Nguyên lí máy - Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng

1Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 0
Bài giảng Nguyên lý máy
TS. PhạmMinh Hải
Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot
Email: hai.phamminh1@hust.edu.vn
Google site : tsphamminhhaibkhn
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 1
Bài 3
Phân tích lực cơ cấu phẳng
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 2
Mục tiêu và ý nghĩa
2
Cơ cấu / máyTải trọng
Phân tích lực cơ cấu
Tải trọng tác dụng lên
từng khâu, khớp
Lực dẫn động cần thiết trên
khâu dẫn (g/t khâu phát động)
- Thiết kế kết cấu của
các chi tiết máy ghép
thành từng khâu
- Thiết kế kết cấu và
chọn thông số bôi trơn
cho các khớp động
- Đánh giá về hiệu suất
truyền động của cơ cấu
- Chọn động cơ dẫn động
phù hợp
- Tính toán cơ cấu truyền
động từ động cơ đến khâu
dẫn (hộp tốc độ, hộp giảm
tốc)
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 3
Nội dung 
3

Các lực tác dụng trên cơ cấu

Phân tích áp lực khớp động /Tính mô
men cân bằng trên khâu dẫn
2Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 4
a) Ngoại lực:
– Lực cản kỹ thuật FC do đối tượng
công nghệ tác dụng lên bộ phận
công tác
– Trọng lượng G của các khâu
chuyển động
– Lực phát độngMđ / Fđ từ động cơ
đặt lên khâu phát động
Máy bào ngang
3.1 Các loại lực trên cơ cấu
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 5
b) Lực quán tính
– Tồn tại ở những khâu chuyển động có gia tốc
– Trong trường hợp tổng quát khâu chuyển động song phẳng
có:
• Khối lượng khâumi
• Vị trí trọng tâm Si
• Mô men quán tính đối với trọng tâm Jsi
• Gia tốc góc 

• Gia tốc trọng tâm 
iqi i S
P m a= −




iqi S i
M J ε= −




và
3.1 Các loại lực trên cơ cấu
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 6
c) Nội lực: Lực tác động tương hỗ
giữa các khâu trong cơ cấu
Nij: áp lực (khớp động) từ khâu i tác
động lên khâu j
Fmsij: Lực ma sát từ khâu i tác động
lên khâu j
Vji: vận tốc tương đối của khâu j 
đối với khâu i
ij ij msijR N F= +

 
 

ij ijR N≈

 

ij jiR R= −

 

