Bài giảng "Nhập môn Kỹ thuật cơ khí: Chương 4 - Lực trong các cơ cấu và máy" trình bày các nội dung kiến thức sau đây: tổng quan, lực trong dạng tọa độ cực và tọa độ Đề cac, tổng hợp các lực, Mô-men (ngẫu lực, cân bằng lực và mô-men, ứng dụng thiết kế: lực tác dụng lên ổ lăn. Mời các bạn cùng tham khảo!
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Nhập môn Kỹ thuật cơ khí: Chương 4 - PGS.TS. Bùi Ngọc Tuyên
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Chương 4. Lực trong các cơ cấu và máy
4.1. Tổng quan
4.2. Lực trong dạng tọa độ cực và tọa độ Đề cac
4.3. Tổng hợp các lực
4.4. Mô-men (ngẫu lực)
4.5. Cân bằng lực và mô-men
4.6. Ứng dụng thiết kế: lực tác dụng lên ổ lăn
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.1. Tổng quan
3 định luật Newton về chuyển động:
1. Mọi vật đều ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động đều với vận tốc không đổi trừ
khi có lực không cân bằng bên ngoài tác động lên nó.
(Every object remains in a state of rest or uniform motion of constant velocity
unless an external unbalanced force acts upon it.)
2. Một vật khối lượng m chịu tác dụng của lực F thì có gia tốc cùng phương với lực,
có độ lớn tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Mối
quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng F = ma.
(An object of mass m, subject to a force F, experiences an acceleration in the same
direction as the force with a magnitude directly proportional to the magnitude of the
force and inversely proportional to the mass of the object. This relationship can be
expressed as F = ma.)
3. Lực tác dụng và phản lực giữa hai vật thể tác động nhau là cùng phương, ngược
chiều và cùng độ lớn.
(The forces of action and reaction between two objectives are equal, opposite, and
collinear.)
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Relationship of the topics emphasized in this chapter (shaded boxes) relative to an
overall program of study in mechanical engineering
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.2. Lực trong dạng tọa độ cực và tọa độ Đề cac
Các thành phần lực trong tọa độ Đề các: Fx , Fy
Các thành phần lực trong tọa độ cực: F, θ
F=Fx i + Fy j
Fx= F cos θ (polar to rectangular)
Fy = F sin θ
F Fx2 Fy2 (rectangular to polar)
Fy
tan 1
Fx
Representing a force vector in terms of its
rectangular components (Fx, Fy ), and its
polar components (F, θ)
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.3. Tổng hợp các lực
N
R F1 F2 FN Fi
i 1
Phương pháp đại số véc tơ
(Vector Algebra Method)
N N
Rx Fx,i Ry Fy ,i R Rxi Ry j
i 1 i 1
Ry
R R x2 R 2y tan 1
Rx
Phương pháp đa giác véc tơ
(Vector Polygon Method)
(a) A mounting post and bracket that are loaded
by three forces, (b) The resultant R extends
from the start to the end of the chain formed by
adding F1, F2, and F3 together
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ 1: Một bu lông vòng (eye bolt) được bắt chặt vào một tấm đế dày và chịu
lực căng của 3 dây cáp bằng thép là 150 lb, 350 lb, 800 lb. Hãy xác định lực tác
dụng tổng hợp lên bu lông đầu vòng bằng phương pháp đại số vec tơ.
Fx,1 F.cos (800lb)cos 450 565,7lb N
Rx Fx,i 565,7 119,7 150 296,0(lb)
Fy ,1 F.sin (800lb)sin 45 565,7lb
0 i 1
N
Ry Fy ,i 565,7 328,9 894,6(lb)
F1 565,7i 565,7 j (lb) i 1
Xác định tương tự ta có: R Rx2 R y2 296, 02 894, 62 942,3(lb)
F2 (350sin 200 )i (350cos 200 ) j (lb) Ry 1 894, 6
tan 1 tan 1
296, 0 tan (3, 022) 71, 69
0
F3 150i (lb) Rx
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ 2: Xác định lực tổng hợp tác dụng lên cần điều khiển (control lever) bằng
phương pháp đa giác véc tơ
R2 (10lb)2 (25lb)2 2(10lb)(25lb)cos(1800 400 )
R 33, 29(lb)
sin(1800 400 ) sin
33,29 10
11,130
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.4. Mô-men (ngẫu lực)
Phương pháp cánh tay đòn vuông góc (Perpendicular Lever Arm Method)
MO= F.d MO = 0
(a) (b)
Calculating the moment of a force F. (a) The line of action of F is separated from 0
by the perpendicular lever arm distance d. (b) The line of action of F passes through
O, and MO = 0
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Phương pháp các thành phần mô men (Moment Components Method)
M O Fx y Fy x
(a) (b)
(a) Both Fx and Fy create clockwise moments about point 0,
(b) Fx exerts a clockwise moment, but Fy exerts a counterclockwise moment.
