Nguyên lí máy - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu

NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 0 
Bài giảng Nguyên lý máy 
TS. Phạm Minh Hải 
Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot 
Email: hai.phamminh1@hust.edu.vn 
Google Site: tsphamminhhaibkhn 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 1 
• 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 
Bài 1 Cấu trúc động học của cơ cấu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 2 
Nội dung 
 Các khái niệm cơ bản 
Bậc tự do của cơ cấu 
Cấu trúc cơ cấu – Nguyên lý hình thành cơ cấu 
Một số loại cơ cấu điển hình 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 3 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.1 Khâu 
• Khâu: Bộ phận có chuyển động tương 
đối với bộ phận khác trong máy 
Các bộ phận có chuyển động tương đối 
đối với nhau: 
1. Thân động cơ 
2. Trục khuỷu - c/đ quay so với khâu (1) 
3. Thanh truyền – c/đ song phẳng 
4. Piston – c/đ tịnh tiến 
5. Van (2x) - c/đ tịnh tiến 
6. Cam (2x) - c/đ quay 
Mô hình động cơ đốt trong Có 6 khâu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 4 
• Mỗi khâu là một CTM hoặc do nhiều CTM ghép cứng lại với nhau 
Khâu (3): nhiều chi tiết ghép lại Khâu (2): 1 chi tiết 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.2 Chi tiết máy 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 5 
Ví dụ về cấu tạo củacụm piston-thanh truyền (động cơ đốt trong) 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.2 Chi tiết máy 
A, B, C: vòng xéc măng; 
D: thân pít-tông; 
E, F: vít kẹp đầu nhỏ; 
G, J, K: vít kẹp đầu to; 
H: 2 nửa đầu to; 
L: bạc lót ổ trục đầu to. 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 6 
– Các chi tiết máy/bộ phận máy liên kết với nhau tạo thành 
máy. 
– Trên 1 khâu, các chi tiết máy được liên kết cố định với nhau 
– Trong một cơ cấu, các khâu được liên kết động (nối động) với 
nhau 
6 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.3. Cấu tạo của máy 
Nối động là gì? 
Có những loại nối động nào? 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 7 
 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 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động 
a) Nối động: 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 8 
a) Nối động: 
• Một phép nối động được thực hiện bằng cách cho 2 khâu tiếp xúc với nhau theo 
một quy cách nhất định, nhằm hạn chế bớt số BTD tương đối. 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động 
Ví dụ: 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 9 
b) Khớp động là tập hợp các thành phần khớp động trong một phép nối động. 
Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành phần khớp động. 
Mặt cầu – mặt phẳng Mặt trụ (tròn xoay) – mặt phẳng 
Mặt phẳng – mặt phẳng Mặt cầu – mặt cầu 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 10 
• Theo tính chất tiếp xúc 
– Khớp (loại) cao: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo điểm / đường 
– Khớp (loại) thấp: hai thành phần khớp tiếp xúc nhau theo mặt 
• Theo số BTD tương đối bị hạn chế (số ràng buộc) 
Khớp loại i hạn chế i BTD; i=1,2,3,4,5 
c) Phân loại khớp động: 
Ví dụ: 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động 
Cao, loại 1 Cao, loại 2 Thấp, loại 3 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 11 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.4 Liên kết (nối) động giữa các khâu – Khớp động 
c) Phân loại khớp động (tiếp): 
Thấp, loại 5 
Thấp, loại 4 
Thấp, loại 3 Thấp, loại 4 
Thấp, loại 5 
Thấp, loại 5 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 12 
Nhận xét: các khâu 
(gồm các chi tiết máy) 
có hình dáng phức tạp 
với nhiều kích thước. Để 
nghiên cứu về chuyển 
động, ta có thể biểu 
diễn cơ cấu như thế nào 
cho thuận tiện? 
