CHƯƠNG 1 BÀI 1: CẤU TẠO CƠ CẤU 1. Vị trí của môn học + Là môn học bắt buộc trước khi sinh viên học các môn học chuyên môn. + Là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc, vừa mang tính chất lý thuyết và thực nghiệm. + Giúp sinh viên có khả năng tính toán, thiết kế, kiểm nghiệm các chi tiết máy hoặc bộ phận máy thông dụng đơn giản.
Đối tượng nghiên cứu 2. Máy Máy là tập hợp các vật thể do con người tạo ra, nhằm mục đích thực hiện và mở rộng các chức năng lao động. Căn cứ vào chức năng, có thể chia máy thành các loại: a. Máy năng lượng: dùng để truyền hay biến đổi năng lượng, gồm hai loại: + Máy- động cơ: biến đổi các dạng năng lượng khác thành cơ năng, ví dụ động cơ nổ, động cơ điện, tuốcbin.
+ Máy biến đổi cơ năng: biến đổi cơ năng thành các dạng năng lượng khác, ví dụ máy phát điện, máy nén khí. Trên thực tế, nhiều khi không thể phân biệt như trên, vì các máy nói chung đều có động cơ dẫn động riêng. Những máy như vậy gọi là máy tổ hợp. Ngoài động cơ và bộ phận làm việc, trong máy tổ hợp còn có các thiết bị khác như thiết bị kiểm tra, theo dõi, điều chỉnh.
Khi các chức năng điều khiển của con người đối với toàn bộ quá trình làm việc của máy đều được đảm nhận bởi các thiết bị nói trên, máy tổ hợp trở thành máy tự động. Máy truyền và biến đổi thông tin, ví dụ máy tính điện tử. Ngoài các loại máy trên đây, còn nhiều loại máy có chức năng đặc biệt như tim nhân tạo, tay máy, người máy. Khi phân tích hoạt động của một máy, có thể xem máy là một hệ thống gồm các bộ phận điển hình, theo sơ đồ khối sau: + Bộ nguồn: cung cấp năng lượng cho toàn máy.
+ Bộ chấp hành: trực tiếp thực hiện nhiệm vụ công nghệ của máy. + Bộ biến đổi trung gian: thực hiện các biến đổi cần thiết từ bộ nguồn đến bộ chấp Trang 13 hành. + Bộ điều khiển: thực hiện các thông tin, thu thập các tin tức làm việc của máy và đưa ra các tín hiệu cần thiết để điều khiển máy.Cơ cấu Trong các bộ phận của máy, tập hợp các vật thể có chuyển động xác định, làm nhiệm vụ truyền hay biến đổi chuyển động gọi là cơ cấu. Theo đặc điểm các vật thể hợp thành cơ cấu, có thể xếp các cơ cấu thành các lớp: + Cơ cấu chỉ gồm các vật rắn tuyệt đối.
+ Cơ cấu có vật thể đàn hồi, ví dụ cơ cấu dùng dây đai, cơ cấu có lò xo, cơ cấu dùng tác dụng của chất khí, chất lỏng, cơ cấu di chuyển nhờ thuỷ lực. + Cơ cấu dùng tác dụng của điện từ. Nội dung môn học Nguyên lý máy 3. Nội dung cơ bản Môn học Nguyên lý máy nghiên cứu vấn đề chuyển động và điều khiển chuyển động của cơ cấu và máy.
Ba vấn đề chung của các loại cơ cấu và máy mà môn học Nguyên lý máy nghiên cứu là vấn đề về cấu trúc, động học và động lực học. Mô hình nghiên cứu Ba vấn đề nêu trên được nghiên cứu dưới dạng hai bài toán: bài toán phân tích và bài toán tổng hợp. Bài toán phân tích cấu trúc nhằm nghiên cứu các nguyên tắc cấu trúc của cơ cấu và khả năng chuyển động của cơ cấu tùy theo cấu trúc của nó. Bài toán phân tích động học nhằm xác định chuyển động của các khâu trong cơ cấu, khi không xét đến ảnh hưởng của các lực mà chỉ căn cứ vào quan hệ hình học của các khâu.
