Bài giảng Nguyên lý máy: Chương 3 - ĐH Giao thông Vận Tải

ƯỜ

Ô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Ả Ậ Khoa Cơ Khí-Bộ môn Kỹ thuật máy ----------&&&&&---------

NGUYÊN LÝ MÁY NGUYÊN LÝ MÁY

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

10/01/2011 1

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g p p 3.1. Mục đích, nội dung và phương pháp

, ộ

ụ

p

g

(cid:132) Mục đích:

(cid:132) Xác định quy luật chuyển động thực của máy, (cid:132) Tính toán kích thước, độ bền các khâu, á kí h h ớ độ bề (cid:132) Quy định hợp lý chế độ bôi trơn các khớp động, (cid:132) Xác định công suất máy…

(cid:132) Nội dung

(cid:132) Xác định phản lực trong các khớp động. Xác định phản lực trong các khớp động (cid:132) Xác định lực hoặc mômen cân bằng cần đặt lên khâu dẫn để cân

í h á khâ

bằng các ngoại lực khác tác dụng lên cơ cấu.

10/01/2011 2

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g p p 3.1. Mục đích, nội dung và phương pháp

p

g

ụ

, ộ (cid:132) Phương pháp:

(cid:132) Phương pháp đồ giải, (cid:132) Phương pháp giải tích. iải í h há

h Chú ý:

, ặ g ạ ự ộ g ọ ,

(cid:132) Ngoại lực đặt lên các khâu, các tham số động học, các tham số quán tính và quy luật chuyển động của cơ cấu xem như đã biết. (cid:132) Bỏ qua lực quán tính khi vận tốc thấp hay khối lượng khâu nhỏ . Nguyên lý Đalambe: Nế ngoài những lực tác động lên một cơ Nguyên lý Đalambe: Nếu ngoài những lực tác động lên một cơ hệ, ta thêm vào đó lực quán tính và coi chúng như những ngoại lực thì cơ hệ được coi ở trạng thái cân bằng. dù

để iải bài t á

h

⇒ dùng phương pháp tĩnh học để giải bài toán há tĩ h h

10/01/2011 3

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

3.2. Các loại lực tác dụng lên cơ cấu

ạ ự

ụ g

(cid:132) Ngoại lực

(cid:132) Lực cản kỹ thuật: Lực từ đối tượng công nghệ và lực cản do ma

(cid:132) Trọng lượng của các khâu, (cid:132) Lực phát động, (cid:132) Lực quán tính

(cid:132) Xuất hiện khi các khâu chuyển động có gia tốc, (cid:132) Lực quán tính gây nên áp lực động phụ và lực ma sát phụ, (cid:132) Lực quán tính gây nên áp lực động phụ và lực ma sát phụ

(cid:132) Nội lực

(cid:132) Nội lực là phản lực trong các khớp động, (cid:132) Gồm 2 thành phần: ⊥ và ⁄ ⁄ với phương chuyển động tương đối

sát, môi trường sát môi trường

10/01/2011 4

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ự q

ị 3.3. Cách xác định lực quán tính (cid:132) Khâu chuyển động tính tiến

B B

r r 0

r ε = → =

r uuur qtM

Pqt P

= −

uur P qt

r ma s

Sa a

Aa a

Khâu chỉ có lực quán tính đi qua trọng tâm S: qua trọng tâm S:

10/01/2011 5

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ị 3.3. Cách xác định lực quán tính

ự q

(cid:132) Khâu quay quanh trục cố định đi qua trọng tâm

r 0 0

→

r a Sa S

uur P P = → = − qt

r ma ma s

S S

a. Khi khâu quay đều Khi khâ đề

b. Khi khâu quay không đều

ε

Mqt q

r 0

r a S

uur P = → = − qt

r ma s

10/01/2011 6

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ị 3.3. Cách xác định lực quán tính

ự q

(cid:132) Khâu quay quanh trục không đi qua trọng tâm

qtP

S S

ω = const

→ = → = −

= −

r a a S S

r n a a S S

uur P P qt

r ma ma s

r n ma ma S S

a. Khi khâu quay đều Khi khâ đề

4 2 + ω ε

r a S

r t a S

= −

4 2 + ω ε

r n a = S uur P → = − qt

r ma s

b. Khi khâu quay không đều

10/01/2011 7

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ự q

ị 3.3. Cách xác định lực quán tính (cid:132) Khâu chuyển động song phẳng

a A a

a aSA

s SBa

r 0

r a s

uur P ≠ → = − qt

r ma s

Pqt

Mqt

εA

10/01/2011 8

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ộ g 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động ị

