Bài giảng Nguyên lý máy: Chương 0

MÔN HỌC NGUYÊN LÝ MÁY

Tên GV: Nguyễn Văn Thạnh Bộ môn: Thiết kế máy Vp: 209 nhà B11 Email: nvttkm@hcmut.edu.vn

Bài mở đầu

Nội dung:

- Quá trình thiết kế máy - Khái niệm về các loại máy - Các thành phần cơ bản của máy - Cấu tạo máy trên quan điểm cơ học

9/2/2023 2

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Quá trình thiết kế máy

Các yêu cầu chính trong thiết kế máy:

1/ Hiệu quả sử dụng? 2/ Khả năng làm việc? 3/ Độ tin cậy của máy? 4/ Tính an toàn trong sử dụng máy? 5/ Tính công nghệ của máy? 6/ Tính kinh tế trong quá trình khai thác máy?

9/2/2023 3

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Nội dung của việc thiết kế máy

9/2/2023 4

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Ví dụ: Thiết kế máy bào ngang

9/2/2023 5

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Bước 3-4: Xác định mục tiêu thiết kế và thu hẹp vấn đề

9/2/2023 6

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Ví dụ: Thiết kế máy bào ngang

9/2/2023 7

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Ví dụ: Thiết kế máy bào ngang

9/2/2023 8

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Ví dụ: Thiết kế máy bào ngang

9/2/2023 9

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Vai trò của môn Nguyên lý máy

9/2/2023 10

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Khái niệm về máy

9/2/2023 11

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Máy

9/2/2023 12

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Cấu tạo cơ bản của máy

9/2/2023 13

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

Các thành phần chức năng của máy

9/2/2023 14

GV:NGUYỄN VĂN THẠNH

TĨNH HỌC

9/2/2023 15

I Giới thiệu

• Tĩnh học nghiên cứu sự cân bằng của vật rắn

do tác dụng của các lực gây ra.

– Để giải quyết vấn đề trên, cần khảo sát kết

quả của hai bài toán sau:

• Thu gọn hệ lực thực về dạng đơn giản • Tìm điều kiện cân bằng của hệ lực

9/2/2023 16

I.1 Các khái niệm cơ bản

• 1.1 Vật rắn tuyệt đối là các vật mà khoảng cách

giữa các điểm của nó không thay đổi khi chịu tác dụng của vật khác.

– Vật rắn tuyệt đối là mô hình của các vật rắn

thực tế khi các biến dạng của chúng có thể bỏ qua được do quá bé hoặc không đóng vai trò quan trọng trong quá trình khảo sát. Vật rắn tuyệt đối được gọi tắt là vật rắn.

9/2/2023 17

Ví dụ:

9/2/2023 18

I.2 Lực

• Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng tương hỗ cơ học của vật này đối với vật khác, mà kết quả làm thay đổi chuyển động hoặc làm biến dạng các vật.

9/2/2023 19

Ví dụ:

9/2/2023 20

I.3 Trạng thái cân bằng của vật

Vật B

Vật A: Hệ quy chiếu

9/2/2023 21

I.4 Các định nghĩa

9/2/2023 22

I.4 Các định nghĩa

9/2/2023 23

I.5 Hệ tiên đề tĩnh học

Tiên đề 1 (Tiên đề về hệ hai lực cân bằng):Điều kiện cần và đủ để hệ hai lực cân bằng là hai lực này có cùng đường tác dụng, ngược chiều và cùng cường độ.

9/2/2023 24

Tiên đề 2 (Tiên đề thêm bớt hai lực cân bằng):Tác dụng của một hệ lực không thay đổi nếu thêm hoặc bớt hai lực cân bằng.

9/2/2023 25

Hệ quả 1

9/2/2023 26

Ví dụ:

9/2/2023 27

Tiên đề 3 (Tiên đề hình bình hành lực). Hệ hai lực cùng đặt tại một điểm tương đương với một lực đặt tại điểm đặt chung và có vectơ lực bằng vectơ chéo hình bình hành mà hai cạnh là hai vectơ biểu diễn hai lực thành phần.

9/2/2023 28

Áp dụng tiên đề 3 cho hệ lực đồng qui:

9/2/2023 29

Áp dụng tiên đề 3 cho hệ lực đồng qui:

9/2/2023 30

Tiên đề 4 (Tiên đề tác dụng và phản tác dụng):

• Lực tác dụng và lực phản tác dụng giữa hai vật có cùng đường tác dụng, hướng ngược chiều nhau và có cùng cường độ.

