buộc giữa hai khâu do khớp nối trực tiếp. Ràng buộc gián tiếp xảy ra khi hai khâu có liên hệ thông qua khâu trung gian. Ràng buộc trùng là các ràng buộc dư thừa, chỉ xảy ra ở khớp đóng kín. Việc xác định chính xác các loại ràng buộc này là bước quan trọng trong tính toán bậc tự do.

IV. Bậc Tự Do Cơ Cấu Phẳng Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Cơ cấu phẳng là cơ cấu mà tất cả các chuyển động của khâu diễn ra trong các mặt phẳng song song. Trong mặt phẳng, một khâu chỉ có 3 bậc tự do (Tx, Ty, Òz), do đó tổng bậc tự do của n khâu động là W₀ = 3n. Công thức tính bậc tự do cơ cấu phẳng là: W = 3n - (p₄ + 2p₅ - R₀). Trong đó, p₄ là số khớp loại 4 (chứa 1 ràng buộc), p₅ là số khớp loại 5 (chứa 2 ràng buộc). Công thức này được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế cơ cấu 4 khâu bản lề, cơ cấu hình bình hành, và các máy công nghiệp khác. Việc tính toán chính xác bậc tự do giúp đảm bảo cơ cấu hoạt động ổn định và có hiệu suất cao.

4.1. Đặc Điểm Bậc Tự Do Cơ Cấu Phẳng

Cơ cấu phẳng có 3 bậc tự do cho mỗi khâu động, khác biệt so với cơ cấu không gian. Công thức tính: W = 3n - (p₄ + 2p₅ - R₀). Khớp loại 4 chứa 1 ràng buộc, khớp loại 5 chứa 2 ràng buộc. Công thức này cho phép xác định chính xác số lượng chuyển động độc lập cần thiết để điều khiển cơ cấu phẳng, đảm bảo máy hoạt động theo mục đích.

4.2. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Máy Công Nghiệp

Cơ cấu 4 khâu bản lề là ứng dụng điển hình với bậc tự do W = 1. Cơ cấu hình bình hành được sử dụng rộng rãi trong các máy công nghiệp. Tính toán bậc tự do giúp kỹ sư dự đoán chuyển động, tối ưu hóa thiết kế, và đảm bảo an toàn hoạt động của máy. Việc áp dụng công thức này là yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế cơ cấu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP.HCM TT CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ ale GIAO TRINH MON HOC NGUYEN LY MAY Nam 2008 BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP.HCM TT CONG NGHE CO KHi ule GIAO TRINH MON HOC NGUYEN LY MAY Se HL & Oo © €25) da» _ Ắ— n xá\ i! Nam 2008 Ai a CHUONG 1 CAU TAO CO CAU I. Khai niém cơ ban 1. Chỉ tiết máy và khâu - Chỉ tiết máy (iế: máy): là một bộ phập của máy mà không thể tách rời được, nữa. Máy thì gồm nhiều tiết hay bộ phận của máy lắp với nhau tạo thành một hệ thống nhất nào đó.

- — Khâu: trong cơ cấu và máy, toàn bộ những bộ phận có chuyển động tương đối so với bộ phận khác gọi là khâu. Thành phân khớp động và khớp động - Hậc tự do của khâu + Mét kha năng chuyén động độc lập đối với một hệ qui chiều một bậc tự do + Giữa hai khâu trong mặt phẳng ~> 3 bậc tự do: Tx, Ty, Òz + Giữa hai khâu trong không gian > 6 bac ty do: Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz Ts ee - — Nối động: để tạo thành cơ cầu, các khâu không thể rời nhau mà phải được liên kết với nhau theo một qui cách xác định nào đó, sao cho khi nối với nhau các khâu vẫn còn khả năng chuyên động tương đối > néi động các khâu Thành phần khớp động, khớp động + Khi nối động, các khâu sẽ có thành phần tiếp xúc nhau. Toàn bộ chỗ tiếp xúc giữa hai khâu gọi là một thành phần khớp động. + Hai thành phân khớp động trong một ghép nối động hai khâu hình thành nên ruột khớp động.

Tiumh nhưín khỏ? động trên Beitr fd pelt Tinh phn kid dang trên kớn lý nà! 3. Phân loại khớp động - — Theo số bậc tự do bị hạn chế: Khớp động loại k hạn chế k bậc tự do hay có k ràng buộc lờ Em atin PUR NI NHÀ NÂU) Netiven Ly May iii iil HAMEL: CA. ; vị} 3) MH 1211|) fe el WSR aM ETD NIU TH eel kat it aaa i ties Theo đặc điểm tiếp xúc + Khớp cao: thành phần khớp động là điểm hay đường + Khớp thấp: thành phần khớp động là mặt Lược đà +. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các khớp được biểu diễn trên những hình vẽ bằng những lược đồ qui ước.