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ 3: Vặn chặt đai ốc bằng cờ lê. Hãy xác định mô men tạo ra ở tâm đai ốc bởi lực
vặn là 35 lb cho hai trường hợp a và b . Cho biết chiều dài tay cầm là 6 in
a) Mô men tạo ra với hướng quay
thuận chiều kim đồng hồ:
MO F.d (35lb)(6in) 210 in.lb
ft.lb
(210in.lb)(0,0833 ) 17,50 ft.lb
in.lb
b) Mô men tạo ra với hướng quay
thuận chiều kim đồng hồ:
MO F.d (35lb)(5,375in) 188,1in.lb
ft.lb
(188,1in.lb)(0,0833 ) 15,67 ft.lb
in.lb
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ 4: Xác định mô men tạo ra ở tâm
đai ốc khi tác dụng một lực 250 N lên mỏ
lết cho 2 trường hợp (a) bằng phương pháp
cánh tay đòn vuông góc, (b) phương pháp
các thành phần mô men
(a) AB (75mm) (200mm) 213,6 mm
2 2
(b)
75mm Fx (250 N )sin350 143, 4N
tan 1 20,56
0
200mm Fy (250 N )cos350 204,8N
350 20,560 14, 440
M A (143, 4N )(0,075m) (204,8N )(0, 2m)
d (213,6mm)cos14,44 206,8mm
0
51,71 N.m
M A (250 N )(0,2068m) 51,71 N.m
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.5. Cân bằng lực và mô-men
Một hệ thống cơ khí có thể chỉ gồm một vật thể (ví dụ : piston ) hoặc gồm nhiều vật
thể lắp ghép với nhau (ví dụ : động cơ).
- Chất điểm (particle) Khi các kích thước vật lý không quan trọng đối với tính
toán lực
- Vật rắn (rigid body): Nếu chiều dài, chiều rộng, chiều cao của vật thể là quan trọng
đối với vấn đề giải quyết
A schematic of N forces acting on (a) a single particle and FN (b) a rigid body.
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Cân bằng lực (Force balance): một chất điểm được coi là cân bằng lực nếu
như các lực tác dụng lên nó cân bằng với nhau & lực tổng hợp bằng không.
Lực tổng hợp của N thành phần lực cần phải bằng zero theo hai hướng vuông
góc x, y: N
F x ,i 0
i 1 (*)
N
F
i 1
y ,i 0
Cân bằng mô men (Moment balance): một vật rắn được coi là cân bằng khi
mô men tổng bằng không:
N
M
i 1
O ,i 0
Và thỏa mãn các điều kiện cân bằng lực (*)
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ: Một kỹ thuật viên tác dụng một lực là 70 N lên tay cầm của một kìm
cắt dây điện. Hỏi độ lớn của lực cắt tác dụng lên dây điện tại điểm A và lực
tác dụng chốt quay tại điểm B.
N
F
i 1
y ,i 0 FA FB (70 N ) 0
N
M
i 1
B ,i 0 (70 N )(90 mm ) FA (20 mm ) 0
FA = 315 N; FB = 385 N
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
4.6. Ứng dụng thiết kế: lực tác dụng lên ổ lăn
Ổ đỡ (bearing) được phân thành hai loại chính là ổ lăn (Rolling-element
bearing) và ổ trượt (Journal bearing)
Tùy theo kết cấu, ổ có thể chịu tác dụng của lực dọc trục (thrust force), lực
hướng kính (radial force) hoặc chịu tác dụng đồng thời của cả hai lực này.
Ổ đỡ
(bearing)
Ổ trượt
Ổ bi (Rolling-
(Journal
element bearing)
bearing)
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Kết cấu chung của ổ lăn: ổ lăn thường cấu
tạo từ các chi tiết sau:
- An inner race (Vòng trong)
- An outer race (Vòng ngoài)
- Rolling elements in the form of balls,
cylinders, or cones (Các con lăn có thể có
dạng cầu, trụ hay côn)
A separator (cage or retainer) that
prevents the rolling elements from
rubbing up against one another (Vòng
cách ngăn cho các con lăn không tiếp xúc
với nhau)
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Side view of (a) point contact between a spherical
ball and the raceway of a bearing & (b) line
contact occuring in a straight roller bearing
A straight roller bearing. The inner race has been
removed to show the roller and separator,
A tapered roller bearing that is widely used in
the front wheels of automobiles
A thrust roller bearing
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Ví dụ: Một động cơ điện dùng để truyền động cho một máy tập thể dục. Lực căng
của dây đai dẫn động tác dụng lên trục bằng 110 lb. Lực căng của băng tải tác
dụng lên trục là 70 lb. Trục được lắp hai đầu trên hai gối đỡ bi. Hãy xác định độ
lớn và hướng tác dụng của lực lên trục tại hai gối đỡ bị
N
F
i 1
y ,i 0 110lb (70lb ) FA FB 0
N
M
i 1
A ,i 0 (110lb )(4in.) (70lb )(19in.) ( FB )(36in.) 0
FB = 24,72 lb; FA = -64,72 lb
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Tổng kết chương
Các đại lượng, ký hiệu và đơn vị phát sinh khi phân tích lực trong kết cấu và máy.
(Quantities, Symbols, and Units that Arise when Analyzing Forces in Structures and Machines
- NHẬP MÔN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
(AN INTRODUCTION TO MECHANICAL ENGINEERING)
Các phương trình cơ bản khi phân tích lực trong kết cấu và máy móc
(Key Equations that Arise when Analyzing Forces in Structures and Machines)
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
