Nguyên lí máy - Bài 01: Cấu trúc động học của cơ cấu

NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 0
Nội dung học phần
 Phần 1: Cấu trúc động học của cơ cấu
 Phần 2: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế nguyên lý máy
 Phân tích động học
 Phân tích lực
 Chuyển động thực
 Làm đều chuyển động
 Cân bằng máy
 Phần 3: Lý thuyết về các cơ cấu có khớp cao
 Cơ cấu cam
 Cơ cấu bánh răng
Bài 1
Cấu trúc động học của
cơ cấu
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 2
Nội dung chính của bài
 Mục tiêu: Phân tích và tổng hợp cơ cấu về mặt cấu trúc 
động học
 Những khái niệm cần nắm được
 CTM, khâu, khớp, chuỗi động, cơ cấu
 Bậc tự do của cơ cấu
 Nguyên lý hình thành cơ cấu, nhóm tĩnh định
 Những vấn đề mấu chốt:
 Lập được lược đồ động học của một cơ cấu cho trước
 Xác định số bậc tự do của một cơ cấu cho trước
 Lập/lựa chọn cấu trúc cơ cấu khi cho trước một số đặc 
điểm về chuyển động của khâu bị dẫn
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 3
Cấu tạo cơ bản của máy
= Máy Nguồn năng lượng Cơ cấu+
Các CTM
Các khâu
Các khớp
Cơ cấu
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 4
1. Định nghĩa và khái niệm
1.1. Khâu và chi tiết máy
 CTM:
Các chi tiết máy trong cụm piston-thanh truyền (động cơ đốt trong)
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 5
1. Định nghĩa và khái niệm
1.1. Khâu và chi tiết máy
 Khâu: Bộ phận có chuyển động tương đối với bộ phận 
khác trong máy
Các khâu
 Trục khuỷu
 Thanh truyền
 Piston 
 Xylanh
 Van (2x)
 Cam (2x)
Mô hình động cơ đốt trong
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 6
1. Định nghĩa và khái niệm
1.1. Khâu và chi tiết máy
 Mỗi khâu là một CTM hoặc do nhiều CTM ghép cứng lại với
nhau
Thanh truyềnTrục khuỷuĐộng cơ 4 xylanh
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 7
1. Định nghĩa và khái niệm
1.2. Bậc tự do của khâu, nối động
 Hai khâu để rời trong không
gian có 6 khả năng chuyển
động tương đối độc lập, gọi là
6 bậc tự do
 Hai khâu để rời trong
chuyển động phẳng có 3 
BTD tương đối
y
x
O
A
B
1
2
xA
yA
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 8
1. Định nghĩa và khái niệm
1.2. Bậc tự do của khâu, nối động
 Nối động: Cho hai khâu tiếp xúc với nhau theo một quy 
cách xác định, nhằm
• Hạn chế bớt BTD tương đối
• Tạo chuyển động xác định giữa các khâu
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 9
1. Định nghĩa và khái niệm
1.2. Bậc tự do của khâu, nối động
 Mỗi khớp động gồm 2 thành phần khớp động
Cầu – phẳng Trụ – phẳng
Phẳng – phẳng Cầu-cầu
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 10
1. Định nghĩa và khái niệm
1.4. Phân loại khớp động
 Theo tính chất tiếp xúc
 Khớp cao: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo điểm
hoặc đường
 Khớp thấp: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo mặt
 Theo số BTD bị hạn chế (số ràng buộc)
 Khớp loại i: Hạn chế i BTD
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 11
1. Định nghĩa và khái niệm
1.4. Phân loại khớp động
Có khớp loại 6?
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 12
1. Định nghĩa và khái niệm
1.5. Lược đồ khâu, khớp
 Mục đích: Đơn giản hóa, giữ lại những yếu tố ảnh hưởng 
đến chuyển động => tiện cho việc nghiên cứu về các bài 
tính Nguyên lý máy
 Cách biểu diễn khớp động:
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 13
1. Định nghĩa và khái niệm
1.5. Lược đồ khâu, khớp
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 14
1. Định nghĩa và khái niệm
1.5. Lược đồ khâu, khớp
 Lược đồ khâu :
 Biểu diễn các thành phần khớp động trên khâu và vị trí 
tương quan giữa chúng (kích thước động)
Kích thước động = ?