Bài toán phân tích động lực học nhằm xác định lực tác động lên cơ cấu và quan hệ giữa các lực này với chuyển động của cơ cấu. Phương pháp nghiên cứu Bên cạnh các phương pháp của môn học Cơ học lý thuyết, để nghiên cứu các vấn đề động học và động lực học của cơ cấu, người ta sử dụng các phương pháp sau đây: + Phương pháp đổ thị (phương pháp vẽ - dựng hình) + Phương pháp giải tích Ngoài ra, các phương pháp thực nghiệm cũng có một ý nghĩa quan trọng trong việc nghiên cứu các bài toán về Nguyên lý máy. Những khái niệm cơ bản Hình 1-cơ cấu động cơ đốt trong 6. Bậc tự của cơ cấu + Số bậc tự do tương đối giữa hai khâu là số khả năng chuyển động độc lập tương đối của khâu này đối với khâu kia (tức là số khả năng chuyển động độc lập của khâu này trong một hệ quy chiếu gắn liền với khâu kia).
+ Khi để rời hai khâu trong không gian, giữa chúng sẽ có 6 bậc tự do tương đối. Thật vậy, trong hệ tọa độ vuông góc Oxyz gắn liền với khâu (1), khâu (2) có 6 khả năng chuyển động: TX, Ty ,Tz (chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục Ox, Oy, Oz) và QX, QY,QZ (chuyển động quay xung quanh các trục Ox, Oy, Oz). Sáu khả năng này hoàn toàn độc lập với nhau. + Tuy nhiên, khi để rời hai khâu trong mặt phang, số bậc tự do tương đối giữa chúng chỉ còn lại là 3: chuyển động quay Qz xung quanh trục Oz vuông góc với mặt phẳng chuyển động Oxy của hai khâu và hai chuyển động tịnh tiến TX, TY dọc theo các trục Ox, Oy nằm trong mặt phẳng này.
Hình 2-bậc tự do + Số bậc tự do tương đối giữa hai khâu cũng chính là số thông số vị trí độc lập cần cho trớc để xác định hoàn toàn vị trí của khâu này trong một hệ quy chiếu gắn liền với khâu kia 6. Khâu * Khâu dẫn Khâu dẫn là khâu có thông số vị trí cho trước (hay nói khác đi, có quy luật chuyển động cho trước). Trang 15 * Khâu bị dẫn Ngoài giá và khâu dẫn ra, các khâu còn lại đợc gọi là khâu bị dẫn. * Khâu phát động Khâu phát động là khâu được nối trực tiếp với nguồn năng lượng làm cho máy chuyển động.
Ví dụ, với động cơ đốt trong Hình 1, khâu phát động là pittông. - Cơ cấu chính trong máy là cơ cấu tay quay-con trượt OAB (Hình 2) làm nhiệm vụ biến chuyển tịnh tiến của pistông (3) thành chuyển động quay của trục khuỷu (1). Mỗi khâu có chuyển động riêng biệt: Khâu (1) quay xung quanh tâm O, khâu (2) chuyển động song phang, khâu (3) chuyển động tịnh tiến, khâu (4) cố định. Trục khuỷu thông thường là một chi tiết máy độc lập.
Thanh truyền gồm nhiều chi tiết máy như thân, bạc lót, đầu to, bu lông, đai ốc. ghép cứng lại với nhau. Sự nối động, khớp động * Nối động, thành phần khớp động, khớp động + Để tạo thành cơ cấu, người ta phải tập hợp các khâu lại với nhau bằng cách thực hiện các phép nối động. * Nối động hai khâu là bắt chúng tiếp xúc với nhau theo một quy cách nhất định trong suốt quá trình chuyển động.