9/2/2023 31

Tiên đề 5 (Tiên đề hoá rắn).

Một vật biến dạng đã cân bằng dưới tác dụng của một hệ lực thì khi hoá rắn lại nó vẫn cân bằng.

9/2/2023 32

Tiên đề 6 (Tiên đề giải phóng liên kết).

• Vật rắn

– Vật rắn tự do là vật rắn có thể thực hiện được mọi di chuyển vô cùng bé từ vị trí đang xét sang vị trí lân cận của nó.

Ngược lại, nếu một hay một số di chuyển của vật bị cản trở bởi những vật khác thì vật đó gọi là vật rắn không tự do.

– Vật không tự do còn gọi là vật chịu liên kết, còn các vật khác cản trở vật được khảo sát gọi là vật gây liên kết.

9/2/2023 33

Liên kết

• Những điều kiện cản trở di chuyển của vật khảo

sát được gọi là liên kết đặt lên vật ấy.

•

Trong tĩnh học, ta chỉ nghiên cứu loại liên kết

được thực hiện bằng sự tiếp xúc hình học giữa vật thể được khảo sát với vật thể khác, đó là những liên kết hình học.

9/2/2023 34

Phản lực liên kết

• Vật gây liên kết ngăn cản chuyển động của vật khảo sát, tức là về mặt cơ học nó tác dụng vào vật khảo sát các lực.

Các lực do các vật gây liên kết tác dụng lên

•

vật khảo sát gọi là các phản lực liên kết.

9/2/2023 35

Các tính chất của phản lực liên kết

• Tính chất thụ động:Phản lực liên kết xuất hiện

không xác định trước mà phụ thuộc vào các lực cho trước tác dụng lên vật khảo sát và kết cấu liên kết.

• Phương, chiều của các phản lực liên kết: phản lực liên kết phải có chiều ngăn cản chuyển động của vật nên ngược với xu hướng chuyển động của vật.

9/2/2023 36

Phương, chiều của các phản lực liên kết

Phản lực liên kết phải có chiều ngăn cản chuyển động của vật nên ngược với xu hướng chuyển động của vật.

B

Dây ngăn cản chuyển động của quả cầu dọc theo phương AB của dây.

C

chuyển

A

D Tường không cho quả cầu theo phương CD nằm ngang.

9/2/2023 37

Các liên kết thường gặp và các phản lực liên kết tương ứng

• Liên kết tựa

– Liên kết tựa xuất hiện khi vật rắn khảo sát tựa

lên vật gây liên kết.

– Nếu bỏ qua ma sát thì phản lực liên kết tựa có phương vuông góc với mặt tựa hoặc đường tựa và có chiều hướng vào vật khảo sát.

9/2/2023 38

Liên kết dây mềm, thẳng

• Phản lực liên kết nằm dọc theo dây, điểm đặt ở chỗ buộc dây và hướng ra ngoài vật khảo sát. Phản lực liên kết của dây còn được gọi là sức căng.

9/2/2023 39

Liên kết bản lề

• Hai vật có liên kết bản lề khi chúng có trụ (chốt) chung. Liên kết bản lề cho phép vật quay quanh một trục cố định.

•

Phản lực liên kết được phân tách thành hai

thành phần vuông góc nằm trong mặt phẳng thẳng góc với đường trục tâm của bản lề. r AY

r R

y

r R

r BX 

r BY B

r BY

r AX

r BX

r BY 

r BX

r R C

O

x

9/2/2023 40

Liên kết gối (dùng để đỡ các dầm và khung)

• Gối cố định: có phản lực liên kết tương tự như

liên kết bản lề.

r R

• Gối di động: Phản lực liên kết của gối di động vuông góc với phương di động của gối, giống như liên kết tựa. r AY

r BY

r AX

9/2/2023 41

Liên kết cối

• Liên kết cối cho phép vật rắn quay quanh trục

Oz. Phản lực liên kết cối được được phân thành 3 thành phần vuông góc nhau.

r OZ

r R r OY

r OZ

r OX

r OY

9/2/2023 42

Liên kết ngàm

• Hai vật có liên kết ngàm khi chúng được gắn

cứng với nhau. – Ngàm phẳng: r AY

r AY

r AX

9/2/2023 43

Liên kết ngàm

Ngàm không gian:

r AZ

r AY

r AX

9/2/2023 44

Liên kết thanh

• Liên kết thanh được hình thành nhờ thỏa mãn

các điều kiện sau:

r AS

nhờ bản lề, gối cầu.