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 15
1. Định nghĩa và khái niệm
1.5. Chuỗi động, cơ cấu
 Chuỗi động: Gồm nhiều khâu nối động với nhau
 Chuỗi động kín / Chuỗi động hở
Mỗi khâu được nối với ít
nhất 2 khâu khác
Có khâu chỉ nối với 1 khâu
duy nhất
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 16
1. Định nghĩa và khái niệm
1.5. Chuỗi động, cơ cấu
 Cơ cấu: Chuỗi động có một khâu cố định (khâu được chọn 
làm hệ quy chiếu) gọi là GIÁ 
 Cơ cấu phẳng / Cơ cấu không gian
Cơ cấu 4 khâu bản lề Cơ cấu tay quay-con trượt
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 17
1. Định nghĩa và khái niệm
1.6. Lược đồ cơ cấu
Cơ cấu 4 khâu bản lề
Cơ cấu tay quay-con 
trượt không gian
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 18
2. Cơ cấu phẳng
2.1. Khái niệm
 Cơ cấu cấu phẳng: Các khâu chuyển động trong cùng một 
mặt phẳng hoặc các mặt phẳng song song với nhau
Cơ cấu Sin Cơ cấu Culít
Cơ cấu Robot //Cơ cấu Cam
Cơ cấu hỗn
hợp: Tay quay-
con trượt; Bánh
răng; Cam
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 19
2. Cơ cấu phẳng
2.1. Khái niệm
Khả năng chuyển động của cơ cấu 
phụ thuộc vào tính chất và cấu trúc 
của các khớp động như thế nào?
Tính bậc tự do của cơ cấu
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 21
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do của cơ cấu
 Số BTD = Tổng BTD của khâu động – Tổng ràng buộc do 
các khớp tạo ra
 Xét cơ cấu phẳng có
 n khâu động và giá
 T khớp loại thấp và C khớp loại cao
 Tổng số BTD của n khâu động
Wo =3n
 Tổng số ràng buộc do T khớp thấp và C khớp cao tạo ra
R = 2T+C
 Vậy BTD của cơ cấu
0
 -W W R
0
3 2 ( )W W R n T C
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 22
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do
 Lược đồ hóa và tính BTD
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 23
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do
 Lược đồ hóa và tính BTD
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 24
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do
 BTD thừa Wth
 Xét cơ cấu cam quay cần lắc đáy con lăn
 Thực tế chỉ có 1 BTD => có 1 BTD thừa
 Tại sao? Chuyển động quay của con lăn có ảnh
hưởng gì?
3 2 3 3 2 3 1 2 ( ) . ( . )W n T C
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 25
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do
 Ràng buộc trùng Rtr
 Xét cơ cấu cam quay cần lắc đáy con lăn
 Thực tế cơ cấu vẫn chuyển động => có 1 BTD 
 Ràng buộc trùng?
