Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 1: Cấu trúc cơ cấu - Nguyễn Chí Hưng

NGUYÊN LÝ MÁY
ME3060
TS. Nguyễn Chí Hưng 
BM: Cơ sở thiết kế máy và robot
Email: hung.nguyenchi@hust.edu.vn
Nội dung môn học
 Môn học Nguyên lý máy là môn học giúp người học có được những khái niệm đầu
tiên về phương thức thiết kế máy móc. Bắt đầu từ những khái niệm cơ bản về cấu
trúc tới việc nghiên cứu vấn đề chuyển động, tính toán chuyển động, tính toán
phân tích lực, cân bằng máy và nghiên cứu chuyển động thực của máy. Môn học
cũng nghiên cứu các cơ cấu cụ thể như cơ cấu cam, bánh răng và hệ thống bánh
răng
 Môn học gồm 8 chương như:
• Chương 1, Cấu trúc cơ cấu nhằm nghiên cứu các nguyên tắc cấu trúc của cơ
cấu và khả năng chuyển động của cơ cấu tùy theo cấu trúc của nó.
• Chương 2 Động học nhằm xác định chuyển động của các khâu trong cơ cấu, khi
không xét đến ảnh hưởng của các lực mà chỉ căn cứ vào quan hệ hình học của
các khâu.
• Chương 3 Lực học nhằm xác định lực tác động lên cơ cấu và quan hệ giữa các
lực này với chuyển động của cơ cấu.
• Chương 4,5 Hoàn thiện thiết kế máy cho từng vấn đề gặp phải: Cân bằng máy
hay vấn đề chuyển động của khâu dẫn.
• Chương 6,7,8 Nghiên cứu những cơ cấu điển hình như: Cam hay Bánh răng và
hệ bánh răng 
Cấu tạo học phần
45 tiết (LT+BT) + BTL
 Chương 1: CẤU TRÚC CƠ CẤU 3t
 Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG 5t
 Chương 3: PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU PHẲNG 3t
 Chương 4: CÂN BẰNG MÁY 3t
 Chương 5: CHUYỂN ĐỘNG THỰC CỦA MÁY 6t
 Chương 6: CƠ CẤU CAM 6t
 Chương 7: CƠ CẤU BÁNH RĂNG 11t
 Chương 8: HỆ THỐNG BÁNH RĂNG 2t
Chương 1
CẤU TRÚC CƠ CẤU
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.1. Khâu và chi tiết máy
Máy có thể tháo rời ra thành nhiều bộ phận khác nhau, bộ
phận không thể tháo rời ra được nữa gọi là chi tiết máy
Chi tiết máy ?
Trong cơ cấu và máy, toàn bộ những bộ phận có chuyển động
tương đối so với các bộ phận khác gọi là khâu
Khâu ?
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.1. Khâu và chi tiết máy
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.2. Nối động, thành phần khớp động và khớp động
• Một khả năng chuyển động độc lập đối với một hệ quy chiếu
 một bậc tự do
• Giữa hai khâu trong mặt phẳng 3 btd: Tx, Ty, Qz
• Giữa hai khâu trong không gian 6 btd: Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz
Bậc tự do ?
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.2. Nối động, thành phần khớp động và khớp động
Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể để rời nhau mà phải
được liên kết với nhau theo một quy cách xác định nào đó sao
cho sau khi nối nhau các khâu vẫn còn có khả năng chuyển
động tương đối  nối động các khâu
Nối động ?
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.2. Nối động, thành phần khớp động và khớp động
Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành phần khớp động. Tập hợp
hai thành phần khớp động của hai khâu là một khớp động
Thành phần khớp động, khớp động ?
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.3. Phân loại khớp động
Theo số btd bị hạn chế khớp loại i hạn chế i btd
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.3. Phân loại khớp động
Theo đặc điểm tiếp xúc
• Khớp cao: thành phần khớp động là điểm hay đường
• Khớp thấp: thành phần khớp động là mặt
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.4. Lược đồ 
Lược đồ khớp
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các khớp được biểu diễn
trên những hình vẽ bằng những lược đồ quy ước
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.4. Lược đồ
• Các thông số xác định vị trí tương đối giữa các thành phần khớp động trên 
cùng một khâu gọi là các kích thước động của khâu
Lược đồ khâu
• Các khâu cũng được
thể hiện qua các lược
đồ đơn giản  lược đồ
khâu
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.5. Chuỗi động , cơ cấu, máy
Chuỗi động tạo thành do nhiều khâu nối với nhau.
Cơ cấu là một chuỗi động có một khâu cố định và các khâu
khác chuyển động theo quy luật xác định.
Khâu cố định được gọi là giá
Máy là một hay nhiều cơ cấu kết hợp lại để truyền hay biến
đổi năng lượng.