ệ

(cid:132) Điều kiện tĩnh định: Để giải bài toán áp lực khớp động thì số phương trình cân bằng lực phải bằng số ẩn chứa trong phương trình đó. t t ì h đó

(cid:132) Xét 1 chuỗi động n khâu và pk khớp loại k , (cid:132) Số phương trình lập được 6n phương trình, p (cid:132) Số ẩn chứa trong chuỗi động phụ thuộc vào số lượng và loại

ập ợ g p g

(cid:132) Theo điều kiện tĩnh định ta có: (cid:132) Theo điều kiện tĩnh định ta có:

−

k p hay . k

k p . k

∑

1 =

khớp động, khớp loại k chứa k ẩn,

n 3

−

p 5

p 4

Đối với cơ cấu phẳng ối ới hẳ ấ

10/01/2011 9

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ộ g 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động ị

ệ

(cid:132) Số ẩn cần xác định của các loại khớp động

Khớp loại 1 Khớp loại 2 Khớp loại 3

10/01/2011 10

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ộ g 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động ị

ệ

(cid:132) Số ẩn cần xác định của các loại khớp động

Khớp loại 4 Khớp loại 5

10/01/2011 11

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ộ g 3.4. Điều kiện tĩnh định của chuỗi động ị

ệ

(cid:132) Số ẩn cần xác định của các loại khớp động

Khớp loại 4 (phẳng) Khớ l ) i 4 ( hẳ Khớp loại 5 (phẳng) Khớ l ) i 5 ( hẳ

10/01/2011 12

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

ự

3.5. Phân tích lực cơ cấu (cid:132) Các bước phân tích lực

(cid:132) Xác định lực quán tính và đặt các ngoại lực tác dụng lên cơ cấu, (cid:132) Xác định khâu dẫn, á đị h khâ dẫ (cid:132) Tách cơ cấu thành các nhóm tĩnh định (nếu có khớp cao thì thay

(cid:132) Bắt đầu tính lực đối với nhóm tĩnh định xa khâu dẫn nhất cho

bằng khớp thấp tương đương),

đến khâu dẫn.

10/01/2011 13

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

3.5. Phân tích lực cơ cấu

ự (cid:132) Xác định áp lực khớp động

(cid:132) Tách các nhóm tĩnh định ra khỏi cơ cấu. Các ngoại lực lúc này gồm có: lực cản kỹ thuật gồm có: lực cản kỹ thuật, trọng lực các khâu, lực quán tính và trọng lực các khâu lực quán tính và các áp lực khớp chờ,

(cid:132) Tách các khâu trong nhóm tĩnh định, đặt các áp lực khớp động

(cid:132) Viết phương trình cân bằng lực cho từng khâu, (cid:132) Giải các phương trình viết cho các khâu thuộc 1 nhóm tĩnh

và các ngoại lực lên khâu, và các ngoại lực lên khâu

định. Giải cho các nhóm ở xa khâu dẫn trước. đị h Giải h hó ở khâ dẫ ớ á

0; 0;

M M

0 0

= =

r F F x

r F F y

∑ ∑

Chú ý: Với cơ cấu phẳng, 1 khâu có thể viết được 3 phương trình:

10/01/2011 14

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

3.5. Phân tích lực cơ cấu

ự

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

Xét cơ cấu tay quay - con trượt như hình vẽ (a). Giả sử đã xác định được các lực và các mômen là những ngoại lực bao gồm định được các lực và các mômen là những ngoại lực bao gồm lực cản kỹ thuật, lực quán tính, trọng lượng các khâu.

A A

M 3

P2 P

3P 3P

(a)

Xác định các áp lực ở các khớp A, B, O?

10/01/2011 15

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

M M

12R n

Tách nhóm tĩnh định 2-3 ra khỏi cơ cấu như hình (b)

t R12

M 3

r 0

r r r n P P R 12 3 2

r t R 12

r R 43

R12

3 3

P 3

R43

(b) à R t ở thà h hữ

R12 chưa biết phương nên ta phân tích thành 2 thành phần như hình vẽ Viết lại phương như hình vẽ. Viết lại phương trình cân bằng lực:

i l

r 0 0

+ +

= =

r r r P P R P P R 12 3 2

r R R 43

Các áp lực R12 và R43 trở thành những ngoại lực. Cá á l R Ta có phương trình cân bằng lực cho nhóm 2-3:

10/01/2011 16

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

r tR 12

Tính

∑

(

)

t R l 12

P h M − 2 2

n 12

t R → = 12

t 12

AB M P h − 2 2 ABl l

12R

Viết phương trình cân bằng mômen cho khâu 2 đối với B:

32R

Nếu kết quả >0 thì chiều đúng với chiều giả thiết đúng với chiều giả thiết

10/01/2011 17

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

Tính các lực còn lại

Xếp lại phương trình cân bằng lực nhóm 2-3 và biều diễn bằng các

n 12

tR12

r 0

12R 12

3 3

= r 0 0

+ +

P 3

43R

r r r r r n t R P P R R + 12 43 3 12 2 uur uur uur uur uur b b ab bc cd de ea d d + + + + Giải phương trình trên bằng phương pháp họa đồ, ta có:

R n 12

μ P

12R

R t 12

23R

43R

uur r R R de d . 43 uur r n ea . R μ = P 12 uur uur uur eb ea ab

uur . eb

+ → =

r R 12 12

Pμ μ P

P 3

đoạn biểu diễn: ể ễ

10/01/2011 18

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

Xác định vị trí đặt lực R43

−

x x → = → =

23R

Giả sử điểm đặt lực R43 cách B một khoảng x. Viết phương trình cân ằ ể

M 3

43R

P3 x

bằng mômen của khâu 3 với điểm B: h P M − 3 3 3 M h P + 3 3 R

10/01/2011 19

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

(cid:132) Phân tích lực cơ cấu tay quay - con trượt

Xác lực R32 = -R23

r 0

n 12

r R 12

r r P R + 32 2

t 12

Viết phương trình cân bằng lực cho khâu 2:

P2 P2

12R R

r R 32

uur ceμ= .P

nR 12

32R

a a

12R

tR 12

R23

R43

Từ họa đồ lực ở bước trước, ta có:

10/01/2011 20

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g 3.6. Tính lực cân bằng ự

(cid:132) Phương pháp phân tích áp lực

(cid:132) Với phương pháp này cần giải bải toán phân tích áp lực khớp

(cid:132) Tính áp lực khớp động ở khớp nối với khâu dẫn (cid:132) Đặt vào khâu dẫn mômen hoặc lực cân bằng (cid:132) Viết phương trình cân bằng mômen hoặc lực đối với khâu dẫn

động như ở phần trước, động như ở phần trước

để xác định mômen hoặc lực cân bằng.

10/01/2011 21

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g 3.6. Tính lực cân bằng ự

(cid:132) Phương pháp phân tích áp lực

(cid:132) VD: Tính lực cân bằng đặt trên khâu dẫn của cơ cấu tay quay –

21R

con trượt con trượt

cbM

h21

−

1 1 1 1

Pcb

cbM M Ph R h + cb 21 21 21 21 1 1 M − → =

−

R h M Ph 1 1

cb 21 21 / P M l → = cb

M1 l

Đặt các lực và mô men cân bằng lên khâu dẫn như hình vẽ. Viết phương trình cân bằng mô men đối phương trình cân bằng mô men đối với điểm A, ta có:

10/01/2011 22

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g 3.6. Tính lực cân bằng ự

(cid:132) Phương pháp công suất

Tính trực tiếp lực cân bằng từ ngoại lực và lực quán tính mà

không cần tính áp lực khớp động. không cần tính áp lực khớp động

r M

r P i

∑ hay hay

0 0

+ +

= =

∑ + r r P v P v . i i

0 = r r M ω M ω . i i

∑ ∑

Nguyên lý di chuyển khả dĩ: Trong một hệ lực cân bằng, tổng công suất tức thời của tất cả các lực bằng 0 trong mọi di chuyển khả dĩ. khả dĩ

Trong đó: vi là vận tốc các điểm đặt lực Pi

g g ậ ωi là vận tốc góc khâu i có mômen Mi bao gồm cả Mcb cb

i

10/01/2011 23

3. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU 3 PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

g 3.6. Tính lực cân bằng ự

(cid:132) Phương pháp công suất

1 1

1ω ω

M 3 M

S 3

30°

2ω ω3 =

C C

VD: Cho cơ cấu culit như hình vẽ. Giả thiết kích thước hình học của Giả thiết kích thước hình học của các khâu đã biết, S3B=S3C, S2 trùng với B. Khối lượng khâu dẫn 1 coi như không đáng kể, dẫn 1 coi như không đáng kể khối lượng và mômen quán tính của khâu 2 và 3 lần lượt là m2, JS2 và m3, JS3 .P2 và P3 là trọng ọ g 2 S2 lượng của khâu 2 và khâu 3. Xác định mômen cân bằng đặt trên khâu dẫn bằng phương pháp công suất. ấ

24 10/01/2011