3 2 3 2 2 3 0 0 ( ) . ( . )W n T C
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 26
2. Cơ cấu phẳng
2.2. Bậc tự do
 Công thức tổng quát tính BTD của cơ cấu phẳng
0
3 2 ( ) Wtr th thW W R n T C R R
n : số khâu động
T : số khớp loại thấp
C : số khớp loại cao
Rtr : số ràng buộc trùng
Rth : số ràng buộc thừa
Wth : số bậc tự do thừa
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 27
2. Cơ cấu phẳng
2.3. Ý nghĩa BTD
 Xét cơ cấu 4 khâu bản lề:
 Có 1 BTD
 Biết 1(t) c/động của các khâu
còn lại
 Xét cơ cấu 5 khâu bản lề:
 Có 2 BTD
 Biết 1(t), 4(t) c/động của các
khâu còn lại
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 28
2. Cơ cấu phẳng
2.3. Ý nghĩa BTD, khâu dẫn, khâu phát động
 BTD = Số thông số vị trí độc lập cần cho trước để xác định
hoàn toàn vị trí của cơ cấu
 BTD = Số quy luật chuyển động cần cho trước để xác định
hoàn toàn quy luật chuyển động của cơ cấu
 Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu
dẫn. Các khâu còn lại gọi là các khâu bị dẫn
 Khâu phát động là khâu được nối trực tiếp với nguồn năng
lượng làm máy chuyển động. Nó có thể trùng hoặc không
trùng với khâu dẫn
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 29
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
 Cơ cấu 4 khâu bản lề có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 1 nhóm hai khâu, ba khớp
 Cơ cấu 5 khâu bản lề có 2 BTD = 2 khâu dẫn + nhóm 2 khâu, 3 khớp
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 30
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
 Cơ cấu 6 khâu có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 2 nhóm hai khâu, ba khớp
Có nhận xét gì về số BTD của cơ cấu, số khâu dẫn và số bậc tự
do của các nhóm còn lại?
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 31
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
 Nguyên lý hình thành cơ cấu:
 Các nhóm có BTD = 0 được gọi là Nhóm tĩnh định
𝑊𝑛ℎó𝑚 𝑡ĩ𝑛ℎ đị𝑛ℎ = 3𝑛 − 2𝑇 = 0
Cơ cấu có W BTD
0 0 0 ...W W
Số khâu dẫn Các nhóm có BTD = 0
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 32
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
Nhóm tĩnh định chưa tối giản Nhóm tĩnh định tối giản –> Nhóm A-xua (Át-xua)
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 33
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
Khớp trong
Khớp chờ
Hạng 2
Hạng 3
Hạng 4
Hạng 4
Hạng của nhóm Át-xua
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 34
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
 Phân hạng cơ cấu
 Cơ cấu hạng I: là cơ cấu có một khâu động thường nối
với giá bằng khớp bản lề
 Cơ cấu có số khâu động lớn hơn 1: Tổ hợp của một hay 
một số cơ cấu hạng một với một hay một số nhóm Át-
xua
 Nếu chỉ có một nhóm Át-xua thì hạng của cơ cấu là
hạng của nhóm này
 Nếu có nhiều nhóm Át-xua thì hạng của cơ cấu là
hạng của nhóm có hạng cao nhất
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 35
 Xét ví dụ chọn/hình thành cơ cấu tạo chuyển động tịnh
tiến qua lại cho đầu bào
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
Đầu bào
chuyển
động tịnh
tiến qua 
lại
Bàn gá
phôi
Dao
Phôi
Động cơ
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 37
 Phương án thực tế
2. Cơ cấu phẳng
2.4. Cấu trúc cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
Sử dụng cơ cấu
Culit phối hợp với
các nhóm khác
nhau
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 38
 Lấy ví dụ máy bào ngang
 Cho trước
 Hành trình: H
 Góc lắc cực đại: Y
 Phương xx: a =(b+c)/2
 Khoảng cách AC = a/2
 Tỷ số lDE/lDC = l
 Tìm
 Kích thước các khâu
2. Cơ cấu phẳng
2.5. Tổng hợp kích thước
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 39
 Từ hành trình H và góc lắc
cực đại Y xác định được
chiều dài thanh lắc CD:
 Từ tỷ số l tính được chiều dài
thanh truyền DE:
 Chiều dài lAC = a/2
 Từ chiều dài lAC và góc lắc Y
tính được chiều dài tay quay:
2
2

/
;
sin
CD
H
l
2
Y
 os ;CDc l c CDb l
l DE DCl l
2
Y
 ' sinAB AB ACl l l
2. Cơ cấu phẳng
2.5. Tổng hợp kích thước
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 42
4. Bài tập
 Vẽ lược đồ động và tính BTD của cơ cấu khung xe
Giá (khung)
Giá (khung xe)
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 43
4. Bài tập
 Vẽ lược đồ động và tính BTD của cơ cấu máy đột dập
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 44
4. Bài tập
 Vẽ lược đồ động của cơ cấu và tính BTD?