Bài giảng Nguyên lý máy: Bài 3 - TS. Phạm Minh Hải

Bài giảng Nguyên lý máy<br /> <br /> Bài 3<br /> <br /> TS. Phạm Minh Hải<br /> Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy và Robot<br /> Email: hai.phamminh1@hust.edu.vn<br /> Google site : tsphamminhhaibkhn<br /> <br /> Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 0<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> Mục tiêu và ý nghĩa<br /> Tải trọng<br /> <br /> Nội dung<br /> <br /> Cơ cấu / máy<br /> <br /> Phân tích lực cơ cấu<br /> Tải trọng tác dụng lên<br /> từng khâu, khớp<br /> - Thiết kế kết cấu của<br /> các chi tiết máy ghép<br /> thành từng khâu<br /> - Thiết kế kết cấu và<br /> chọn thông số bôi trơn<br /> cho các khớp động<br /> - Đánh giá về hiệu suất<br /> truyền động của cơ cấu<br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 1<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> Các lực tác dụng trên cơ cấu<br /> Lực dẫn động cần thiết trên<br /> khâu dẫn (g/t khâu phát động)<br /> <br /> Phân tích áp lực khớp động /Tính mô<br /> men cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> - Chọn động cơ dẫn động<br /> phù hợp<br /> - Tính toán cơ cấu truyền<br /> động từ động cơ đến khâu<br /> dẫn (hộp tốc độ, hộp giảm<br /> tốc)<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 3<br /> <br /> 3<br /> <br /> 1<br /> <br /> 3.1 Các loại lực trên cơ cấu<br /> <br /> 3.1 Các loại lực trên cơ cấu<br /> <br /> b) Lực quán tính<br /> <br /> a) Ngoại lực:<br /> <br /> – Tồn tại ở những khâu chuyển động có gia tốc<br /> – Trong trường hợp tổng quát khâu chuyển động song phẳng<br /> có:<br /> <br /> – Lực cản kỹ thuật FC do đối tượng<br /> công nghệ tác dụng lên bộ phận<br /> công tác<br /> – Trọng lượng G của các khâu<br /> chuyển động<br /> <br /> •<br /> •<br /> •<br /> •<br /> •<br /> <br /> – Lực phát động Mđ / Fđ từ động cơ<br /> đặt lên khâu phát động<br /> <br /> Máy bào ngang<br /> <br /> Pqi = −mi aSi và M qi = − J Si ε i<br /> 4<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> c) Nội lực: Lực tác động tương hỗ<br /> Nij: áp lực (khớp động) từ khâu i tác<br /> động lên khâu j<br /> Fmsij: Lực ma sát từ khâu i tác động<br /> lên khâu j<br /> Vji: vận tốc tương đối của khâu j<br /> <br /> đối với khâu i<br /> <br /> Tác dụng tương hỗ<br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 5<br /> <br /> • Các dữ liệu cho trước<br /> – Kích thước động và vị trí khâu dẫn<br /> – Vận tốc, gia tốc<br /> – Các thông số cấu tạo các khâu<br /> • Trọng tâm Si<br /> • Khối lượng mi<br /> • Mô men quán tính đối với trọng tâm JSi<br /> – Lực cản kỹ thuật<br /> • Kết quả<br /> – Phản lực (áp lực) tại các khớp động<br /> – Lực (mô-men) cân bằng trên khâu dẫn<br /> • Phương pháp: nguyên lý Đa-lăm-be (d'Alembert)<br /> {Lực quán tính, ngoại lực} = hệ lực cân bằng<br /> <br /> giữa các khâu trong cơ cấu<br /> <br /> Khi bỏ qua ma-sát<br /> trong