• Chỉ có lực tác dụng ở hai đầu • Trọng lượng thanh không đáng kể • Những liên kết ở hai đầu thanh được thực hiện r BS

Phản lực liên kết thanh nằm dọc theo đường thẳng nối hai đầu thanh, hướng vào thanh khi thanh chịu kéo và hướng ra khỏi thanh khi thanh chịu nén. (ứng lực)

9/2/2023 45

Tiên đề giải phóng liên kết

Vật rắn không tự do ( tức vật chịu liên kết) cân bằng có thể được xem là vật rắn tự do cân bằng nếu giải phóng các liên kết, thay thế tác dụng của các liên kết được giải phóng bằng các phản lực liên kết tương ứng.

B

r CN

C

r AY

O

C

D

r 1P

D

A

r rEN DN O

A

r CN 

r AX

E

r 2P

E

r 2P

9/2/2023 46

II

9/2/2023 47

9/2/2023 48

9/2/2023 49

9/2/2023 50

9/2/2023 51

9/2/2023 52

9/2/2023 53

9/2/2023 54

III. TRƯỜNG HỢP RIÊNG: HỆ LỰC PHẲNG

1. KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ

2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG

3. CÂN BẰNG CỦA HỆ LỰC PHẲNG

4. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN

9/2/2023 55

III.1 KHÁI NIỆM MÔMEN ĐẠI SỐ

Đối với hệ lực phẳng, ta đưa ra khái niệm

mômen đại số của lực đối với một điểm:

B r F

r rF   Om F

Mômen đại số của lực đối với điểm O, ký hiệu , là một số đại số:

 

F d .

r  Om F



r F

trong đó F là trị số của lực, d là khoảng cách từ O đến đường tác dụng của lực, lấy dấu "+" khi lực quay quanh O theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, và lấy dấu "-" trong trường hợp ngược lại.

9/2/2023 56

Khi đó

Mô men chính của hệ lực phẳng đối với điểm O là một số đại số, ký hiệu , bằng tổng mô men đại số của các lực của hệ lực đối với điểm O:





  ...

r r    M m F m F 1 2



r  m F N O



r  m F k O





 1

9/2/2023 57

MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT ĐiỂM

r r om F ( )



r F

d'

r F 

O

A'



• MÔMEN CỦA LỰC ĐỐI VỚI MỘT TRỤC

9/2/2023 58

III.2 HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG

Xét đoạn dầm AB dài l, chịu tác dụng của hệ lực phân bố song song cùng chiều với cường độ phân bố q(x): Hệ lực song song này có hợp lực, ký hiệu là . Q Sau đây ta sẽ xác định hợp lực :

r Q

q(x)

r Q

d

l

9/2/2023 59

2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG

Thu gọn hệ lực này về điểm A:

q x dx ; ( )

q x x dx ( )

 

 

Giả sử hợp lực đặt tại C cách A một đoạn AC = d.

q(x)

)

 

Q d .

r Q

r m Q ( A

R d . A

  r Theo định lý Varinhông: m Q M )

(

d

C l

 

R d . A

9/2/2023 60

2. HỢP LỰC CỦA HỆ LỰC PHÂN BỐ PHẲNG

q x x dx

( )

;

 

R d . A

 

 

q x dx ; ( ) l

q x xdx ( )

Vậy:





0 l

q(x)

r Q

q x dx ( )



d

q x dx ( )

;

C l

 

9/2/2023 61

Kết luận:

tâm của hình phân bố lực

 Có chiều cùng chiều với các lực thành phần của hệ lực phân bố.

 Có độ lớn bằng diện tích của hình phân bố lực.

  có đường tác dụng đi qua trọng r   Q     

9/2/2023 62

Các trường hợp đặc biệt:

 Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực đều

r Q

q(x) = q = const.

Q ql

l/2

d = l/2

 Hệ lực phân bố có cường độ phân bố lực tuyến tính

r Q



1 2 2 3

9/2/2023 63

III.3 Các ví dụ Ví dụ 3.1 Cho dầm AB, có đầu A ngàm vào tường, cân bằng dưới tác dụng của các lực và ngẫu lực như hình vẽ.

Biết:



N M

200 ;

 ; N m

30 /

180



0 60 ;

 a m Nm q 1 . ; Bỏ qua trọng lượng của dầm. Tìm phản lực liên kết tại đầu A.

