Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 115 - Chương 8 CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP THẤP 8.1. ĐẠI CƯƠNG - Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp là cơ cấu phẳng trong đó tất cả các khớp động giữa các khâu là khớp loại thấp (khớp tònh tiến loại 5 hay khớp bản lề). - Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp được sử dụng rộng rãi trong thực tế kỹ thuật. Ví dụ: cơ cấu bốn khâu bản lề trong máy dệt, cơ cấu tay quay-con trượt trong động cơ nổ, cơ cấu Culit nối với cơ cấu tay quay-con trượt trong máy bào ngang, Các cơ cấu khác có thể coi là dạng suy biến của cơ cấu bốn khâu bản lề. 1. Cơ cấu bốn khâu bản lề và các biếân thể của nó a. Cơ cấu bốn khâu bản lề 1 2 3 4 3 ω 1 ω A B C D Hình 8.1 - Cơ cấu bốn khâu bản lề là dạng cơ bản nhất của các cơ cấu phẳng toàn khớp thấp, có lược đồ như hình 8.1: • Cơ cấu có 4 khâu nối với nhau bằng 4 khớp bản lề. • Khâu 4 cố đònh gọi là giá. Đường thẳng AD gọi là đường giá hay đường nối tâm. • Khâu 1, 3 gọi là khâu nối giá. Khâu nối giá được gọi là cần lắc nếu nó không quay được toàn vòng (chỉ lắc qua lại) hoặc gọi là tay quay nếu nó quay được toàn vòng. • Khâu 2 gọi là thanh truyền hay biên. Đường thẳng BC gọi là đường thanh truyền hay đường tác dụng. - Cơ cấu bốn khâu bản lề có thể có hai tay quay, hai cần lắc hoặc một tay quay, một cần lắc. Tay quay hay cần lắc quay quanh một điểm cố đònh còn thanh truyền có chuyển động song phẳng. Như vậy, cơ cấu bốn khâu bản lề có thể biến chuyển động quay (toàn vòng) thành chuyển động quay (toàn vòng) hay thành chuyển động lắc hoặc ngược lại có thể biến chuyển động lắc thành chuyển động quay (toàn vòng) hay thành chuyển động lắc. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 116 - - Cơ cấu bốn khâu bản lề được dùng nhiều trong thực tế. Ví dụ: • Khâu 1 quay, khâu 3 quay: cơ cấu hình bình hành dẫn động bánh xe lửa. • Khâu 1 quay, khâu 3 lắc: cơ cấu ba-tăng máy dệt. • Khâu 1 lắc, khâu 3 quay: cơ cấu bàn đạp máy may. • Khâu 1 lắc, khâu 3 lắc: cơ cấu xếp vải. b. Các cơ cấu biến thể của cơ cấu bốn khâu bản lề Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình 8.2: khâu 1 quay, khâu 3 lắc. Khi khớp D lùi ra xa ∞ )( ∞ → CD l , khâu 3 sẽ chuyển động tònh tiến qua lại theo phương yy . Về mặt cấu tạo, ta có thể thay khâu 3 bằng con trượt 3 và nhận được cơ cấu mới gọi là cơ cấu tay quay-con trượt như hình 8.3 và 8.4. Vì chuyển động tương đối giữa các khâu không thay đổi khi đổi giá, nên:  Từ cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm như hình 8.4: - Nếu lấy khâu 2 làm giá ta có cơ cấu Culit lắc (hay cơ cấu xy lanh quay) như hình 8.5. 1 2 3 4 A C B 1 ω D Hình 8.5 e ≠ 0 → Cơ cấu tay quay-con trượt lệch tâm A B C y y e 1 ω 1 2 3 D A B C 3 ω D y y 1 ω 1 2 3 Hình 8.2 ⇒ Hình 8.3 A B C y y 1 ω 1 2 3 D e = 0 → Cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm Hình 8.4 Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 117 - - Nếu lấy khâu 1 làm giá ta có cơ cấu Culit như hình 8.6. 