khớp động<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.1 Các loại lực trên cơ cấu<br /> <br /> Phản lực khớp động<br /> <br /> Khối lượng khâu mi<br /> Vị trí trọng tâm Si<br /> Mô men quán tính đối với trọng tâm Jsi<br /> Gia tốc góc ࢿ࢏<br /> Gia tốc trọng tâm ࢇࡿ࢏<br /> <br /> Rij = N ij + Fmsij<br /> <br /> Rij ≈ N ij<br /> Rij = − R ji<br /> 6<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 7<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> • Ẩn số trong bài tính phân tích áp lực khớp động:<br /> <br /> Trị số và phương?<br /> <br /> • Nguyên tắc: Tách rời các khâu, khi đó nội lực<br /> của cơ cấu trở thành ngoại lực đối với từng<br /> khâu<br /> • Phương pháp:<br /> – Giải tích<br /> – Họa đồ vec tơ (vẽ)<br /> <br /> Trị số?<br /> <br /> Trị số và điểm đặt?<br /> <br /> Khớp thấp: 2 ẩn số<br /> <br /> Khớp cao: 1 ẩn số<br /> <br /> 8<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> -R12x<br /> <br /> R12y<br /> B<br /> <br /> S1 M1<br /> <br /> Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm<br /> (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)<br /> <br /> l1<br /> <br /> l2<br /> ω1<br /> <br /> A<br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> R41y<br /> <br /> ϕ2<br /> <br /> l4<br /> <br /> S3<br /> M3<br /> <br /> R43y<br /> <br /> ϕ3<br /> D<br /> <br /> -R12y<br /> S1 M1<br /> <br /> B<br /> <br /> D<br /> <br /> R43x<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> <br /> ,<br /> <br /> C<br /> <br /> -R23x<br /> <br /> M2<br /> <br /> S2<br /> <br /> -R23y<br /> <br /> P2<br /> <br /> R12x<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> (R12x,R12y,R23x,R23y)<br /> <br /> Nhận xét:<br /> - Khi xét riêng từng khâu độc lập → số pt ≠ số ẩn số<br /> - 2 cách có thể tiến hành:<br /> i. Xét chung nhóm khâu 2 và 3 (6 ẩn số) và xét<br /> riêng khâu 1 (3 ẩn số, các ẩn số ở khớp B đã<br /> tìm được)<br /> ii. Xét đồng thời cả 3 khâu (9 ẩn số)<br /> <br /> R23x<br /> <br /> l3<br /> <br /> R12y<br /> <br /> Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm<br /> (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)<br /> <br /> C<br /> <br /> C<br /> <br /> B<br /> <br /> Mcb1<br /> <br /> A R<br /> 41x<br /> <br /> R23y<br /> <br /> P3<br /> <br /> ϕ1<br /> <br /> P1<br /> <br /> -R23y<br /> <br /> P2<br /> <br /> R12x<br /> <br /> -R12x<br /> C<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> (R12x,R12y,R23x,R23y)<br /> <br /> A R<br /> 41x<br /> <br /> B<br /> <br /> -R23x<br /> <br /> M2<br /> <br /> S2<br /> <br /> -R12y<br /> <br /> R41y<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> <br /> B<br /> <br /> Mcb1<br /> <br /> P1<br /> <br /> 9<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> R23y<br /> C<br /> <br /> R23x<br /> <br /> P3<br /> <br /> S3<br /> M3<br /> <br /> R43y<br /> D<br /> <br /> R43x<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> <br /> ,<br /> <br /> (R23x,R23y R43x,R43y)<br /> <br /> (R23x,R23y R43x,R43y)<br /> <br /> 10<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 11<br /> <br /> 3<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực-mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> <br /> Cân bằng lực khâu 1<br /> ܴସଵ − ܴଵଶ + ܲଵ = 0 (1a)<br /> Ԧ<br /> Ԧ<br /> ‫ܯ‬ଵ − ݈ଵ × ܴଵଶ + ݈௉ଵ × ܲଵ − ‫ܯ‬௖௕ଵ = 0 (1b)<br /> <br /> -R12x<br /> P1<br /> <br /> Chiếu p/t (1a) lên các trục Ox, Oy và p/t (1b) lên<br /> trục Oz trong hệ tọa độ toàn cục, ta được hệ p/t đại<br /> số sau:<br /> <br /> ‫ܯ‬ଵ − ݈ଵ௫ ܴଵଶ௬ − ݈ଵ௬ ܴଵଶ௫<br /> <br /> R12y<br /> <br /> ܴଵଶ − ܴଶଷ + ܲଶ = 0<br /> Ԧ<br /> Ԧ<br /> ‫ܯ‬ଶ − ݈ଶ × ܴଶଷ + ݈௉ଶ × ܲଶ = 0<br /> <br /> -R12y<br /> <br /> R41y<br /> <br /> Ԧ<br /> Trong đó: ݈௉ଵ = ‫ܵܣ‬ଵ<br /> <br /> Cân bằng lực khâu 2<br /> <br /> B<br /> <br /> S2<br /> <br /> Mcb1<br /> <br /> S1 M1<br /> <br /> Ԧ<br /> Với ݈௉ଶ = ‫ܵܤ‬ଶ<br /> <br /> A R<br /> 41x<br /> Cân bằng lực khâu dẫn, 5 ẩn số gồm<br /> (Mcb1, R41x,R41y,R12x,R12y)<br /> <br /> ‫ܯ‬ଶ − ݈ଶ௫ ܴଶଷ௬ − ݈ଵ௬ ܴଶଷ௫<br /> <br /> 12<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> R12x<br /> <br /> C<br /> -R23y<br /> <br /> P2<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> (R12x,R12y,R23x,R23y)<br /> <br /> Làm tương tự như với khâu 1, ta<br /> được hệ phương trình đại số sau:<br /> <br /> (1.1)<br /> (1.2)<br /> (1.3)<br /> <br /> ܴସଵ௫ − ܴଵଶ௫ + ܲଵ௫ = 0<br /> ܴସଵ௬ − ܴଵଶ௬ + ܲଵ௬ = 0<br /> + (݈௉ଵ௫ ܲଵ௬ − ݈௉ଵ௬ ܲଵ௫ ) − ‫ܯ‬௖௕ଵ = 0<br /> <br /> B<br /> <br /> -R23x<br /> <br /> M2<br /> <br /> ܴଵଶ௫ − ܴଶଷ௫ + ܲଶ௫ = 0<br /> ܴଵଶ௬ − ܴଶଷ௬ + ܲଶ௬ = 0<br /> + (݈௉ଶ௫ ܲଶ௬ − ݈௉ଶ௬ ܲଶ௫ ) = 0<br /> <br /> (2.1)<br /> (2.2)<br /> (2.3)<br /> <br /> 13<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - Phương pháp giải tích<br /> <br /> R23y<br /> <br /> Cân bằng lực khâu 3<br /> ܴଶଷ + ܴସଷ + ܲଷ = 0<br /> Ԧ<br /> Ԧ<br /> ‫ܯ‬ଷ + ݈ଷ × ܴଶଷ + ݈௉ଷ × ܲଷ = 0<br /> <br /> C<br /> P3<br /> <br /> ‫ܯ‬ଷ + ݈ଶ௫ ܴଶଷ௬ − ݈ଵ௬ ܴଶଷ௫<br /> <br /> (1.1)<br /> (1.2)<br /> (1.3)<br /> <br /> ‫ܯ‬ଶ − ݈ଶ௫ ܴଶଷ௬ − ݈ଵ௬ ܴଶଷ௫<br /> <br /> ܴଵଶ௫ − ܴଶଷ௫ + ܲଶ௫ = 0<br /> ܴଵଶ௬ − ܴଶଷ௬ + ܲଶ௬ = 0<br /> + (݈௉ଶ௫ ܲଶ௬ − ݈௉ଶ௬ ܲଶ௫ ) = 0<br /> <br /> (2.1)<br /> (2.2)<br /> (2.3)<br /> <br /> ‫ܯ‬ଷ + ݈ଶ௫ ܴଶଷ௬ − ݈ଵ௬ ܴଶଷ௫<br /> <br /> ܴଶଷ௫ + ܴସଷ௫ + ܲଷ௫ = 0<br /> ܴଶଷ௬ + ܴସଷ௬ + ܲଷ௬ = 0<br /> + (݈௉ଷ௫ ܲଷ௬ − ݈௉ଷ௬ ܲଷ௫ ) = 0<br /> <br /> (3.1)<br /> (3.2)<br /> (3.3)<br /> <br /> ‫ܯ‬ଵ − ݈ଵ௫ ܴଵଶ௬ − ݈ଵ௬ ܴଵଶ௫<br /> <br /> S3<br /> M3<br /> <br /> R43y<br /> <br /> Ԧ<br /> Với ݈௉ଷ = ‫ܵܦ‬ଷ<br /> Làm tương tự như với khâu 1, ta<br /> được hệ phương trình đại số sau:<br /> <br /> ܴସଵ௫ − ܴଵଶ௫ + ܲଵ௫ = 0<br /> ܴସଵ௬ − ܴଵଶ௬ + ܲଵ௬ = 0<br /> + (݈௉ଵ௫ ܲଵ௬ − ݈௉ଵ௬ ܲଵ௫ ) − ‫ܯ‬௖௕ଵ = 0<br /> <br /> R23x<br /> <br /> D<br /> <br /> R43x<br /> <br /> Cân bằng lực thanh truyền, 4 ẩn số gồm<br /> <br /> ,<br /> <br /> (R23x,R23y R43x,R43y)<br /> <br /> ܴଶଷ௫ + ܴସଷ௫ + ܲଷ௫ = 0<br /> ܴଶଷ௬ + ܴସଷ௬ + ܲଷ௬ = 0<br /> + (݈௉ଷ௫ ܲଷ௬ − ݈௉ଷ௬ ܲଷ௫ ) = 0<br /> <br /> (3.1)<br /> (3.2)<br /> (3.3)<br /> <br /> NHÓM TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số)<br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 14<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 15<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> <br /> • Ví dụ: Cơ cấu 4 khâu bản lề - phương pháp Họa đồ véc tơ<br /> <br /> Điều kiện TĨNH ĐỊNH (số phương trình = số ẩn số) khi giải bài toán phân tích<br /> áp lực khớp động<br /> <br /> Bài 1<br /> <br /> Bài 2<br /> <br /> Cho cơ cấu 4kbl như hình dưới đây, với<br /> <br /> • Xét ĐỒNG THỜI sự cân bằng lực của các khâu trong 1 nhóm gồm có:<br /> <br /> Cho cơ cấu tqct như hỡnh dưới đây, với:<br /> <br /> lAB = lBC /4 = lCD /4 = 0,1 (m)<br /> <br /> • Số PT cân bằng lực: 3n<br /> <br /> lBC = 2lAB = 0,2 (m) , lCD = 0,05 (m),<br /> <br /> BC nằm ngang :ϕ1=900, ϕ3=450, P3=100N,<br /> <br /> •<br /> <br /> ϕ1=900, P3=100N.<br /> <br /> α3=900, AM=MC.<br /> <br /> Tính áp lực khớp động.<br /> <br /> n khâu, T khớp thấp và C khớp cao<br /> Số ẩn số: 2T+C<br /> ( Khớp thấp: 2 ẩn, Khớp cao: 1 ẩn)<br /> <br /> Tính áp lực khớp động.<br /> <br /> Điều kiện TĨNH ĐỊNH: 3n = 2T + C<br /> Nhận xét: tương đồng với công thức tính số bậc tự do của NHÓM TĨNH ĐỊNH<br /> khi phân tích cấu trúc cơ cấu.<br /> Trình tự giải bài tính phân tích áp lực khớp động:<br /> i. Xét các NHÓM TĨNH ĐỊNH, nhóm ở xa khâu dẫn xet trước.<br /> ii. Xét (các) khâu dẫn<br /> <br /> 16<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 17<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 3.2 Phân tích áp lực khớp động /Xác định lực/mô men<br /> cân bằng trên khâu dẫn<br /> Xác định lực cân bằng trên khâu dẫn bằng công suất<br /> • Nguyên lý di chuyển khả dĩ<br /> <br /> Hết bài 3<br /> <br /> – Với một hệ lực cân bằng, tổng công của tất cả các lực bằng không trong<br /> mọi di chuyển khả dĩ<br /> <br /> ∑ Pδ + ∑ M ϕ<br /> i<br /> <br /> i<br /> <br /> i<br /> <br /> i<br /> <br /> =0<br /> <br /> Tham khảo thêm:<br /> Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Tạ Khánh Lâm<br /> Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Nguyễn Xuân<br /> Lạc, Trần Doãn Tiến<br /> Google site: tsphamminhhaibkhn<br /> <br /> – Xét một hệ lực cân bằng gồm: ngoại lực, lực quán tính và mô-men cân<br /> bằng trên khâu dẫn 1<br /> n<br /> <br /> ∑ [Pv + M ω ] + M<br /> i i<br /> <br /> i<br /> <br /> i<br /> <br /> CB<br /> <br /> .ω1 = 0<br /> <br /> i =1<br /> <br /> → M CB = −<br /> <br /> 1<br /> <br /> ω1<br /> <br /> n<br /> <br /> ∑ [Pv + M ω ]<br /> i i<br /> <br /> i<br /> <br /> i<br /> <br /> i =1<br /> <br /> MCB >0, mô-men cân bằng cùng chiều ω1<br /> MCB >0, mô-men cân bằng ngược chiều ω1<br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 18<br /> <br /> Bài 3: Phân tích lực cơ cấu phẳng<br /> <br /> 19<br /> <br /> 5<br /> <br />