 Lược đồ cơ cấu 
12 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 13 
Ví dụ về lược đồ khớp động: 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 14 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu 
Ví dụ về lược đồ khớp động 
(tiếp): 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 15 
• Lược đồ khâu: Biểu diễn các thành phần khớp động trên 
khâu và vị trí tương quan giữa chúng (kích thước động) 
Khâu thanh truyền Lược đồ khâu 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 16 
• Chuỗi động/Cơ cấu: tập hợp các khâu nối với nhau bằng các khớp động 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.5 Lược đồ khâu, khớp, cơ cấu 
Chuỗi động 
4 khâu, 4 khớp bản lề 
Chọn làm hệ quy chiếu và gọi là GIÁ 
Cơ cấu 
Cơ cấu = GIÁ + các khâu động 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 17 
Phân loại cơ cấu theo tính chất chuyển động: 
• Cơ cấu cấu phẳng: Các khâu chuyển động trong cùng một mặt 
phẳng hoặc những mặt phẳng song song với nhau. 
• Cơ cấu cấu không gian: Các khâu chuyển động trên những mặt 
phẳng không song song với nhau. 
1.1 Các khái niệm cơ bản 
1.1.6 Phân loại chuỗi động - cơ cấu 
Phân loại chuỗi động: 
• Chuỗi kín: mỗi khâu được nối động với ít nhất 2 khâu khác 
• Chuỗi hở: có khâu chỉ nối động với 1 khâu khác 
• Chuỗi hỗn hợp: gồm các chuỗi kín và chuỗi hở kết hợp lại 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 18 
Số khâu, số khớp, loại khớp của một cơ cấu tuân theo quy tắc nào? 
Mô hình động cơ đốt trong 
Cơ cấu 4 khâu 4 khớp: 
thân máy, trục khuỷu, 
thanh truyền, pít-tông 
Cơ cấu 3 khâu 3 khớp: 
thân máy, trục cam, van su-páp 
Nhận xét: Một máy có thể gồm nhiều hơn 1 cơ cấu thành phần 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 19 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.1 Công thức cho cơ cấu phẳng 
Xét cơ cấu phẳng có: 
• n khâu động và giá 
• T khớp loại thấp và C khớp loại cao 
Tổng số BTD (so với Giá) của n khâu động khi tách rời là: 
 Wo =3n - Wth 
Tổng số BTD mất đi do T khớp thấp và C khớp cao tạo ra là: 
 R = 2T + C – Rtr – Rth 
Số BTD của cơ cấu: 
 W = Wo – R = 3n – (2T + C – Rtr – Rth) - Wth 
Wth : số BTD thừa 
Rtr: Số ràng buộc trùng 
Rth: Số ràng buộc thừa 
Ví dụ 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 20 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.2 Ví dụ (cơ cấu phẳng) 
W = 3n – (2T + C) 
 = 3.3 – (2.4 + 0) 
 = 1 
W = 3n – (2T + C) 
 = 3.4 – (2.5 + 0) 
 = 2 
Wth = 0 
Rtr = 0 
Rth = 0 
Ví dụ 1 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 21 
Thực tế chuyển động quay của con 
lăn không ảnh hưởng tới quy luật 
chuyển động của cần lắc 
 -> có 1 BTD thừa, Wth = 1 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.2 Ví dụ 
Xét cơ cấu cam quay cần lắc đáy con lăn 
W = 3n – (2T + C) - Wth 
 = 3.3 – (2.3 + 1) -1 
 = 1 
Rtr = 0 
Rth = 0 
Ví dụ về bậc tự do thừa 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 22 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.2 Ví dụ 
W = 3n – (2T + C - Rtr) 
 = 3.2 – (2.3 + 0 - 1) 
 = 1 
Wth = 0 
Rth = 0 
Rtr = 1 
Ràng buộc trùng 
Mô phỏng chuyển động 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 23 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.2 Ví dụ 
W = 3n – (2T + C - Rth) 
 = 3.4 – (2.6 + 0 - 1) 
 = 1 
Wth = 0 
Rtr = 0 
Rth = 1 
E 
A 
B C 
D 
F 
Ràng buộc thừa 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 24 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.3 Ý nghĩa BTD của cơ cấu – Khâu dẫn – Khâu bị dẫn 
• Số BTD = Số thông số vị trí độc lập 
cần cho trước để xác định hoàn 
toàn vị trí của cơ cấu 
• Số BTD = Số quy luật chuyển động 
cần cho trước để xác định hoàn 
toàn quy luật chuyển động của cơ 
cấu 
1 BTD 
2 BTD 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 25 
1.2 Bậc tự do của cơ cấu 
1.2.3 Ý nghĩa BTD của cơ cấu – Khâu dẫn – Khâu bị dẫn 
• Khâu có quy luật chuyển động cho 
trước được gọi là khâu dẫn (nối 
giá bằng khớp bản lề). Các khâu 
còn lại gọi là các khâu bị dẫn 
• Khâu phát động là khâu trên đó 
đặt lực phát động. 
