Chương 1 CẤU TRÚ C V À XẾP LOẠI c ơ CẤU Trong chương này sẽ nghiên cứu các vấn đề cơ bản sau: 1- Dựa trên nguyên lý nào để thiết kế được lược đồ động của cơ cấu và máy. Nói cách khác, về mật nguyên lý muốn tạo ra một cơ cấu hay máy cần thiết, phải tiến hành như thê nào ? 2- Cơ cấu được thiết kế ra có thực hiện được những chuyển động cần thiết không? Cơ cấu có rất nhiều dạng khác nhau, dựa trên nguyên tắc nào để xếp loại chúng? Việc xêp loại cơ cấu nhằm mục đích gì? 1. N H Ữ N G Đ ỈN H N G H ĨA V À KHÁI N IỆM c o BẢN 1. Bộc tự do của khâu a) Định nghĩa 1 "Chi tiết máy là bộ phận dơn vị hoàn chỉnh không thể tháo rời thành những phần nhỏ dơn giản hơn nếu không phá vỡ chúng" [4, 10].
Người ta gọi tắt chi tiết máy là tiết máy. Chi tiết máy tạo thành các khâu, hoặc các cụm tiết máy trong máy. b) Định nghĩa 2 “Những bộ phận (một hay một tập hợp cứng các vật rắn) tham gia vào việc tạo thành cơ cấu, có chuyển động tương dối với nhau gọi là khâu” [4, 10]. Nếu coi tiết máy là vật cứng, thì khâu có thể là một tiết máy hoặc tập hợp cứng một số tiết máy.
Sự khác nhau căn bản giữa tiết máy và khâu là: tiết máy là một bộ phận hoàn chính trong máy đã có hình dáng, cấu tạo và kích thước cụ thể hoàn toàn xác định; còn khâu chí là “vật rắn tuyệt đối”, "vật mềm: khối chất lỏng, khối khí", vẫn còn mang tính chất lý thuyết, mới chỉ được đặc trưng bằng kích thước động. Kích thước động là khoảng cách ngắn nhất giữa hai khớp động trên cùng một khâu. Vì thế, khâu chưa có hình dáng hình học, cấu tạo cụ thể và có trị số xác định. Khi cơ cấu chuyển động, kích thước động của khâu nói chung biến đổi, còn kích thước tiết máy thì cố định.
TRƯƠNGBAI Hũ*CNHATRANG 1 THƯ VỈlRIV. ũ Ã ỉc ĩr - 17 - b) Thanh truyền trong a) Thanh truyền trong động cơ chữ V động cơ thường Hình 1. Tiết máy và khâu 1- Tập hợp cứng các tiết máy 2- Sơ đồ khâu Người ta có thể coi một khâu nào đó được “mở rộng" tới một điểm bất kỳ nào đó trong không gian. Chẳng hạn, khâu AB trên Hình l.
l c có thể mở rộng tới điểm M bất kỳ.2 chí ra rằng, kích thước động /2 thay đổi khi cơ cấu chuyển động. Cơ cấu bản lề vít (Kích thước động l2 biến đổi; kích thước của vít (chi tiết) 2 cô' định như đường kính đoạn có ren, bước ren. Chú ý: Phạm trù khâu rộng hơn phạm 'tru tiết máý. Phân biệt sự giống nhau và khác nhau của hai phạm trù này sẽ giúp ta giải quyết được những bài toán khó về động học và động lực học sau này nhờ sử dụng tới thủ pháp "mở rộng khâu".
- 18 - c) Định nghĩa 3 “Bậc tự do của khâu là số thông số dộc lập cần thiết dùng đ ể xác định vị trí của khâu" [4, 10]. Bậc tự do được ký hiệu bằng chữ w. Hãy ký hiệu hệ trục tọa độ Đềcác là .V, V, 2 (hoặc hệ trục 1 , 2 , 3 ) sao cho tạo thành tam diện thuận. Trong không gian để xác định vị trí của một khâu cẩn phải có 6 thông số độc lập: 7 v , T, , T.
tịnh tiến theo các trục .V, y, 2 và Qx , Qy , Q. - quay xung quanh các trục ấy, - Hình /. Còn trong mặt phẳng - ba thông số độc lập cần thiết là: T x ; Ty và Q-, Hình 1,3b. Các thông số độc lập cần thiết để xác định vị trí (tọa độ) của khâu trong không gian (a) và mặt phẳng (b).
