Chương 1 giới thiệu những khái niệm cơ bản, cách xây dựng lược đồ cơ cấu, và nghiên cứu những khả năng chuyển động của cơ cấu trong không gian.1 Những khái niệm cơ bản Mục tiêu: - Trình bày được định nghĩa khâu, bậc tự do của khâu, nối động, khớp động, thành phần khớp động, chuỗi động và cơ cấu; - Tính được số bậc tự do của khâu trong không gian và khâu phẳng; - Vẽ được lược đồ khớp động của các khớp thông dụng; - Chủ động tích cực trong học tập.1 Khâu Y Ty B Qy A X Qz O Tx Qx Tz Z Hình 1.1Bậc tự do của khâu trong không gian Trong cơ cấu/ máy có những bộ phận có chuyển động tương đối đối với nhau, mỗi bộ phận có chuyển động riêng biệt này được gọi là khâu. Khâu có thể là một tiết máy hoặc nhiều tiết máy được ghép cứng lại với nhau. Khâu cũng có thể là vật rắn biến dạng (lò so), vật rắn không biến dạng (pít tông), vật rắn dạng dây dẻo (dây đai), hay chất lỏng hoặc khí. Trong chương trình này, cơ cấu/ máy được nghiên cứu với giả thiết các khâu của chúng là vật rắn không biến dạng.2 Bậc tự do của khâu 1.1 Định nghĩa - Bậc tự do giữa hai khâu là khả năng chuyển động độc lập giữa hai khâu đó khâu đó.
- Số bậc tự do giữa hai khâu là số khả năng chuyển động độc lập giữa hai khâu đó khâu đó.2 Bậc tự do của khâu trong không gian Xét hai khâu A và B để rời nhau trong không gian, hình 1. Gắn cho khâu A một hệ qui chiếu OXYZ. Khâu A được coi là đứng yên (còn đựoc gọi là giá) và khâu B chuyển động tương đối đối với khâu A trong hệ qui chiếu này, (khâu B còn được gọi là khâu động). Xét theo các trục OX, OY, OZ, khâu B có những chuyển động tương đối đối với khâu A như sau: - Ba chuyển động tịnh tiến theo các trục tương ứng: Tx, Ty, Tz.
- Ba chuyển động quay quanh các trục tương ứng: Qx, Qy, Qz. Các chuyển động trên hoàn toàn độc lập với nhau và mỗi khả năng chuyển động độc lập này được gọi là một bậc tự do. Như vậy giữa hai khâu để rời nhau trong không gian có 6 bậc tự do. Nếu có n1 khâu động để rời nhau trong không gian thì so với 1 khâu (giá) sẽ có 6(n1– 1) bậc tự do.
Y Qy A X O Tx B Tz Z Hình 1. Bậc tự do của khâu trên mặt phẳng 10 1.3 Bậc tự do của khâu trên mặt phẳng Nếu khâu A và B để rời nhau trên cùng một mặt phẳng; Ví dụ: Mặt phẳng Oxz, (hình 1.2) khâu B chỉ còn lại ba khả năng chuyển động tương đối với khâu A: Qy, Tx, Tz. Như vậy giữa hai khâu để rời trên cùng một mặt phẳng có 3 bậc tự do. Nếu có n1 khâu động để rời nhau trên cùng một mặt phẳng, thì so với khâu giá sẽ có 3(n1-1) bậc tự do.3 Nối động và khớp động 1.1 Nối động các khâu Muốn từ các khâu để rời nhau có chuyển động không xác định đối với nhau tạo thành cơ cấu, (các khâu có chuyển động tương đối xác định đối với nhau), phải hạn chế bớt số bậc tự do tương đối giữa chúng.