Các khâu cũng được thể hiện qua các lược đồ đơn giản gọi là lược đồ khâu Trên lược đồ khâu phải thể hiện đầy đủ các khớp chuyển động, các kích thước có ảnh hưởng đến chuyển động của khâu và chuyền động của cơ cấu. Chuỗi động: nhiều khâu nổi với nhau tạo thành một chuỗi động + «, Phân loại chuỗi động: «- Chuỗi động kín «_ Chuỗi động hở e_ Chuỗi động phẳng « Chuỗi động không gian f We Wana aad nen Ctr ot BN i Ab opewk eae Ta HN ` saith ; atti han v et 43+x-x MORTON )/J/1I0(,lÌ MUTT NT Ne] Be - Cơ cấu: Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố định và chuyển động theo qui luật xác định. Khâu cố định được gọi là giá. - Phân loại cơ cấu: tương tự như đối với chuỗi động Il.

Bac tu do cia cơ cau 1. - — Bậc tự đo (bậc tự do) của cơ cấu là thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu, nó cũng là số khả năng chuyên động tương đối độc lập của cơ cấu đó. Tinh bac tw do cia cơ cấu không gian (trường hợp tống quát) W = Wo-R. Trong đó: Woy — bac tir do téng cng ctia cdc khau déng néu dé rdi R — số ràng buộc của tất cả khớp động trong co cấu W ~ bậc tự do của cơ cấu 3.

Số bậc tự do trong cơ cầu Một khâu để rời trong không gian có 6 bậc tự do => bậc tự do tổng cộng của n khâu động là W = ón SỐ ràng buộc chứa trong cơ cầu Khớp loại k hạn chế k bậc tự do. Nếu gọi pụ là số khớp loại chứa trong cơ cấu > tống các rang buộc do p„ khớp loại k gây nên là k. Do đó 5 R=S°p,k — trong thực tế số rang buộc thường nhỏ hơn giá trị trên vì trong Al cơ cầu tồn tại các rang buộc trùng. Ví dụ: Xét cơ cấu 4 khâu bản lề Lila maar atari eine pan fi bash LG te II i00 'iIlUIMDBMOTirirri rgfrritirririKrr Tri + Ràng buộc trực tiếp: ràng buộc giữa hai khâu do khớp nỗi trực tiếp giữa hai khâu đó được gọi là ràng buộc trực tiếp.

+ Ràng buộc gián tiếp: nếu tháo khớp A, giữa khâu 1 và 4 có ràng buộc gián tiếp 1) 34 (2 Wọ (3) Oy + Ràng buộc trùng: nối khâu ] và 4 bằng khớp A, giữa chúng có ràng buộc trực tiếp sau (1) Re (2) W@ (3) (4 3%, (6) 3S, > 3 ràng buộc trùng. Ràng buộc trùng chỉ xảy ra ở khớp đóng kín của cơ cấu. 5 Goi Ro la sé ràng buộc trùng > téng sé rang bude trong co cau: R= >" kp, - kewl 3. Công thức tính bậc tự do của cơ cầu không gian o w-6n-{ kp, _ 3 kel Ví dụ: Tính bậc tự do của cơ cấu 4 khâu ban lè Số khâu động n=3 Số khớp loại 5 Da =4 Số ràng buộc trùng Rạ = 3 > Bậc tự do của cơ cấu W = 6x3-(5x4-3) = 1 bậc tự do 1 2 3 4 5 <j ` ®ốkhâu động » =5 Số khớp loại 5 p, = 5 -> Bậc tự do của cơ cấu H =6 5 ~(5 x5) =5 biđ 3.