Ý nghĩa của bậc tự do: Bậc tự do của khâu chính là sô' khả năng chuyển dộng dộc lập của I1Ó. Trong không gian, khâu A có sáu khả năng chuyển động độc lập, Hình 1.3a: ba chuyển động tịnh tiến theo ba trục tọa độ: Tx , Ty và T, ; ba chuyển động quay quanh ba trục ấy: (2, • Qy và Q, ; còn trong mặt phẳng khâu A có ba khả năng chuyển động độc lập là: tịnh tiến theo hai trục tọa độ Tx ; Ty và quay quanh trục đi qua giao điểm o và vuông góc với hai trục ấy (Qỵ). Đế tạo thành cơ cấu, phải dem các khâu để rời rạc trong không gian hoặc trong mặt phắng liên kết lại với nhau theo nhũng quy củclì nào đó. Cóng việc liên kết các khâu lại với nhau nhung vẫn cho phép chúng chuyển động lương dối so với nhau gọi là nối động.
Để nối động được, người ta dùng các loại khớp dộng. Lược đồ động a) Định nghĩa 4 “Sự nơi hai khâu (hay các khâu) theo một quỵ cách nhất định nhâm hạn ch ế bớt một sô' bậc tự do của chúng gọi là nối động" [4, 10]. Số bậc tự do bị hạn chế (tức là bị mất đi) khi nối động các khâu gọi là s ố ràng buộc. Ký hiệu số ràng buộc là R, vậy số ràng buộc chính là số bậc tự do âm: R- - w.
- I» - b) Định nghĩa 5 “Chỗ nối giữa hai khâu (hay các khâu) theo một quy cách nhất định cho phép chúng còn có chuyển động tương dối với nhau gọi là khớp động” [4, 10]. - Những quy cách để nối các khâu lại với nhau là: Bắt chúng phải tiếp xúc với nhau theo một điểm: theo một đường hoặc theo một mặt. Ngoài những quy cách trên ra, không còn có quy cách nào khác. - Những phần nào đó của một khâu tham gia vào chỗ nối gọi là thành phần khớp động.
Như vậy thành phần khớp động cũng chỉ có thể là điểm, đường hoặc mặt mà thôi. Thành phần khớp động cũng có thể thay đổi khi các khâu chuyển động tương đối so với nhau. - Phân loại khớp động. * Theo tính chất tiếp xúc, người ta chia khớp động thành hai loại: khớp động loại cao (gọi tắt là khớp cao) và khớp động loại thấp (gọi tắt là khớp thấp).
Khớp động mà các thành phần của nó là điểm hoặc đường được gọi là khớp cao; là mặt gọi là khớp thấp. * Theo sô'ràng buộc R, các khớp động được chia thành 5 loại: - Khớp loại 1: gây ra 1 ràng buộc; tức là hạn chế được ỉ bậc tự do; - Khớp loại 2: gây ra2 ràng buộc; tức là hạn chế được 2 bậc tự do; - Khớp loại 3: gây ra3 ràng buộc; tức là hạn chế được 3 bậc tự do; - Khớp loại 4: gây ra 4 ràng buộc; tức là hạn chế được 4 bậc tự do; - Khớp loại 5: gây ra5 ràng buộc; tức là hạn chế được 5 bậc tự do. Không có khớp loại ó; vì khớp loại này hạn chế tất cả số bậc tự do của các khâu đem nối động với khâu được giữ làm chuẩn (cố định tương đối). Nếu hai khâu nô'i với nhau bằng khớp loại 6 thì thành một khâu mới.