Muốn vậy phải nối động các khâu lại với nhau. Nối động các khâu là hình thức bắt các khâu luôn tiếp xúc với nhau, theo một quy cách nhất định trong quá trình chuyển động, nhằm làm giảm bớt số bậc tự do giữa chúng.2 Thành phần khớp động và khớp động - Thành phần khớp động là chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu khi nối động - Khớp động: hai thành phần khớp động trong một mối ghép động tạo thành một khớp động. Ví dụ 1: Cho một khâu là quả cầu A tiếp xúc với một khâu là mặt phẳng B (hình1. Trong quá trình chuyển động, với hình thức nối động này đã tạo ra một khớp động C, mà hai thành phần khớp động là hai tiếp điểm: CA và CB, (điểm CA thuộc khâu A và điểm CB thuộc khâu B).
Khớp C hạn chế được một bậc tự do đó là Ty. Ví dụ 2: Cho một khâu là hình trụ A tiếp xúc với một khâu là mặt phẳng B, (hình1. Trong quá trình chuyển động, với hình thức nối động này đã tạo ra một khớp động CC’, mà hai thành phần khớp động là hai đoạn thẳng: CAC’A và CBC’B, (đoạn thẳng CAC’A thuộc khâu A và đoạn thẳng CBC’B thuộc khâu B). Khớp CC` hạn chế được hai bậc tự do đó là Ty và Qz.
Ví dụ 3: Cho một khâu là hình hộp A tiếp xúc với một khâu là mặt phẳng B, (hình1.5) Trong quá trình chuyển động, với hình thức nối động này đã tạo ra một khớp động, mà thành phần khớp động là hai mặt phẳng tiếp xúc: một mặt phẳng thuộc khâu A và một mặt phẳng thuộc khâu B. Khớp động này hạn chế được ba bậc tự do đó là Ty, Qx, Qz. 11 Y Y Y Qy Qy Qy B A X X A X A O C Qx Tx C C' Qx Tx Tx Qz B B Z Z Tz Z Tz Tz Hình 1.3 Khớp cao C Hình 1.4 Khớp cao CC’ Hình 1.3 Phân loại khớp động Khớp động được phân loại theo tính chất tiếp xúc hoặc theo số bậc tự do bị hạn chế. Phân loại khớp động theo tính chất tiếp xúc - Khớp loại cao (khớp cao) : là các khớp động có thành phần khớp động là điểm hoặc đường, (Khớp động tại ví dụ 1 và ví dụ 2) - Khớp loại thấp (khớp thấp): là các khớp động có thành phần khớp động là mặt (mặt cầu, mặt trụ, hoặc mặt phẳng).
Khớp động tại ví dụ 3 là khớp thấp vì có thành phần khớp động là mặt phẳng. Phân loại Khớp động theo số bậc tự do bị hạn chế hay số ràng buộc Có 5 loại khớp động: - Khớp loại 1; hạn chế được 1bậc tự do, hay có 1 ràng buộc, (khớp C, ví dụ 1 ). - Khớp loại 2; hạn chế được 2 bậc tự do, hay có 2 ràng buộc,(khớp tại ví dụ 2 ). - Khớp loại 3; hạn chế được 3 bậc tự do, hay có 3 ràng buộc, (khớp tại ví dụ 3 ).
- Khớp loại 4; hạn chế được 4 bậc tự do, hay có 4 ràng buộc, (ví dụ khớp trụ ). - Khớp loại 5; hạn chế được 5 bậc tự do, hay có 5 ràng buộc, (ví dụ khớp bản lề) 1. Lược đồ khớp động Để đơn giản cho việc vẽ hình, các khớp động được vẽ dưới dạng lược đồ qui ước. Sau đây là một số lược đồ khớp động thường hay dùng trong kỹ thuật: 12 Bảng 1: Một số lược đồ khớp động thường dùng trong kĩ thuật Stt Tên KĐ Loại KĐ phẳng Số RB Lược đồ KĐ Khớp bản lề 1 Khớp thấp loại 5 5 (khớp quay) Khớp trượt (khớp 2 Khớp thấp loại 5 5 tịnh tiến) 3 Khớp cao phẳng Khớp cao loại 4 4 4 Khớp vít Khớp thấp loại 5 5 Stt Tên KĐ Loại KĐ không Số RB Lược đồ KĐ gian 6 Khớp cầu Khớp thấp loại 3 3 7 Khớp trụ Khớp thấp loại 4 4 8 Khớp trụ quay Khớp thấp loại 5 5 9 Khớp tịnh tiến Khớp thấp loại 5 5 1.5 Lược đồ khâu và kích thước động của khâu a.
