CHƯƠNG 1: CẤU TẠO CƠ CẤU ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Định nghĩa và phân tích cấu tạo dựa trên lượt đồ cơ cấu – Ứng dụng hợp lý các cơ cấu trong truyền động cơ khí – Áp dụng được công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng để giải một số bài tập cụ thể ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 1. KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA 1.1 Máy: Trong nền sản xuất cơ khí, ta có thể hiểu định nghĩa về máy như sau: “Máy là tập hợp nhân tạo các vật thể có chuyển động theo một qui luật nhất định nhằm biến đổi hoặc sử dụng năng lượng để tạo ra công có ích”. Căn cứ vào chức năng, ta có thể chia ra làm 3 loại như sau: – Máy năng lượng: Dùng để truyền hay biến đổi năng lượng, gồm 2 giai đoạn: – Máy công tác: có nhiệm vụ biến đổi về hình dạng, kích thước hay trạng thái của vật thể (gọi là máy công nghệ) hoặc thay đổi vị trí của vật thể (gọi là máy vận chuyển) – Máy tổ hợp: do nhu cầu thực tế đời sống và sản xuất kết hợp với sự phát triển của công nghệ kỹ thuật nên các máy công tác ngày càng hoàn thiện, có động cơ riêng nên máy công tác thường ở dạng tổ hợp ta gọi là máy tổ hợp. Ngày nay, máy tổ hợp đã phát triển ở dạng hoàn chỉnh hơn nhằm nâng cao năng suất và giảm sức lao động của con người.
Các máy tổ hợp được cải tiến bằng cách trang bị thêm các thiết bị điều khiển, theo dõi, kiễm tra. để tự động hóa quá trình chế tạo sản phẩm, máy tổ hợp trở thành máy tự động.2 Cơ cấu: là tập hợp nhân tạo các vật thể có chuyển động theo một quy luật xác định nhằm truyền hay biến đổi chuyển động Xét động cơ đốt trong kiểu pittông - tay quay được dùng để biến đổi năng lượng của khí cháy bên trong xilanh (nhiệt năng, hóa năng) thành cơ năng bên trong trục khuỷu (máy năng lượng – hình1.1 Cơ cấu tay quay - con trượt Động cơ đốt trong bao gồm nhiều cơ cấu. Cơ cấu chính trong máy là cơ cấu tay quay – con trượt OAB, làm nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tiến của pittông thành chuyển động quay của trục khuỷu 1 1.3 Khâu và khớp động: a) Khâu: là những vật thể có chuyển động tương đối với nhau trong cơ cấu hay máy. Mỗi bộ phận có chuyển động riêng biệt này của máy được gọi là một khâu.
Khâu có thể là một vật rắn không biến dạng, vật rắn biến dạng hoặc dạng dây dẻo. Khâu có thể là một chi tiết máy độc lập hay do một số chi tiết máy ghép cứng lại với nhau. Mỗi chi tiết máy là một bộ phận hoàn chỉnh không thể tháo rời được nữa của máy. Thí dụ: Cơ cấu tay quay con trượt OAB (hình 1.1) có 4 khâu: trục khuỷu (1), thanh truyền (2), pittông (3), xilanh (4) gắn liền với vỏ máy.
Trong hệ quy chiếu gắn liền với khâu 4 (Vỏ máy, xilanh), mỗi khâu có chuyển động riêng biệt: Khâu (1) quay xung quanh tâm O, khâu (2) chuyển động song phẳng, 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, nắp đầu to, bulông, đai ốc… ghép cứng lại với nhau. b) Khớp động: Khớp động là chỗ nối động giữa các khâu.