Chuỗi động Cơ cấu Máy
cố định
1 khâu
tập hợp
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.5. Chuỗi động, cơ cấu, máy
CC Culit
CC Tay quay con trượt
D
C
B
A
1
2
3
4
C
B
A
4
3
21
CC Bốn khâu bản lề
A
B
C
1
2
3
4
CC hỗn hợp bốn khâu bản lề - tay quay con trượt
A
B
C
D
E
F
1
2
3
4
5
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.5. Chuỗi động , cơ cấu, máy
Máy bào
A
B
D
E
ω1
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.1. Công thức tổng quát
Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần thiết để
xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu, cũng là số khả năng
chuyển động tương đối độc lập của cơ cấu đó.
Công thức tính
n : số khâu động của cc
pj : số khớp loại j trong cc
Rtr : số ràng buộc trùng của cc
Rth : số ràng buộc thừa của cc
Wth : số bậc tự do thừa của cc
btd?
5
j tr th th
1
W 6n jp R R W– ( – – ) – 
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.2. Công thức cơ cấu phẳng
Công thức tính
n : số khâu động của cc phẳng
T : số khớp thấp trong cc phẳng
C : số khớp cao trong cc phẳng
Rtr : số ràng buộc trùng
Rth : số ràng buộc thừa
Wth : số bậc tự do thừa
tr th th
W 3n 2T C R R W– ( – – ) – 
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.2. Công thức cơ cấu phẳng
Ràng buộc trùng
Giả sử lấy khớp B làm khớp đóng kín. Khi nối khâu 1- khâu 3, khâu 2 -
khâu 3 bằng các khớp A và C, khâu 2 không thể quay tương đối so với
khâu 1 quanh trục Oz, tức là có một ràng buộc gián tiếp Qz giữa khâu 1 và
khâu 2. Khi nối trực tiếp khâu 1 và khâu 2 bằng khớp đóng kín B, khớp B lại
tạo thêm ràng buộc Qz. Như vậy, ở đây có một ràng buộc trùng:
Rtrùng = 1
Bậc tự do của cơ cấu ( n = 2, T = 2, C = 0) : W= 3x2 – ( 2x3 – 1 ) = 1 btd
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.2. Công thức cơ cấu phẳng
Ràng buộc thừa
Hình a) n = 4, T = 6, btd của hệ: W=3n-(2T+C) =3.4-(2.6+0) = 0 (khung t.định)
Hình b) lAB = lCD = lEF; lAF = lBE; lBC = lAD thì hệ sẽ chuyển động được ( btd > 0)
Chưa nối khâu 2 và khâu 4 bằng khâu 5 và hai khớp quay E, F thì hệ là một cơ cấu bốn
khâu bản lề phẳng có bậc tự do W = 1. Do đặc điểm hình học của cơ cấu, khoảng cách giữa
hai điểm E của khâu 2 và điểm F của khâu 4 với lAF = lBE không đổi khi cơ cấu chuyển
động. Việc nối điểm E của khâu 2 và điểm F của khâu 4 bằng khâu 5 và hai khớp quay E,
F chỉ để giữ cho hai điểm E, F cách nhau một khoảng không đổi => ràng buộc thừa.
Khi thêm khâu 5 và hai khớp quay E, F vào cơ cấu sẽ một bậc tự do thừa, như thế số bậc
tự do của cơ cấu: (với n = 4, T = 6, C=0. Rth=1):W=3.n-(2T+C-Rth)=3.1-(2.2-1)= 1.
b) a) 
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.2. Công thức cơ cấu phẳng
Bậc tự do thừa
Cơ cấu cam:
a) n = 2, T = 2, C = 1, 
W = 3.2–(2.2+1) = 1 btd
b) n = 3, T =3, C = 1,
W = 3.3–(2.3+1) = 2 btd ?
Chuyển động lăn của con lăn 2
quanh khớp B không làm ảnh
hưởng đến chuyển động của cơ
cấu nên không được tính là bậc tự
do của cơ cấu => btd thừa.
Vậy W= 3.3–(2.3+1) – 1 = 1 btd b) a) 
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.2. Bậc tự do của cơ cấu
1.2.3. Ý nghĩa của bậc tự do
Ý nghĩa btd
• Số bậc tự do của cơ cấu bằng số thông số vị trí cần cho
trước để vị trí của toàn bộ cơ cấu hoàn toàn xác định.
• Số bậc tự do của cơ cấu bằng số quy luật chuyển động
cần cho trước, để quy luật chuyển động của cơ cấu hoàn
toàn xác định (hay số động cơ dẫn động cần thiết)
Tính bậc tự do của hai cơ câu trên?
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Xếp hạng cơ cấu phẳng
1.3.1. Nhóm atxua – hạng của nhóm
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Xếp hạng cơ cấu phẳng
1.3.1. Nhóm atxua – hạng của nhóm
Bài tập
Bài tập