Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 3: Phân tích lực - Trương Quang Trường

NGUYÊN LÝ MÁY 
GV: ThS. TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG 
KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 2 - 
Nguyên Lý Máy 
Chương 3 
PHÂN TÍCH LӴC 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
I. ĐẠI CƯƠNG 
Mục đích của phân tích lực là xác định 
được áp lực khớp động, mômen hay lực 
cân bằng để: 
 - Xác định công suất máy (cơ cấu). 
 - Thiết kế khớp động và mặt cắt ngang 
các khâu. 
- 3 - 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 4 - 
1. Ngoại lực 
- Lực cản kỹ thuật 
- Trọng lượng các khâu 
- Lực phát động 
- Lực quán tính 
I. ĐẠI CƯƠNG 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 5 - 
2. Lực quán tính 
- Cơ cấu là một hệ thống chuyển động có gia tốc, tức ngoại lực tác động lên cơ 
cấu không triệt tiêu nhau  không thể dùng phương pháp tĩnh học để giải 
- Để giải quyết bài toán hệ lực không cân bằng  dùng nguyên lý D’Alambert 
“Nếu ngoài nhӳng lӵc tác dụng lên một cơ hệ chuyển động, ta 
thêm vào đó nhӳng lӵc quán tính và xem chúng như nhӳng ngoại 
lӵc thì cơ hệ được xem là ở trạng thái cân bằng, khi đó có thể 
dùng phương pháp tĩnh học để phân tích cơ hệ này” 
I. ĐẠI CƯƠNG 
S
aS

Mqt
Pqt
0s s
qt s
F m.a F m.a
P m.a
   
  
 ur uur ur uur
uur uur
0s s
qt s
M J . F J .
M J .
     
   
 uur r ur r
uuur r
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 6 - 
I. ĐẠI CƯƠNG 
3. Nội lực 
- Lực tác dụng lẫn nhau giữa các khâu trong cơ cấu (phản lực liên kết) 
- Tại mỗi tiếp điểm của thành phần khớp động, phản lực này gồm hai phần 
 + Thành phần áp lực: vuông góc với phương chuyển động tương đối 
 Tổng các thành phần áp lực trong một khớp  áp lực khớp động 
+ Thành phần ma sát: song song với phương chuyển động tương đối 
Tổng các thành phần ma sát trong một khớp  lực ma sát 
msPLLK ALKD F 
uuur
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
- 7 - 
1. Điều kiện tĩnh định 
- Muốn giải các bài toán áp lực khớp động: 
Số phương trình lập được = số ẩn chứa trong các phương trình 
 Đây là điều kiện tĩnh định của bài toán 
- Giả sử tách từ cơ cấu ra một chuỗi động n khâu, pk khớp loại k + Số phương trình lập được: 6n phương trình 
+ Số ẩn chứa trong chuỗi động: phụ thuộc vào số lượng và loại 
khớp động 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
- 8 - 
1. Điều kiện tĩnh định Không gian: 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 9 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
Như vậy, khớp loại k chứa k ẩn  tổng số ẩn trong chuỗi là 
5
1
k
k
kP


- Để tính phản lực khớp động  tách cơ cấu thành các chuỗi động hở, trên đó 
phản lực ở các khớp chờ là ngoại lực và viết các phương trình lực cho chuỗi 
- Điều kiện để giải được bài toán: 
 Số phương trình lực lập được = số ẩn chứa trong các phương trình 
5
1
6 k
k
n kP

 hay 5
1
6 0k
k
n kP

 
1. Điều kiện tĩnh định 
Không gian: 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 10 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
1. Điều kiện tĩnh định 
Mặt phẳng: 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 11 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
1. Điều kiện tĩnh định 
R
R
R
Đối với cơ cấu phẳng: 
- Số phương trình: 3n 
- Số ẩn số: 
a) Khớp tịnh tiến 
+ Điểm đặt ? 
+ Phương  phương trượt 
+ Độ lớn ? 
b) Khớp quay 
c) Khớp cao 
+ Điểm đặt: tại tâm khớp 
+ Phương ? 
+ Độ lớn ? 
+ Điểm đặt: điểm tiếp xúc 
+ Phương pháp tuyến 
+ Độ lớn ? 
2 ẩn số 
2 ẩn số 
1 ẩn số 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 12 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
1. Điều kiện tĩnh định 
-Đối với cơ cấu phẳng điều kiện để giải được bài toán: 
3n – (2p5 + p4) = 0 
-Các nhóm tĩnh định thỏa điều kiện trên 
 Để xác định các phản lực khớp động, ta phải tách cơ cấu 
thành những nhóm tĩnh định và viết phương trình lực cho 
từng nhóm này 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 13 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
2. Xác định áp lực khớp động 
- Các bước xác định áp lực khớp động 
 + Tách nhóm tĩnh định 
 + Tách các khâu trong nhóm tĩnh định 
Đặt các áp lực khớp động và các ngọai lực lên khâu 
 + Viết các phương trình cân bằng lực cho từng khâu 
 + Giải các phương trình viết cho các khâu thuộc một nhóm tĩnh định 
Giải cho các nhóm ở xa khâu dẫn trước (ngược lại với bài toán động học) 
Với cơ cấu phẳng, một khâu viết được 3 phương trình 
0
0
0 _
0
0
X
Y
OZ
OZ
F
F
F hay
M
M
       