1 2 3 4 A C B 1 ω D Hình 8.6  Từ cơ cấu Culit như hình 8.6: - Nếu cho khớp B lùi ra ∞ theo phương của giá 1, ta được cơ cấu Tang như hình 8.7. A C B ∞ ↑ ϕ 1 2 3 4 Hình 8.7 - Nếu cho khớp C lùi ra ∞ theo phương của giá 1, ta được cơ cấu Sin như hình 8.8. A B C ↓ ∞ 4 3 2 1 B C ϕ A ↓ ∞ 1 2 3 4 hay (a) (b) Hình 8.8  Từ cơ cấu Sin như hình 8.8b: - Nếu lấy khâu 4 làm giá, ta có cơ cấu Elip như hình 8.9. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 118 - A B C ↓ ∞ 4 3 2 1 A B C ↓ ∞ 4 3 2 1 Hình 8.9 - Nếu lấy khâu 2 làm giá ta có cơ cấu Oldham như hình 8.10. B C B C A B C ↓ ∞ 4 3 2 1 hay 4 1 23 2 1 3 4 Hình 8.10 2. Ưu điểm của cơ cấu phẳng tồn khớp thấp - Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp có các ưu điểm sau:  Tiếp xúc theo mặt nên vững chắc, chịu bền mòn tốt và có khả năng truyền lực lớn.  Chế tạo đơn giản và công nghệ chế tạo các loại khớp thấp tương đối hoàn thiện nên dễ đảm bảo việc chế tạo, lắp ráp chính xác.  Không cần các biện pháp bảo toàn khớp như ở các khớp cao. Ví dụ cơ cấu cam ở hình 8.11 cần phải có lò xo để giữ cho cần luôn tiếp xúc với cam.  Có thể dễ dàng thay đổi các kích thước động của cơ cấu phẳng tồn khớp thấp bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa tâm các bản lề. Điều này khơng thể thực hiện được đối với các cơ cấu có khớp cao như cơ cấu cam, cơ cấu bánh răng. 1 2 3 Hình 8.11 Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 119 - - Nhược điểm của cơ cấu phẳng tồn khớp thấp: rất khó thiết kế loại cơ cấu này để thực hiện qui luật chuyển động cho trước một cách chính xác. 8.2. ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU BỐN KHÂU BẢN LỀ 1. Tỉ số truyền Cơ cấu bốn khâu bản lề như hình 8.12 biến chuyển động quay đều của khâu dẫn 1 với vận tốc góc 1 ω thành chuyển động quay của khâu bò dẫn 3 với vận tốc góc 3 ω . Một thông số quan trọng đặc trưng cho cơ cấu đó là tỉ số truyền: 3 1 13 ω ω =i Tỉ số này có thể xác đònh bằng nhiều phương pháp. Ở đây, ta dùng phương pháp tâm vận tức thời để xác đònh nó. A B C D 1 2 3 4 P I 1 ω 3 ω Hình 8.12 a. Đònh lý Kennedy: Trong chuyển động tương đối của khâu 3 so với khâu 1, vận tốc của điểm C và D lần lượt vuông góc với BC và AD . Vì vậy tức thời có thể xem chuyển động tương đối của 3 so với 1 là chuyển động quay quanh P là giao điểm của BC với AD ( P được gọi là tâm quay tức thời). Tương tự, ta có tâm quay tức thời trong chuyển động tương đối của khâu 4 so với khâu 2 là giao điểm I của AB với CD . Từ đó ta có đònh lý Kennedy: “Trong cơ cấu bốn khâu bản lề, tâm quay tức thời trong chuyển động tương đối giữa hai khâu đối diện là giao điểm hai đường tâm của hai khâu còn lại”. b. Đònh lý Willis: Theo khái niệm tâm quay tức thời ta có điểm 1 P thuộc khâu 1 và điểm 3 P thuộc khâu 3 hiện đang trùng nhau tại P mà PDPA PP llVV 31 31 ωω =⇔= , nên: Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 120 - PA PD l l i PA PD === 3 1 13 ω ω (8.1) Công thức trên được phát biểu dưới dạng đònh lý Willis như sau: Trong cơ cấu bốn khâu bản lề, đường thanh truyền BC chia đường giá AD thành hai đoạn tỉ lệ nghòch với vận tốc góc của hai khâu nối giá. Từ (8.1), ta có nhận xét: - Khi cơ cấu chuyển động thì điểm P thay đổi (do BC thay