Khớp loại 6 tương ứng với mối ghép hàn, mối ghép đinh tán; mối ghép bằng độ dôi, v. được sử dụng trong “Chi tiết máy” ở phần sau, hoặc trong môn học “Cơ học kết cấu” để ghép chặt các tiết máy, hoặc các cấu kiện lại với nhau, hoặc tạo ra một hệ bất biến hình (một miếng cứng). Ví dụ về các loại khớp động được chỉ rõ trong Bảng 1. chỉ ra sự liên kết giữa vật A và B, trong đó FR là véctơ chính và T0 là mô men chính của phản lực liên kết theo quan điểm Cơ học lý thuyết [1] để bạn đọc tiện đối chiếu giữa khái niệm “liên kết” và “nối động”, “phản lực liên kết”, “phản lực khớp động”.
Khớp động cùng loại có thể có nhiều dạng khác nhau xem Bảng 1. Bạn đọc có thể’ tìm hiểu các dạng đó trong các tài liệu [2, 3, 5, 12], Khi thiết kế sơ đồ nguyên lý của cơ cấu và máy, nếu dùng các loại khớp động trên, nối các khâu lại với nhau, trước hết ta được một chuỗi dộng. c) Định nghĩa 6 “Một hệ thống các khâu nối với nhau bằng các khớp dộng gọi là chuỗi động” [4, 10]. - 20 - Phân loại chuỗi dộng.
Theo vị trí cua các khâu sau khi nối động, người la chia ra chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian. Những chuỗi động có các khâu nằm trên một mặt phảng hoặc những mặt phẳng song song gọi là chuỗi động plìẳng, Hỉnh 1.4; ngược lại là chuỗi dộng không gian, Hình 7. Chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian có thể tạo thành chu vi hở hoặc những chu vi khép kín. Chuỗi động hở hoặc khép kín lại được chia thành chuỗi động đơn giản hoặc chuỗi động phức tạp.
Một chuỗi động nếu tạo thành chu vi khép kín được gọi là chuỗi dộng khép kín\ ngược lại là chuỗi động hở. Chuỗi động mà trong nó có ít nhất một khâu tham gia vào ba khớp động trở lên gọi là chuỗi dộng phức tạp. Các khâu trong chuỗi động chưa có chuyển động xác định. a) Chuỗi động phẳng b) Chuỗi động phẳng c) Chuỗi động phẳng (hở, đơn giản) (kín, đơn giản) (kín, phức tạp) Hình 1.
Chuỗi động phẳng a) Chuỗi động không gian (hò, đơn giản) b) Chuỗi động không gian (kín, phức tạp) Hình 1. Chuỗi động không gian - 21 - Bảng 1. Khớp động và lược đồ tương ứng của chúng d) Định nghĩa 7 “Hình vẽ quy ước biểu diễn đặc điểm cấu tạo, tính chất động học của khớp động; của khâu; của chuỗi động; của cơ cấu và của máy gọi là ìược đồ động học của chúng" [5, 6], Những hình vẽ quy ước ấy: phần lớn đều được chỉ rõ trong các tiêu chuẩn quốc gia của mỗi nước. Chẳng hạn ở Việt Nam có TCVN 15-74.6 chỉ rõ lược đồ động của các khớp động tương ứng của chúng.
Máy Trong phần Mở đầu đã đưa ra định nghĩa tổng quát về cơ cấu và máy dưới quan điểm chức năng và nhiệm vụ của chúng. Dưới đây nêu định nghĩa về cơ cấu và máy theo quan điểm cấu tạo. a) Định nghĩa 8 “Một chuối động kín, có một khâu cố định, nếu cho trước quy luật chuyển động của một hoặc một số khâu trong nó mà chuyển động của tất cả các khâu còn lại đêu hoàn toàn xác định, được gọi là cơ cấu" [2, 4, 5, 7], b) Định nghĩa 9 “Máy là thiết bị thực hiện những chuyển động cơ học dùng đ ể biến đổi năng lượng, vật liệu vả thông tin" [5, 10]. -2 3 - Trong định nghĩa về máy nêu trên cũng đã giới hạn một phạm vi rất hẹp của máy (xem định nghĩa máy, phần Mở đầu) mà môn học phải nghiên cứu.