Chương 1 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CƠ CẤU 1.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Định nghĩa Máy được hiểu là những sản phẩm hoàn chỉnh do con người sáng tạo ra, hoạt động có quy luật, có đối tượng xử lý xác định và được sử dụng cho tất cả các mục đích nâng cao chất lượng cuộc sống của con người. Mặc dù cùng là sản phẩm sáng tạo của con người, nhưng tính chất hoàn chỉnh của máy là điểm khác biệt đáng kể nhất của chúng so với những công cụ lao động thô sơ. Tính chất hoàn chỉnh của máy chỉ mang ý nghĩa tương đối tùy thuộc vào trình độ phát triển của khoa học - công nghệ trong từng lĩnh vực và trong từng giai đoạn phát triển của lịch sử nhân loại. Chẳng hạn, cùng là máy nhưng bên cạnh những loại máy có đặc điểm cấu tạo và sự hoạt động khá đơn giản (như máy tuốt lúa) còn có rất nhiều loại máy có cấu tạo và nguyên lý hoạt động cực kỳ phức tạp (như máy tính, xe tăng, tàu vũ trụ,.
Mọi máy đều được sáng tạo dựa trên những nguyên lý khoa học cụ thể, để phục vụ cho những mục đích cụ thể và chịu sự điều khiển của con người. Vì vậy, các máy bao giờ cũng hoạt động theo những quy luật xác định. Đối tượng xử lý của máy (còn gọi là đối tượng công nghệ) có thể được hiểu là tất cả những thứ mà máy tác động đến để biến chúng thành những sản phẩm vật chất hay sản phẩm tinh thần phục vụ cho con người, hoặc để chuyển chúng đến vị trí mà con người mong muốn. Đối tượng xử lý của máy nói chung trên thực tế rất đa dạng.
Chúng có thể là các loại tài nguyên, các nguồn năng lượng, các loại vật liệu, các sản phẩm hàng hóa, thông tin,. Chẳng hạn, các tài nguyên như đất, rừng, nước là đối tượng xử lý của máy cày, máy khai thác lâm nghiệp, máy bơm. Điện năng, nhiệt năng, cơ năng và các dạng năng lượng khác là đối tượng xử lý của các động cơ hoặc máy phát. Các loại vật liệu (như kim loại, gỗ) là đối tượng xử lý của các máy gia công cơ khí.
Hàng hóa, hành khách là đối tượng xử lý của các máy vận chuyển. Thông tin là đối tượng xử lý của máy tính và các máy thu, phát và truyền tin. Mục đích sử dụng của các máy nói chung cũng rất đa dạng, nhưng suy cho cùng 9 chúng đều hướng tới việc cải thiện chất lượng cuộc sống của con người. Một số mục đích đáng kể của máy móc là: - Nâng cao năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm cho xã hội.
- Thay thế toàn bộ hay thay thế một phần sức lao động chân tay và trí óc cho con người. - Cải thiện môi trường sống và điều kiện làm việc cho con người (máy điều hòa nhiệt độ, máy lọc không khí, máy lọc nước,. - Vận chuyển hàng hóa hay truyền tải thông tin đến nơi mong muốn. - Thực hiện các chức năng giải trí cho con người như máy tính, máy nghe nhạc, .2 Phân loại Trong thực tế và kỹ thuật, có thể bắt gặp nhiều loại máy khác nhau.
Tuy nhiên, theo chức năng và đối tượng xử lý, người ta thường chia máy móc nói chung thành các loại sau đây: - Máy năng lượng. Máy năng lượng là máy dùng để biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác phù hợp với quá trình sản xuất. Nguồn năng lượng do các máy năng lượng sản sinh ra sẽ thay thế một phần hay thay thế toàn bộ sức lao động của con người, đặc biệt là trong những trường hợp mà sức lao động của con người không thể thực hiện được. Các máy năng lượng đến lượt mình lại được chia thành các loại: máy phát, động cơ và máy biến đổi cơ năng.
Trong các loại máy năng lượng đó: - Máy phát là loại máy năng lượng dùng để biến đổi cơ năng thành một dạng năng lượng khác (như điện năng, nhiệt năng, quang năng). - Động cơ là loại máy năng lượng dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác (như điện năng, nhiệt năng, thủy năng, quang năng,. - Máy biến đổi cơ năng dùng để biến đổi cơ năng của một môi trường nào đấy (như nước, không khí, dầu, .) thành cơ năng sử dụng được trong thực tế. Chẳng hạn, máy nén khí dùng để tạo áp suất cao cho không khí rồi cung cấp cho các thiết bị sử dụng khí nén.
10 Nói chung, các máy năng lượng không phải là những đối tượng tiêu thụ trực tiếp các nguồn năng lượng. Máy công tác là máy tham gia trực tiếp vào các quá trình sản xuất, sử dụng (tiêu thụ) cơ năng tác động trực tiếp vào đối tượng công nghệ để tạo ra các sản phẩm lao động cho con người. Các máy gia công kim loại (như tiện, phay, bào, khoan,. là những máy công tác.
Máy vận chuyển là máy dùng để di chuyển con người và các sản phẩm như hàng hóa, vật liệu, trang thiết bị, cụm máy,. từ một vị trí nào đó đến vị trí mong muốn. Máy bay, ô tô, tàu hỏa, tàu thủy và các máy nâng chuyển là những thí dụ về máy vận chuyển. Máy thông tin là máy dùng để xử lý thông tin.
Xử lý thông tin theo nghĩa rộng có thể được hiểu là tạo thông tin, lưu trữ thông tin, thu, phát, truyền dẫn thông tin và xử lý thông tin theo nghĩa hẹp. Xử lý thông tin theo nghĩa hẹp có thể hiểu là: từ một nguồn dữ liệu đã có, bằng một cách nào đó (chẳng hạn dùng phần mềm) để cung cấp hoặc đưa ra thông tin thỏa mãn những tiêu chí xác định. Máy tính, điện thoại, tivi, rađiô,. đều là những máy thông tin.