Phân loại khớp động theo 2 cách: – Căn cứ vào số bật tự do bị hạn chế đi khi nối động, ta có khớp loại 1, loại 2, loại 3, loại 4, loại 5 lần lượt hạn chế 1, 2, 3, 4, 5 bật tự do tương đối. 7 Chú ý: Không có khớp loại 6 vì loại này hạn chế 6 bậc tự do tương đối giữa hai khâu, khi đó là hai khâu ghép cứng với nhau. Không có khớp loại 0 vì khi đó hai khâu để rời hoàn toàn trong không gian. Ví dụ: khớp loại 2 vì hạn chế 2 bậc tự do Hình 1.2 Khớp quay – Căn cứ vào đặc điểm tiếp xúc giữa hai khâu khi nối động, ta phân làm 2 loại.
Khớp thấp: nếu thành phần khớp động là các mặt, khớp cao: nếu thành phần khớp động là điểm hoặc đường. c) Lượt đồ khâu và khớp động: Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, ta biểu diễn cơ cấu dưới dạng lượt đồ Bảng 1.1: Lược đồ một số khớp thông dụng Khớp cầu (khớp thấp, loại 3) Khớp cầu có chốt (khớp thấp, loại 4) Khớp tịnh tiến (khớp thấp, loại 5) Khớp bản lề (khớp thấp, loại 5) Khớp vít (khớp thấp, loại 5) Khớp cao phẳng ( khớp bánh răng phẳng, khớp cam phẳng …) (khớp cao, loại 4) 8 – Lượt đồ khâu: Để đơn giản cho việc nguyên cứu, người ta biểu diễn các khâu và khớp thông qua lượt đồ Hình 1.3 Lược đồ biểu diễn các khâu và khớp 1.2 BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU PHẲNG. Bậc tự do là thông số vị trí độc lập cần cho trước để xác định vị trí của toàn bộ cơ cấu. Số bậc tự do của cơ cấu cũng chính bằng số quy luật chuyển động của cơ cấu Gọi số khâu có trong cơ cấu là (n+1) khâu, n là số khâu động còn 1 là khâu cố định (khâu cố định có bậc tự do bằng không, thường gọi là giá).
Gọi số khớp thấp có trong cơ cấu là pt thì số bậc tự do của cơ cấu bị hạn chế bởi những khớp loại này là 2pt. Gọi số khớp thấp có trong cơ cấu là pc thì số bậc tự do của cơ cấu bị hạn chế bởi những khớp loại này là pc. Ta có công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng như sau: W = 3n − (2 pt + pc ) (1-1) Ví dụ: Tính bậc tự do các cơ cấu sau: 9 Hình 1.4: Lược đồ cơ cấu phối hơi đầu máy xe lửa Cơ cấu hình có: pt = 15, pc= 0, n = 11 Nên: W=3.15 + 0) = 1 Chú ý: Với những cơ cấu có thêm những khâu phụ (những khâu thêm hay bớt không ảnh hưởng đến tính chất chuyển động, thí dụ con lăn trong cơ cấu cam hình thì cách tính bậc tự do của cơ cấu không sử dụng thuần túy công thức (1) mà phải thêm một số điều kiện khác. ------------------------------------------------ CÂU HỎI ÔN TẬP 1.1 Cho lượt đồ cơ cấu phối hơi đầu máy xe lửa được biểu diễn trên hình 1.
Xác định số khâu, số khớp và bậc tự do của cơ cấu? Hình 1.5: Lược đồ cơ cấu phối hơi đầu máy xe lửa 1.2 Cho lượt đồ cơ cấu động cơ Diesel được biểu diễn trên hình 1. Xác định số khâu, số khớp và bậc tự do của cơ cấu? 10 Hình 1.6: Lược đồ cơ cấu động cơ Diesel 1.3 Cho lượt đồ cơ cấu máy nghiền được biểu diễn trên hình 1. Xác định số khâu, số khớp và bậc tự do của cơ cấu? Hình 1.7: Lược đồ cơ cấu máy nghiền 1.4 Cho lượt đồ cơ cấu phanh má được biểu diễn trên hình 1. Xác định số khâu, số khớp và bậc tự do của cơ cấu? Hình 1.8: Lược đồ cơ cấu phanh má 11 CHƯƠNG 2: CƠ CẤU BỐN KHÂU BẢN LỀ ❖ MỤC TIÊU: Sau bài học này, sinh viên có khả năng – Mô tả cấu tạo và chuyển đông của cơ cấu bốn khâu bản lề – Khảo sát và phân tích động học của cơ cấu bốn khâu bản lề – Ứng dụng hợp lý cơ cấu cam trong truyền động cơ khí ❖ NỘI DUNG BÀI HỌC: 2.1 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CƠ CẤU BỐN KHÂU BẢN LỀ.1 Nguyên lý, cấu tạo và chuyển động Cơ cấu bốn khâu bản lề là dạng cơ bản của cơ cấu phẳng dùng khớp thấp.