Kích thước động của khâu Kích thước động của khâu là thông số xác định vị trí tương đối giữa các thành phần khớp động trên cùng một khâu. Ví dụ: Thanh truyền trong động cơ đốt trong được nối với tay quay và pít tông bằng hai khớp bản lề. Các thành phần khớp động trên thanh truyền là các mặt trụ trong của bạc biên có đường trục song song nhau. Kích thước động của thanh truyền này là chiều dài khoảng cách giữa hai đường trục của hai bạc biên.
Lược đồ khâu Luîc ®å kh©u KÝch thuíc ®éng cña kh©u Hình 1.6 Lược đồ của khâu thanh truyền trong cơ cấu động cơ đốt trong. 13 Để đơn giản hoá trong việc vẽ hình, các khâu được biểu diễn dưới dạng lược đồ. Lược đồ khâu phải thể hiện được đầy đủ các khớp động và kích thước động của khâu.4 Chuỗi động và cơ cấu 1.1 Chuỗi động * Định nghĩa: Nhiều khâu nối động với nhau tạo thành một chuỗi động * Phân loại - Phân loại theo cấu trúc hình học có hai loại chuỗi động: chuỗi động kín và chuỗi động hở. + Chuỗi động kín là chuỗi động trong đó có các khâu được nối động với ít nhất hai khâu khác; tức là tham gia ít nhất 2 khớp động, (hình 1.7 Chuỗi động kín Hình 1.8 Chuỗi động hở + Chuỗi động hở (hình.8) là chuỗi động trong đó có các khâu chỉ được nối động với một khâu khác; tức là chỉ tham gia một khớp động.
- Phân loại theo chuyển động có hai loại chuỗi động: chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian. + Chuỗi động phẳng là: chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trên cùng một mặt phẳng hoặc trên những mặt phẳng song song với nhau.8) + Chuỗi động không gian là: chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trên những mặt phẳng không song song với nhau (chéo nhau hoặc giao nhau).9 Chuỗi động không gian 14 Chuỗi động trên hình 1.9 gồm 4 khâu, nối nhau bằng 3 khớp quay có đường trục vuông góc với nhau từng đôi một, do đó các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không song song với nhau. Mặc khác, khâu 3 và khâu 4 chỉ được nối với một khâu khác nên đây là một chuỗi động không gian hở.10 Cơ cấu phẳng đóng kín Hình 1.11 Cơ cấu phẳng hở 1. Giá Định nghĩa:Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu được lấy làm hệ qui chiếu gọi là giá và các khâu còn lại gọi là khâu động có chuyển động xác định trong hệ qui chiếu này.
Lưu ý: thực tế khâu gọi là giá có thể cố định (như vỏ máy hoặc móng máy) hoặc không cố định, khi xét chuyển động các khâu với giá, giá được xem là cố định.2 Bậc tự do của cơ cấu A 1 B C 2 Hình 1.12 Cơ cấu không gian.1 Khái niệm về số bậc tự do của cơ cấu C 2 B 1 3 A 4 D Hình 1.13 Bậc tự do của cơ cấu bốn khâu bản lề 1, 3. Khâu nối giá; 2. Giá 15 Số bậc tự do của cơ cấu là số quy luật truyền chuyển động độc lập có thể của cơ cấu. Cụ thể hơn, nói theo thông số vị trí là: số bậc tự do của cơ cấu là số thông số vị trí cần phải cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của tất cả các khâu trong cơ cấu.
Ví dụ: Cho cơ cấu bốn khâu bản lề (hình1.