9/2/2023 64

III.3 Các ví dụ



200 ;

N M



180

Nm q ;



30 /

 ; N m



0 60 ;

 a m 1 .



100







100 3 60







Y A



400 3





9/2/2023 65

III.4 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN

Nội lực: là lực tương tác giữa các vật trong hệ Ký hiệu:

r kF

Chú ý:

Vectơ chính và mômen chính của hệ nội lực bằng không.

r R



r M



)



r i F k

i O

r r i m F ( O k



Ngoại Lực: Là các lực do các vật ngoài hệ tác

dụng lên các vật thuộc hệ vật đang khảo sát.

Ký hiệu:

r kF

9/2/2023 66

 CÁC ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA HỆ VẬT RẮN

Điều kiện cân bằng của từng vật tách riêng.

Điều kiện cân bằng của toàn hệ hoá rắn (xem toàn hệ như một vật rắn duy nhất), hay còn gọi là điều kiện cân bằng của các ngoại lực (vì khi hoá rắn lại hệ nội lực triệt tiêu).

Vậy ta có hai phương pháp giải bài toán hệ vật:

 Phương pháp tách vật

 Phương pháp hóa rắn

9/2/2023 67

Ví dụ 3.2:

Cho cơ hệ như hình vẽ: α = 30o, AB = 60m,

BC = 20m. Trên đoạn AE chịu tác dụng của hệ lực phân bố đều với cường độ q=20kN/m, AD = 40m, AE = 70m. Bỏ qua trọng lượng của dầm và các cột chống. Xác định phản lực liên kết tại A, lực tương hỗ tại B và ứng lực trong các thanh chống CC, DD.

Hoá rắn:?

Tách vật BC:?

9/2/2023 68

Tách vật AB:

r BY

r BX

r AY

C r CS

r ' BX

r BY

r AX

D r DS

9/2/2023 69

Ví dụ 3.3:

Cho cơ hệ như hình vẽ. Thanh bỏ qua trọng lượng, hai quả cầu có cùng trọng lượng P. Kích thước ghi trên hình. Xác định phản lực liên kết tại A, D, C và lực tương hỗ tại B.

r Y D

r Y A

r CN

r X

1m 1m 1m

r P

Hoá rắn:?

9/2/2023 70

Tách vật BC:?

Ví dụ 3.4

Giàn phẳng gồm 5 thanh chịu lực như hình vẽ và được đỡ bằng gối di động A, gối cố định B. Tìm phản lực tại các gối và ứng lực trong các thanh. Biết:



kN 3

F 1

kN F 1 , 2

kN F , 3

r 1F

r 3F

r 2F

060

030

9/2/2023 71



kN 3

F 1

kN F , 3

r 1F

kN F , 1 2 r 1F

r 3F

r 2F

060

030

060

030

r BX

r AN

r BY

r 2F

r ACS

1m r 3F

r BCS

r CMS

030

r BMS

r BX

060 r AMS

r BMS

060 r ' AMS

r AN

r BY



;



Trong đó:

' AM

' BM

9/2/2023 72



Y B

11 ; 4

0, r 2F

 r ACS





cos 60



AM  F N

AC 

 

sin 60



Y k

Hoá rắn hệ ta tìm được: Tách nút:  

   

r AN

060 r AMS r CMS



0 cos60

' AM

S CM

r BMS

 S BM 0 sin 60

 

0 0

  S  S CM

  X    Y  k

060 r ' AMS

r 3F

r BCS

030





cos 30



' BM



r BX

r BMS

r BY

9/2/2023 73

r 2F

r ACS

r 3F

r CMS

r BCS

r BMS

030

r BX

060 r ' AMS

060 r AMS

r BMS

r AN

r BY



Đáp số:

Y B

11 ; 4

 



 

3 2 3 4

4 3 4 1 2

KL: Từ dấu của các nghiệm, ta có thể kết luận các thanh AM, BM chịu kéo, còn các thanh BC, AC chịu nén.

9/2/2023 74

Ví dụ 3.5:

Cho cơ hệ như hình vẽ. Cho P = 50kN,

q = 5kN/m, M=200kNm, KB = KD. Trọng lượng của thanh ACB là P1= 100kN, trọng lượng của thanh BD là P2 = 60kN. Tìm phản lực liên kết tại ngàm A, bản lề B và gối di động D. C

m 1

r P

m 3

9/2/2023 75