Trong cấu tạo luôn có một khâu cố định gọi là giá, một khâu có chuyển động quay với vận tốc góc không đổi gọi là khâu dẫn, còn lại là khâu bị dẫn Hình 2.1: Quá trình làm việc và chạy không của cơ cấu tay quay - cần lắc Quan sát hình 2.1: Trong cơ cấu này, khâu AB gọi là khâu dẫn, khâu BC gọi là thanh truyền, khâu CD gọi là cần lắc, khâu AD gọi là giá. Như vậy, quá trình chuyển động truyền từ khâu dẫn AB đến khâu bị dẫn CD phải thông qua thanh truyền BC. Khi đó thanh truyền thực hiện chuyển động song phẳng. Xét chu kỳ chuyển động của khâu AB quay 1 vòng thì cần lắc CD thực hiện dao động 1 góc C1Dˆ C2 , ta bảo cần lắc CD thực hiện khoảng chạy kép trên cung C1C2.
Hai 12 vị trí C1D và C2D được gọi là vị trí biên hay vị trí giới hạn. Ứng với hai vị trí biên tay quay AB và thanh truyền BC đều ở vị trí thẳng hàng. – Vị trí tay quay AB1 và thanh truyền B1C1 duỗi thẳng – Vị trí trập giữa tay quay và thanh truyền là AB2 và B2C2 2. Điều kiện quay toàn vòng của khâu dẫn.
Để thiết kế cơ cấu bốn khâu bản lề gồm 1 tay quay và 1 cần lắc thì cần phải xác định điều kiện về quan hệ kích thước giữa các khâu (hình 2.2: Xác định vị trí của cơ cấu tay quay - cần lắc ứng với 2 vị trí biên C1D và C2D của cần lắc Cho biết kích thước các khâu: AB=b , BC=c , CD=d , DA=a Mối quan hệ được thiết lập như sau : Ta thấy: muốn cho tay quay AB quay toàn vòng và BC là cần lắc thì AB phải qua hai vị trí là AB1 và AB2 Xét về mặt hình học, ứng với hai vị trí biên thì cơ cấu sẽ tạo thành hai tam giác ∆AC1D và ∆AC2D. Xét AC1D có: AC1 AD + DC1 Hay b+c a+d Xét AC2D có : AD AC2 + C2 D Trong đó: AC2 = B2C2 – B2A = c - b Hay: a c −b + d Ta có thể viết: a+b c+d Điều kiện được thiết lập như sau: b+c a+d (2-1) a+b c+d 13 Chú ý: tùy thuộc vào sự chọn lựa khâu làm giá mà chuyển động cụ thể giữa các cơ cấu sẽ khác nhau, được thể hiện bằng đinh lý Crashop.Grashop): Cơ cấu bốn khâu bản lề có khâu quay toàn vòng khi và chỉ khi nào tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu dài nhất nhỏ hơn hoặc bằng tổng chiều dài của hai khâu còn lại. Và khi đó : a) Khi chọn khâu kề với khâu ngắn nhất làm giá thì khâu ngắn nhất là tay quay và khâu đối diện với nó là cần lắc (hình 2. b) Khi chọn khâu ngắn nhất làm giá thì cả hai khâu nối giá đều là tay quay (hình 2.