Bậc tự do của cơ cấu phẳng I. SỐ bậc tự do trong cơ cầu Một khâu để tự do trong mặt phẳng chỉ có 3 bậc tự do vì vậy số bậc tự do tổng cộng của n khâu động: Wo = 3n 2. ,Số ràng buộc chứa trong cơ cầu Cơ cầu phẳng có hai loại khớp : Khớp loại 4 chứa l1 ràng buộc - Khớp loại 5 chứa 2 ràng buộc Tổng số ràng be trong co ial R = p4 + 2ps — Ro TTT i Oz - Cơ cầu tòan khớp lọai 5 với n = 2, ps = 3 - — Chọn hệ qui chiếu gắn với giá - Chưa đóng khớp 1, khâu 1 có khả năng: (7) Tox (2) Toy (3) lox - Đóng khớp 44, khâu 1 có khả năng: (1) SRx (2) To (3) X; -> Bậc tự do của cơ cấu Hr 3x2 -(2%3 <1) =lbid Vi du: Tinh bac ty do cua cơ cấu hình bình hành 1, 2 ge Q Cơ cấu toàn khớp loại 5 với: n = 4, k = 5, p, = 6 - — Bậc tự do của cơ cấu là W = 3x4 — (2x6) = 0 bậc tự do - — Trên thực tế cơ cấu này làm việc duge > điều này có gì mâu thuẫn không ? Wes) W=. | - Chú ý khâu 5 không có tác dụng øÌ trong chuyển động của cơ cầu ABCD - — Nếu bỏ khâu 5 ra, cơ cấu thành cơ cấu 4 khâu bản lề với bậc tự do bằng 1 - — Khi thêm khâu 5 và 2 khớp E, F vào t thêm khâu § (EF) => thêm 3 bậc tự do + thêm 2 khớp loại 5(E,F) 3 thêm 4 ràng buộc = thêm I ràng buộc -_ Gọi r là số ràng buộc thừa có trong cơ cấu, bậc tự do của cơ cầu phẳng W = 3n—(2ps + pa - r) - Trong co cau hinh binh hanh 6 trén, r= 1 va W = 3x4—“GRD =1 „2Š tự do ăn Dare monde Hi nee ena Ee Tí aa 4 Hé +14 1/119 4 ont kh ` l ` d Fe “Py ee eee ec me - Trong thực tẾ cơ cấu trên chỉ có 1 bậc tự do vì chuyền động lăn của con lăn 2 quanh khớp B không áng hưởng đến chuyển động có ích của cơ cấu nên không được kể vào bậc tự do của cơ cấu.

- Bậc tự do thêm vào mà không làm ảnh hưởng đến chuyển động của co cấu gọi là bậc tự do thừa, kí hiệu là s - Trở lại cơ cầu cam ở trên W = 3x3 — (2x3+1-0) — 1 = 1 btd Tóm lại công thức tính bậc tự do - — đối với cơ cấu không gian W=6n- ee 3 kal - — đối với cơ cấu phẳng trừ cơ cầu chêm. œ W=3n- (2p,+j,-r}—=s Với ?: số khâu động k: loại khớp động De: SỐ khớp loại k P: số ràng ĐuỘc trùng r: sỐ ràng buộc thừa s: sỐ bậc tự do thừa 4. Ý nghĩa của bậc tự do - Khâu dẫn và khâu bị dẫn IH. Nhóm tĩnh định 1.

Nguyên lý tạo thành cơ cấu Một cơ cấu có W bậc tự do là cơ cấu được tạo thành bởi W khâu dẫn và những nhóm có bac ty do bang zero W= W +O +. F'0 Khâu dinnhém có bậc tự do = 0 2. Nhóm tĩnh định Nhóm tĩnh định là những nhóm cân bằng hay chuyên động, có bậc tự do bằng zero và phải tối giản (tức là không thê chia thành những nhóm nhỏ hơn được nữa) Đối với nhóm tĩnh định toàn khớp thấp Điệp Hảo Trí. '¿ Ninh Đ RAMEN GAR ical tuillllitiltifvbiSC a li AA eco ean) 3.

Nguyên tắc tách nhóm tĩnh định Khi tách nhóm tĩnh định phải theo nguyên tắc sau + Chọn trước khâu dẫn và giá + Sau khi tách nhóm, phần còn lại phải là một cơ cấu hoàn chỉnh hoặc khâu dẫn + Tách những nhóm ở xa khâu dẫn trước rồi dần đến những nhóm ở gần hơn + Khi tách nhóm. thử tách những nhóm đơn giản trước, nhóm phức tạp sau Ví dụ: Tách nhóm tĩnh định eơ cấu động cơ diezen, cơ cầu bơm động cơ oxy Mina buen IA016770111007710/1 F1IPfTI3)9/17//02791911 sah Này Hàu #140) (` Ú Là Li0210/20/0)//0)24(6)2) 1-4 EDM, §4. Thay thế khớp cao bằng khớp thấp - Trong cơ cầu phẳng, thường có khớp cao lọai 4, để tách thành những nhóm nh định như những cơ cầu phẳng toàn khớp thấp => thay thế các et cao thành những khớp thấp nhưng vẫn đảm bảo được chuyển động của cơ cầu W =3x2-(I+2x2)= I1 bậc tự do W=3x3-(2x4)=1 bậc tự do - Thay thế khớp cao bằng khớp thấp phải đảm bảo hai điều kiện + bậc tự do của cơ cầu không thay đồi + quy luật chuyển động không đổi - — Nguyên tắc: dùng khâu hai khớp bản lề và đặt các bản lễ tại tâm cong của các thành phần khớp cao tại điểm tiếp xúc. - Ví dụ: Thay thể khớp cao bằng khớp thấp ở cơ cấu cam cần lắc đáy bằng - Sự thay thế khớp cao bằng khớp thấp không phải chỉ để xem xét nhóm tĩnh định mà việc phân tích động học cơ cấu thay thế cho biết cả về định tính cũng như định lượng của cơ cấu thay thế tại vị trí đang xem xét.

TEN Ta Sine!