đổi) nên tỉ số PA PD i = 13 thay đổi. Do đó cơ cấu biến chuyển động quay đều ( const = 1 ω ) thành chuyển động quay không đều ( const i ≠= 13 1 3 ω ω ). - Ở cơ cấu bốn khâu bản lề, nếu CDAB = và BCAD = thì ta có cơ cấu hình bình hành. Trường hợp này tâm quay tức thời P ở xa vô tận nên 1 3 1 13 ≡= ω ω i , tức là cơ cấu biến chuyển động quay đều thành chuyển động đều cùng vận tốc góc. - Khi điểm P ở ngoài đoạn AD (hình 8.13a) ⇒ 3 ω cùng chiều với 1 ω nên 0 13 > i . - Khi điểm P ở trong đoạn AD (hình 8.13b) ⇒ 3 ω ngược chiều 1 ω nên 0 13 < i . A B C D 1 ω 3 ω P A B C D 1 ω 3 ω P (a) (b) Hình 8.13 - Khi tay quay AB và thanh truyền BC duỗi thẳng ra hoặc chập lại, tức là A P ≡ như hình 8.14, thì: 0 3 3 1 13 = ⇒ ∞→== ω ω ω PA PD i (8.2) lúc này khâu 3 dừng tức thời vò trí này. Hai vò trí này của khâu 3 (cũng như vò trí cả cơ cấu tại những vò trí này) được gọi là vò trí biên hay vò trí chết. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 121 - A 2 C θ 1 C lam viec D lv ϕ ck ϕ 1 ω chay khong 1 B 2 B Hình 8.14 2. Hệ số năng suất - Trong những cơ cấu mà khâu bò dẫn có chuyển động hai chiều: đi và về như hình 8.14 thì thông thường một chiều làm việc, một chiều chạy không. Tỉ số giữa thời gian làm việc và thời gian chạy không trong một chu kỳ làm việc của máy được gọi là hệ số năng suất (hay hệ số về nhanh): ck lv t t k = (8.3) - Chọn chiều làm việc, chiều chạy không và chiều quay 1 ω của khâu dẫn như hình vẽ, ta có: 1 ω ϕ lv lv t = (8.4) 1 ω ϕ ck ck t = (8.5) với lv ϕ , ck ϕ là góc quay của khâu dẫn ứng với thời gian làm việc và thời gian chạy không. - Do đó: ck lv ck lv t t k ϕ ϕ == (8.6) - Gọi 21 ACC = θ là góc nhọn tạo bỡi hai vò trí của khâu dẫn ứng với hai vò trí biên của cơ cấu, ta có: 00 180 θϕ += lv 00 180 θϕ −= ck - Suy ra: 00 00 180 180 θ θ − + =k (8.7) Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 122 - 3. Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình 8.15 , trong đó 4321 ,,, llll lần lượt là kích thước các khâu 1, 2, 3, 4. Xét điều kiện quay toàn vòng của khâu 1. A B C D 1 ω 1 l || 32 llr −= 32 llR += 1 2 3 4 Hình 8.15 - Khâu 1 quay toàn vòng có nghóa là q đạo điểm B trên cơ cấu là cả vòng tròn. Điểm B trên cơ cấu là vò trí nối động điểm B trên khâu 1 ( 1 B ) và điểm B trên khâu 2 ( 2 B ). Như vậy, điểm B trên cơ cấu đến vò trí nào thì điểm 1 B và điểm 2 B phải đến được vò trí đó. Khi tháo khớp B , ta có: + Q tích của điểm 1 B , { } 1 B , là đường tròn tâm A , bán kính 1 l . + Q tích của điểm 2 B , { } 2 B , là miền vành khăn tâm D với bán kính nhỏ nhất là 32 llr −= và bán kính lớ n nhất là 32 llR + = . Miền vành khăn này gọi là miền với tới của điểm 2 B . - Như vậy, khâu 1 quay toàn vòng được khi và chỉ khi q tích của điểm 1 B phải nằm trong miền với của điểm 2 B . Muốn vậy kích thước các khâu phải thỏa mãn: 3214 3241 llll llll −≥− + ≤ + (8.8) - Tương tự như trên ta có thể tưởng tượng tháo khớp C và xét điều kiện quay toàn vòng của khâu 3 (sinh viên tự viết). Tổng quát, đònh lý về điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá: Một khâu nối giá quay toàn vòng khi và chỉ khi q tích của một điểm trên khâu nối giá nằm trong miền với của điểm trên thanh truyền nối với điểm đóù. Đònh lý này hoàn toàn đúng cho cả cơ cấu không gian và cả cơ cấu nhiều bậc tự do. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 123 - 8.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC CÁC CƠ CẤU BIẾN THỂ 1. Cơ cấu tay quay-con trượt a. Quan hệ động học: A B C x P e 1 l 2 l 1 ω 1 2 3 x ∞ D D Hình 8.16 Ở cơ cấu tay quay-con trượt lệch tâm như hình 8.16, vì tâm quay D ở xa vô tận nên đường giá xxAD ⊥ và đi qua A . Tâm vận tốc tức thời P trong chuyển động tương đối của khâu 3 so với khâu 1 là giao điểm của BC và AD . Ta có: 31 PP VV = (8.9) Hay CPA Vl = 1 ω (8.10) với C V là vận tốc của con trượt. b. Hệ số năng suất: Các khái niệm, công thức và cách suy diễn giống như hệ số năng suất của cơ cấu bốn khâu bản lề nhưng ứng với hình 8.17. Ở đây, 21 CCC lH = được gọi là hành trình của điểm C . A θ 1 C lam viec lv ϕ ck ϕ 1 ω chay khong 2 B 2 C 1 B C H e Hình 8.17 Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 124 - Hệ số năng suất: θ θ − + = 0 0 180 180 k (8.11) Đối với cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm ( 0 = e ) thì vì 0 0 = θ nên hệ số năng suất 1 = k và ABC lH 2 = . c. Điều kiện quay toàn vòng: A B C x e 1 l 2 l 1 ω 1 2 3 x 2 l 2 l Hình 8.18 Vì CD l lớn đến vô cùng nên miền vành khăn ở cơ cấu bốn khâu bản lề trở thành miền giới hạn bởi hai đường thẳng song song và cách phương trượt xx một đoạn bằng 2 l . Để khâu 1 quay toàn vòng, tức là vòng tròn tâm A , bán kính 1 l phải nằm trong miền với của điểm 2 B thì ta phải có: 21 lel ≤ + (8.12) Đối với tay quay-con trượt chính tâm )0( = e thì điều kiện quay toàn vòng của khâu 1 là: 21 ll ≤ (8.13) 2. Cơ cấu Culit a. Quan hệ động học: Ở cơ cấu Culit như hình 8.19, đường thanh truyền BDBC ⊥ và đi qua B . Tâm vận tốc tức thời P trong chuyển động tương đối của khâu 3 so với khâu 1 là giao điểm của BC và AD . [...]... Bm Thiết kế máy - 130 - TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 1 2 3 C A ω1 B D Hình 8. 27 Biến chuyển động lắc thành chuyển động quay toàn vòng: máy may đạp chân, xe lắc tay dùng cho người tàn tật, … • Cơ cấu tay quay-con trượt: Biến chuyển động tònh tiến thành chuyển động quay: cơ cấu tay quay-con trượt trong động cơ nổ 1 2 3 B C ω1 A Hình 8. 28 Biến chuyển... Thiết kế máy - 1 28 - (8. 26) TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 2 2  xM   y M    +  =1  a   b  Suy ra: (8. 27) Đây chính là phương trình của đường elip Giao điểm P của đường thẳng qua B , vuông góc với trục y và đường thẳng qua C , vuông góc với trục x chính là tâm quay tức thời trong chuyển động của khâu 2, nên: ω= VB VC = lPB lPC (8. 28) Do đó:... Thiết kế máy - 127 - TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp VP1 = VP3 (8. 22) ω1lPA = V3 (8. 23) l AB a = cos ϕ cos 2 ϕ (8. 24) a cos 2 ϕ (8. 25) hay Ta có: lPA = Do đó: V3 = ω1 b Điều kiện quay toàn vòng: Trong cơ cấu tang không có khâu quay toàn vòng vì miền với tới của B2 chỉ là một đường thẳng 5 Cơ cấu elip y ∞ A A B P a yM M b O xM C D ϕ x D∞ Hình 8. 24 Cơ cấu... giữa hai tâm quay A và D 8. 