3.1 Các loại lực trên cơ cấu

 Phản lực khớp động

 Khi bỏ qua ma-sát
trong khớp động

 Tác dụng tương hỗ
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 7
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Các dữ liệu cho trước
– Kích thước động và vị trí khâu dẫn
– Vận tốc, gia tốc
– Các thông số cấu tạo các khâu
• Trọng tâm Si
• Khối lượng mi
• Mô men quán tính đối với trọng tâm JSi
– Lực cản kỹ thuật
• Kết quả
– Phản lực (áp lực) tại các khớp động
– Lực (mô-men) cân bằng trên khâu dẫn
• Phương pháp: nguyên lý Đa-lăm-be (d'Alembert)
{Lực quán tính, ngoại lực} = hệ lực cân bằng
3Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 8
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ẩn số trong bài tính phân tích áp lực khớp động:
Trị số và phương? Trị số và điểm đặt? Trị số?
Khớp thấp: 2 ẩn số Khớp cao: 1 ẩn số
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 9
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Nguyên tắc: Tách rời các khâu, khi đó nội lực
của cơ cấu trở thành ngoại lực đối với từng
khâu
• Phương pháp: 
– Giải tích
– Họa đồ vec tơ (vẽ)
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 10
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
A
B
C
D
 ϕ1
 ϕ2
 ϕ3
l1
l2
l3
l4
ω1
A
S1
P1
B
R41y
R41x
-R12y
-R12x
M1
Mcb1
Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm
(Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)
B
CS2
P2
R12y
R12x
-R23y
-R23xM2
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R12x,R12y,R23x,R23y)
D
S3
P3
R23y
R23x
M3 R43y
R43x
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R23x,R23y, R43x,R43y)
C
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 11
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
A
S1
P1
B
R41y
R41x
-R12y
-R12x
M1
Mcb1
Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm
(Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)
B
C
S2
P2
R12y
R12x
-R23y
-R23xM2
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R12x,R12y,R23x,R23y)
Nhận xét:
- Khi xét riêng từng khâu độc lập→ số pt ≠ số ẩn số
- 2 cách có thể tiến hành:
i. Xét chung nhóm khâu 2 và 3 (6 ẩn số) và xét
riêng khâu 1 (3 ẩn số, các ẩn số ở khớp B đã
tìm được)
ii. Xét đồng thời cả 3 khâu (9 ẩn số) D
S3
P3
R23y
R23x
M3 R43y
R43x
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R23x,R23y, R43x,R43y)
C
4Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 12
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
 − 	 +  = 0 (1a)
 −  × 	 +  ×  − = 0 (1b)
Cân bằng lực khâu 1
A
S1
P1
B
R41y
R41x
-R12y
-R12x
M1
Mcb1
Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm
(Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)
Trong đó:  = 
Chiếu p/t (1a) lên các trục Ox, Oy và p/t (1b) lên
trục Oz trong hệ tọa độ toàn cục, ta được hệ p/t đại
số sau:
 − 	 +  = 0 (1.1)
 − 	 +  = 0 (1.2)
 − 	 − 	 + ( − ) −  = 0 (1.3)
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 13
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực-mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
	 − 	 + 	 = 0
	 − 	 × 	 + 	 × 	 = 0
Cân bằng lực khâu 2
B
C
S2
P2
R12y
R12x
-R23y
-R23xM2
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R12x,R12y,R23x,R23y)
Làm tương tự như với khâu 1, ta 
được hệ phương trình đại số sau:
	 − 	 + 	 = 0 (2.1)
	 − 	 + 	 = 0 (2.2)
	 − 		 − 	 + (		 − 		) = 0 (2.3)
Với 	 = 	
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 14
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
	 +  +  = 0
 +  × 	 +  ×  = 0
Cân bằng lực khâu 3
D
S3
P3
R23y
R23x
M3 R43y
R43x
Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm
(R23x,R23y, R43x,R43y)
C
Làm tương tự như với khâu 1, ta 
được hệ phương trình đại số sau:
	 +  +  = 0 (3.1)
	 +  +  = 0 (3.2)
 + 		 − 	 + ( − ) = 0 (3.3)
Với  = 
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 15
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích
	 +  +  = 0 (3.1)
	 +  +  = 0 (3.2)
 + 		 − 	 + ( − ) = 0 (3.3)
 − 	 +  = 0 (1.1)
 − 	 +  = 0 (1.2)
 − 	 − 	 + ( − ) −  = 0 (1.3)
	 − 	 + 	 = 0 (2.1)
	 − 	 + 	 = 0 (2.2)
	 − 		 − 	 + (		 − 		) = 0 (2.3)
NHÓM TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số)
5Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 16
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn

 Điều kiện TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số) khi giải bài toán phân tích
áp lực khớp động
• Xét ĐỒNG THỜI sự cân bằng lực của các khâu trong 1 nhóm gồm có: 
n khâu, T khớp thấp và C khớp cao
• Số PT cân bằng lực: 3n
• Số ẩn số: 2T+C
( Khớp thấp: 2 ẩn, Khớp cao: 1 ẩn)
Điều kiện TĨNH ĐỊNH: 3n = 2T + C
Nhận xét: tương đồng với công thức tính số bậc tự do của NHÓM TĨNH ĐỊNH 
khi phân tích cấu trúc cơ cấu.
Trình tự giải bài tính phân tích áp lực khớp động:
i. Xét các NHÓM TĨNH ĐỊNH, nhóm ở xa khâu dẫn xet trước.
ii. Xét (các) khâu dẫn
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 17
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn
• Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - phương pháp Họa đồ véc tơ
Bài 1 
Cho cơ cấu 4kbl như hình dưới đây, với
lAB = lBC /4 = lCD /4 = 0,1 (m)
BC nằm ngang :ϕ1=900, ϕ3=450, P3=100N, 
α3=900, AM=MC. 
Tính áp lực khớp động.
Bài 2
Cho cơ cấu tqct như hỡnh dưới đây, với:
lBC = 2lAB = 0,2 (m) , lCD = 0,05 (m), 
ϕ1=900, P3=100N.
Tính áp lực khớp động.
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 18
3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men 
cân bằng trên khâu dẫn

 Xác định lực cân bằng trên khâu dẫn bằng công suất
• Nguyên lý di chuyển khả dĩ
– Vớimột hệ lực cân bằng, tổng công của tất cả các lực bằng không trong 
mọi di chuyển khả dĩ
– Xét một hệ lực cân bằng gồm: ngoại lực, lực quán tính và mô-men cân
bằng trên khâu dẫn 1
1
1
[ ] . 0
n
i i i i CB
i
Pv M Mω ω
=
+ + =∑

 
 


 


11
1 [ ]
n
CB i i i i
i
M Pv M ω
ω
=
→ = − +∑

 




MCB >0, mô-men cân bằng cùng chiều ω1
MCB >0, mô-men cân bằng ngược chiều ω1
0ii iiP Mδ ϕ+ =∑ ∑



Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng 19
Hết bài 3
Tham khảo thêm:
Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm
Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân
Lạc, Trần Doãn Tiến
Google site: tsphamminhhaibkhn