Trong thực tế, để thuận tiện cho việc sản xuất hoặc tổ chức sản xuất, người ta thường chế tạo các máy tổ hợp (hay tổ hợp máy). Đó là sự kết hợp của ít nhất hai trong số các loại máy đã nêu ở trên (máy năng lượng, máy công tác, máy vận chuyển, máy thông tin) trong một hệ thống thống nhất. Tiêu biểu trong số chúng là tổ hợp giữa động cơ với máy cắt gọt kim loại như tổ hợp máy tiện, tổ hợp máy khoan, tổ hợp động cơ - máy nén khí, đặc biệt là các tổ hợp máy CNC (Computerizing Numerical Control).2 Cơ cấu Trong thực tế chúng ta có thể đã bắt gặp hoặc nghe nói tới các loại cơ cấu khác nhau, như cơ cấu tay quay con trượt, cơ cấu phanh, cơ cấu lái,. Giống như các loại máy móc, cơ cấu cũng là sản phẩm do con người sáng tạo ra.
Tuy nhiên, trong khi máy móc được chế tạo ra là để phục vụ cho các mục đích sản xuất hay xử lý năng lượng hoặc thông tin thì cơ cấu lại có nhiệm vụ truyền và biến đổi chuyển động. Theo nghĩa tổng quát, cơ cấu là một tập hợp hữu hạn của các vật thể (thường là vật thể rắn), các khối chất lỏng hay chất khí, được nối ghép với nhau theo những nguyên tắc xác định, có chuyển động xác định, được dùng để truyền và biến đổi chuyển động. 11 Khi so sánh máy và cơ cấu, chúng ta thấy một máy có thể chứa trong nó nhiều cơ cấu khác nhau. Ngoài ra, tên của máy thường biểu hiện chức năng của nó (như máy khoan, máy bào, máy cày, máy tính, .), trong khi tên của cơ cấu thường không thể hiện chức năng mà cơ cấu đảm nhiệm.3 Tiết máy và khâu a) Tiết máy.
Để thuận tiện cho việc chế tạo và sử dụng có hiệu quả các vật liệu, máy móc thường được chế tạo dưới dạng nhiều bộ phận nhỏ gọi là các chi tiết máy hay đơn giản là tiết máy, sau đó ráp lại. Theo quan điểm phân chia, tiết máy là một bộ phận của cơ cấu hoặc máy mà không thể tách thành các bộ phận khác nhỏ hơn bằng những biện pháp tháo/tách không phá hỏng. Tháo không phá hỏng là tách máy hoặc bộ phận máy thành các bộ phận nhỏ hơn sao cho sau đó vẫn sử dụng lại được những bộ phận này. Sử dụng các công cụ như cưa, đục, mỏ hàn,.
để chia nhỏ các bộ phận máy thuộc về cách phân chia phá hỏng. Theo quan điểm lắp ráp, tiết máy là bộ phận của cơ cấu hoặc máy mà trong đó không chứa nguyên công lắp ráp. Nói cách khác, tiết máy là sản phẩm trực tiếp nhận được sau các nguyên công gia công cơ khí mà chưa thực hiện bất cứ nguyên công lắp ráp nào. Khung, săm, lốp, vành, may-ơ của xe đạp, hay thân piston, xec-măng, trục khuỷu của động cơ đốt trong,.
là những chi tiết máy. Khâu là một bộ phận của cơ cấu hoặc máy có chuyển động riêng biệt nếu xét về nguyên lý. Những thí dụ dưới đây minh họa cho định nghĩa về khâu: - Các bánh đai và dây đai trong bộ truyền động đai. - Bánh trước, bàn đạp, xích, dây phanh trên xe đạp.
- Piston, thanh truyền, trục khuỷu trong động cơ đốt trong,. Về mặt nguyên lý, các khâu tồn tại cả dưới dạng không biến hình giống như các vật rắn tuyệt đối (như piston, thanh truyền, bánh xe đạp) và dạng biến hình (như dây đai, dây phanh, xích). Chúng ta quy ước gọi các khâu không biến hình là những khâu thông thường, các khâu biến hình là những khâu đặc biệt. Trong môn học về cơ bản chỉ đề cập đến những khâu thông thường.
Các khâu đặc biệt (như dây đai, dây phanh, xích, .) thường có thể nhận biết được một cách khá dễ dàng. Đối với những khâu loại thông thường, chúng ta sẽ gặp nhiều khó khăn hơn trong việc xác định phạm vi (giới hạn từ đâu đến đâu) của chúng. 12 Có hai lý do dẫn đến khó khăn nói trên. Thứ nhất, một khâu thường do nhiều tiết máy ghép lại.
Thứ hai, có sự khác nhau giữa mặt thực tế và mặt nguyên lý. Chẳng hạn, về mặt nguyên lý, giữa những bộ phận cấu thành khâu loại thông thường không có chuyển động tương đối, nhưng thực tế nhiều khi không phải như vậy. Để khắc phục khó khăn này, có thể sử dụng những dấu hiệu sau: - Các bộ phận cấu thành một khâu phải nằm gần kề nhau (như đùi và trục giữa xe đạp). - Các bộ phận mà giữa chúng không cần có chuyển động tương đối (khi máy hoạt động bình thường) thì chắc chắn thuộc về cùng một khâu.
- Các bộ phận máy liền kề nhau mặc dù có chuyển động tương đối so với nhau, nhưng chuyển động đó thực sự không cần thiết đối với sự hoạt động bình thường của máy, sẽ thuộc về cùng một khâu.