4 GÓC ÁP LỰC Về phương diện động lực học, một chỉ tiêu quan trọng trong cơ cấu phẳng toàn khớp thấp là góc áp lực 1 Đònh nghóa: Bm Thiết kế máy - 129 - TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp - Góc áp lực là góc hợp bởi vector lực tác dụng và vector vận tốc của điểm đặt lực - Ở cơ cấu bốn khâu bản lề, tay quay-con trượt, … nếu bỏ qua... ứng với hình 8. 20 Ở đây, hai vò trí biên của cơ cấu là vò trí tay quay AB vuông góc với culit 3, do đó góc θ cũng chính là góc lắc của culit 3 chay lam v g khon i ec ϕlv ω1 θ A B2 ϕck B1 θ D Hình 8. 20 Bm Thiết kế máy - 125 - TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp c Điều kiện quay toàn vòng: B A ω1 D Hình 8. 21 Tưởng tượng tháo khớp ở B , ta thấy: - Q tích của.. .Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp P B A ω1 C∞ ω2 D Hình 8. 19 Ta có: VP1 = VP3 ω1l PA = ω3l PD Hay (8. 14) (8. 15) ω1 l PD PD = = ω3 l PA PA (8. 16) Do đó tỉ số truyền: i13 = Trường hợp đặc biệt l AD = l AB thì: i13 = ω1 ≡2 ω3 (8. 17) tức là cơ cấu biến chuyển động quay đều thành chuyển động quay đều b... D , tức là khâu 3 quay toàn vòng khi: (8. 18) l AB ≥ l AD 3 Cơ cấu sin a Quan hệ động học: y C∞ B P ϕ C A ω1 D x x D ∞ Hình 8. 22 Bm Thiết kế máy - 126 - TS Bùi Trọng Hiếu Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Cơ cấu sin như hình 8. 22 được dùng để biến chuyển động quay thành chuyển động tònh tiến qua lại hoặc ngược lại Trong quá trình cơ cấu chuyển động, vò trí x của thanh trượt... Hình 8. 28 Biến chuyển động quay thành chuyển động tònh tiến: dùng cơ cấu Culit nối với cơ cấu tay quay-con trượt trong máy bào ngang, máy cưa, máy dập, máy sàng lắc, … 3 4 5 E 2 D 1 ω1 F r Fc B A C Hình 8. 29 3 Dùng để tạo q đạo chuyển động nhất đònh: cơ c u elip, cơ c u c n c u, Bm Thiết kế máy - 131 - TS Bùi Trọng Hiếu ... - Q tích của B2 ∈ khâu 2 là toàn mặt phẳng (vì B2 trượt trên thanh Dx mà Dx quay quanh D ) Do đó khâu 1 (khâu đối diện với culit) luôn quay được toàn vòng Culit 3 quay toàn vòng khi điểm B trên cơ cấu đến được vò trí trên phương AD và ở ngoài AD về phía D , tức là khâu 3 quay toàn vòng khi: (8. 18) l AB ≥ l AD 3 Cơ cấu sin a Quan hệ động học: y C∞ B P ϕ C A ω1 D x x D ∞ Hình 8. 22 Bm Thiết kế máy -. .. tốc VC của điểm đặt lực và góc áp lực α như hình 8. 26: P C α VC B A ω1 D Hình 8. 26 2 Ý nghóa: Công suất của lực tác dụng P là: (8. 30) N P = P VC = P.VC cos α Góc áp lực α phản ánh tác dụng gây ra chuyển động của lực P (phản ánh mức độ sinh công) Góc áp lực càng lớn thì công suất càng nhỏ và khi α = 900 thì công suất bằng không Trong cơ cấu tay quay-con trượt, cơ cấu bốn khâu bản lề, khi tay quay và . 00 180 θϕ += lv 00 180 θϕ −= ck - Suy ra: 00 00 180 180 θ θ − + =k (8. 7) Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 122 -. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 115 - Chương 8 CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP THẤP 8. 1. ĐẠI CƯƠNG - Cơ cấu. hình 8. 8b: - Nếu lấy khâu 4 làm giá, ta có cơ cấu Elip như hình 8. 9. Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu - 1 18 - A B C ↓ ∞ 4 3 2 1 A B C ↓ ∞ 4 3 2 1