Mô hình động cơ đốt trong 
Cơ cấu được hình thành như thế nào? 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 26 
 Cơ cấu 4 khâu bản lề có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 1 nhóm (2 khâu, 3 khớp) 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (Atxua) – nguyên tắc 
hình thành cơ cấu 
 Cơ cấu 5 khâu bản lề có 2 BTD = 2 khâu dẫn + 1 nhóm (2 khâu, 3 khớp) 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 27 
 Cơ cấu 6 khâu có 1 BTD = 1 khâu dẫn + 2 nhóm (2 khâu, 3 khớp) 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc 
hình thành cơ cấu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 28 
→ Nguyên tắc hình thành cơ cấu: 
số BTD 
0 0 0 ...W W
Số khâu dẫn Các nhóm khâu động có 
BTD = 0 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc 
hình thành cơ cấu 
Các nhóm có BTD = 0 được gọi là nhóm tĩnh định 
𝑊 = 3𝑛 − 2𝑇 = 0 ( phẳng toàn khớp thấp) 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 29 
Nhóm tĩnh định chưa tối giản Nhóm tĩnh định tối giản –> Nhóm A-xua (Át-xua) 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.1 Nhóm tĩnh định - nhóm tĩnh định tối giản (A-xua) – nguyên tắc 
hình thành cơ cấu 
Khâu dẫn 
Nhóm tĩnh định tối giản (A-
xua) là nhóm không thể tách 
thành các nhóm tĩnh định 
nhỏ hơn (ít khâu, ít khớp 
hơn) 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 30 
Khớp trong 
Khớp chờ 
Hạng 2 
Các loại nhóm A-xua 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu 
Hạng 3 
Đa giác khớp trong có 3 đỉnh 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 31 
Hạng 4 
Đa giác khớp trong có 4 đỉnh 
Hạng 5 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu 
Các loại nhóm A-xua 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 32 
• Các loại cơ cấu: 
– Cơ cấu hạng I: là cơ cấu có một khâu động, 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 I với một hay một số 
nhóm A-xua 
• Nếu chỉ có một nhóm A-xua thì hạng của cơ cấu là hạng 
của nhóm này 
• Nếu có nhiều nhóm A-xua thì hạng của cơ cấu là hạng 
của nhóm có hạng cao nhất 
1.3 Cấu trúc cơ cấu 
1.3.2 Xếp loại nhóm A-xua và loại cơ cấu 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 33 
1.4 Xếp loại cơ cấu phẳng có khớp cao 
1 khớp cao = 1 khâu + 2 khớp thấp 
Chú ý: phép thay thế này chỉ áp đúng “tức thời” 
Dùng phép thay thế khớp cao bằng khớp thấp tương đương 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 34 
1.5 Cơ cấu 4 khâu phẳng 
1. Bốn khâu bản lề 
2. Tay quay con trượt chính tâm 
3. Tay quay con trượt lệch tâm 
4. Cu-lít chính tâm 
5. Cu-lít lệch tâm 
6. Cu-lít đảo 
7. Tang 
8. Sin 
9. Man 
10.Ôn-đam (Oldham) 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 35 
• Vẽ lược đồ động của cơ cấu khung xe 
Giá (khung) 
Giá (khung xe) 
1.6 Bài tập ví dụ 
NLM ME3060 - Bài 1: Cấu trúc động học của cơ cấu 36 
Hết bài 1