Nối động hai khâu làm hạn chế bớt số bậc tự do tương đối giữa chúng. + Chỗ trên mỗi khâu tiếp xúc với khâu đợc nối động với nó gọi là thành phần khớp động. + Tập hợp hai thành phần khớp động của hai khâu trong một phép nối động gọi là một khớp động. * Các loại khớp động + Căn cứ vào số bậc tự do tương đối bị hạn chế đi khi nối động (còn gọi là số ràng buộc của khớp), ta phân khớp động thành các loại: khớp loại 1, loại 2, loại 3, loại 4, loại 5 lần lượt hạn chế 1, 2, 3, 4, 5 bậc tự do tương đối.
Không có khớp loại 6, vì khớp này hạn chế 6 bậc tự do tương đối giữa hai khâu, khi đó hai khâu là ghép cứng với nhau. Không có khớp loại 0, vì khi đó hai khâu để rời hoàn toàn trong không gian (liên kết giữa hai khâu lúc này được gọi là liên kết tự do). + Căn cứ vào đặc điểm tiếp xúc của hai khâu khi nối động, ta phân khớp động thành các loại: Khớp cao: nếu thành phần khớp động là các điểm hay các đường. * Khớp thấp: nếu thành phần khớp động là các mặt.
Chuỗi động và cơ cấu * Chuỗi động là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. + Dựa trên cấu trúc chuỗi động, ta phân chuỗi động thành hai loại: - Chuỗi động hở - Chuỗi động kín - Chuỗi động hở là chuỗi động trong đó các khâu chỉ được nối với một khâu khác. Trang 16 - Chuỗi động kín là chuỗi động trong đó mỗi khâu được nối ít nhất với hai khâu khác (các khâu tạo thành các chu vi khép kín, mỗi khâu tham gia ít nhất hai khớp động). Bậc tự do của cơ cấu a.
Cơ cấu phẳng + Số bậc tự do của cơ cấu là số thông số vị trí độc lập cần cho trước để vị trí của toàn bộ cơ cấu hoàn toàn xác định. + Số bậc tự do của cơ cấu cũng chính bằng số quy luật chuyển động cần cho trước để chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác định. + Ví dụ: Xét cơ cấu bốn khâu bản lề ABCD gồm giá cố định 4 và ba khâu động 1, 2, 3. Nếu cho trước thông số p1 = (AD, AB) để xác định vị trí của khâu 1 so với giá thì vị trí của cơ cấu hoàn toàn xác định.
Thật vậy, do kích thước động lAB đã cho trước nên vị trí điểm B hoàn toàn xác định. Do điểm D và các kích thước lBC , lCD đã cho trước nên vị trí điểm C và do đó vị trí các khâu 2 và 3 hoàn toàn xác định. Nếu cho trước quy luật chuyển động của khâu (1) : p1 = p1 (t) thì chuyển động của các khâu 2 và 3 sẽ hoàn toàn xác định. Như vậy cơ cấu bốn khâu bản lề có 1 bậc tự do: W = 1 b.
Cơ cấu không gian Ràng buộc trùng: Trong cơ cấu phẳng, ràng buộc trùng chỉ có tại các khớp đóng kín của đa giác gồm 3 khâu nối với nhau bằng 3 khớp trượt. Ví dụ: xét cơ cấu trên Hình 23. Giả sử lấy khớp B làm khớp đóng kín. Khi nối khâu 1, khâu 3 và khâu 2 bằng các khớp A và C, khâu 2 không thể quay tương đối so với khâu 1 quanh trục Oz, tức là có một ràng buộc gián tiếp QZ giữa khâu 1 và khâu 2.
Khi nối trực tiếp khâu 1 và khâu 2 bằng khớp đóng kín B, khớp B lại tạo thêm ràng buộc QZ. Như vậy, ở đây có một ràng buộc trùng: Rtmng = 1.