  
ur
ur
ur
- Các phương trình lực trên có thể được giải bằng các phương p áp đã biết: p ương 
pháp giải tích vector, phương pháp họa đồ vector (đa giác lực)  
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 14 - 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
Ví dụ 1: 
O
R12
R03R12
t
P2
t
P3
R03
P2
B
A
1
2
P2
2B3
D
P3
n
CD
R12
n
R12
t
C
3h3
D
BC
n
t
R03
n
R03
P3
h2
C
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 15 - 
Ví dụ 2: 
- Tách nhóm tĩnh định, tách các khâu trong nhóm, đặt lực lên khâu 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 16 - 
- Viết phương trình lực cho từng khâu trong cùng một nhóm 
13
3 03 23
3 03 3
0
0C P
P P R R
M M R x P h
        

 ur
ur ur ur ur
2
2 12 32
2 32 2
0
0B BC P
P P R R
M M R l P h
         

 ur
ur ur ur ur

- Giải các phương trình lực của 
cùng một nhóm 
II. ÁP LỰC KHỚP ĐỘNG 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 17 - 
1. Phương pháp phân tích lực 
21 21 1 1 1
21 21 1 1 1
. 0
1( )
A cb
cb
M R h Ph P l M
P R h Ph M
l
    
    

cb
cb
MP
l

III. LỰC CÂN BẰNG TRÊN KHÂU DẪN 
2
ABll 
Lực cân bằng: (Quy ước) 
- Đặt tại trung điểm khâu dẫn; 
- Phương  khâu dẫn. 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 18 - 
1. Phương pháp phân tích lực 
21 21 1 1 1
21 21 1 1 1
0A cb
cb
M R h Ph M M
M R h Ph M
    
    

cb
cb
MP
l

III. LỰC CÂN BẰNG TRÊN KHÂU DẪN 
2
ABll 
Momen cân bằng: 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 19 - 
2. Phương pháp di chuyển khả dĩ 
- Môment (lực) cân bằng trên khâu dẫn là moment (lực) cân bằng tất cả các lực 
(kể cả lực quán tính) tác dụng lên cơ cấu  tổng công suất tức thời của tất cả 
các lực tác dụng lên cơ cấu bằng không 
- Theo nguyên lý di chuyển khả dĩ 
0
i iP M
N N   công suất của lực Pi iPN
iM
N công suất của môment Mi 
- Công suất của lực Pi i
k
i iPN P V
ur ur
k
iV
ur vận tốc của điểm đặt lực Pi 
- Công suất của moment Mi i
k
i iMN M uur
uur ur
k
i
ur vận tốc của khâu chịu tác dụng của moment Mi 
III. LỰC CÂN BẰNG TRÊN KHÂU DẪN 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 20 - 
2. Phương pháp di chuyển khả dĩ 
- Môment (lực) cân bằng trên khâu dẫn 
 
 
1
1
0
0
k
cb i i cbi i
k
cb i i cbi i
M P V M M
P V P V M P
   
   


uur ur ur ur uur ur uur
ur ur ur ur uur ur ur
 

III. LỰC CÂN BẰNG TRÊN KHÂU DẪN 
Khoa Cơ Khí – Công Nghệ 
Trường ĐH Nông Lâm TPHCM Ths. Trương Quang Trường 
- 21 - 
s2
A
Pcb

B
P2
C
P2
P3
s'2
P3
b
pvPcb
s'1 h2
s1
c
Vs2
2. Phương pháp di chuyển khả dĩ 
III. LỰC CÂN BẰNG TRÊN KHÂU DẪN 
Pcb.hcb + P2h2 – P3h3 = 0 
Tổng quát: Pcb.hcb + P1h1 + P2h2 +  + Pnhn = 0