Bài giảng Nguyên lý máy - Chương 1: Cấu trúc cơ cấu - Nguyễn Tuấn Khoa

i chuyển động của cơ cấu.
2Cấu tạo học phần
45 tiết (LT+BT)
 Chương 1: CẤU TRÚC CƠ CẤU
 Chương 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PHẲNG
 Chương 3: PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU PHẲNG
 Chương 4: CÂN BẰNG MÁY
 Chương 5: CHUYỂN ĐỘNG THỰC CỦA MÁY
 Chương 6: CƠ CẤU CAM
 Chương 7: CƠ CẤU BÁNH RĂNG
 Chương 8: HỆ THỐNG BÁNH RĂNG
Nhiệm vụ người học
 HỌC
• Đi học đầy đủ, đúng giờ
• Thái độ học tập nghiêm túc, có ý thức xây dựng bài
• Không gây mất trật tự ảnh hưởng đến lớp
 THI: Trắc nghiệm
• GK, CK: 30 câu, 40 phút (4 đáp án chọn 1)
• Chỉ tính câu làm đúng (sai ko trừ điểm)
3Tài liệu học tập
• SGK: Nguyên lý máy – Đinh Gia Tường, Tạ
Khánh Lâm
• BT: BTNLM – Tạ Ngọc Hải
• Giáo trình trên lớp
Chương 1
CẤU TRÚC CƠ CẤU
GV : Nguyễn Tuấn Khoa
Bộ môn Cơ sở thiết kế máy & Robot
4Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
Động cơ đốt trong
Hộp số sàn
Tay kẹp robot Robot PUMA
5Chương 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
6Chương 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 tối đa 3 btd: Tx, Ty, Qz
• Giữa hai khâu trong không gian tối đa 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 ?
7Chương 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
8Chương 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
9Chương 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 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
10
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.1. Khái niệm 
1.1.5. Chuỗi động , cơ cấu, máy
Động cơ đốt trong 
(V)


1 A
B
C
D
E
35 4
2
1
CP

EP


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
11
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
W th : số bậc tự do thừa của cc
btd?
tr th t
5
1
hj
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(p5) : số khớp thấp trong cc 
phẳng
C(p4) : số khớp cao trong cc 
phẳng
Rtr : số ràng buộc trùng
Rth : số ràng buộc thừa
W th : số bậc tự do thừa
tr th th
W 3n 2T C R R W– ( – – ) – 
12
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
Q z2
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 tĩnh định)
Hình b) lAB = lCD = lEF; lAF = lBE; lBC = lAD thì hệ sẽ chuyển động được ( btd > 0)
Vì sao? 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 tạo thêm cho cơ cấu một bậc tự
do bằng (n = 1, p5 = 2): W=3.n-(2T+C)=3.1-(2.2)= -1. Số ràng buộc thừa: Rthừa = 1 .
b) a) 
13
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 cấu trên?
E
14
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.1. Nhóm Atxua ~Nhóm tĩnh định
Tách khỏi cơ cấu khâu dẫn 1 và giá 4, sẽ còn lại một nhóm gồm hai khâu 2 
và 3 nối với nhau bằng khớp quay C. Ngoài ra trên mỗi khâu còn một thành 
khớp và được gọi là khớp chờ: khớp chờ B và khớp chờ C. Như vậy 
nhóm còn lại gồm có hai khâu (n = 2) và ba khớp quay (p5 = 3), bậc tự do của
nhóm: W = 3.2 – 2.3 = 0.
Đây là một nhóm tĩnh định vì khi cho trước vị trí của các khớp chờ thì vị 
trí của khớp trong C hoàn toàn xác định.
Nhóm tĩnh định là nhóm có bậc tự do bằng 0 và không thể tách thành các 
nhóm nhỏ hơn có bậc tự do bằng 0.
Cơ cấu 4 khâu bản lề
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.1. Nhóm Atxua ~Nhóm tĩnh định
Nhóm tĩnh định chỉ có hai khâu và ba khớp được gọi là nhóm Atxua hạng 2
Nhóm Atxua hạng 2
Năm loại nhóm Atxua hạng 2
Nhóm Atxua có hạng cao hơn 2
Nếu các khớp trong của một nhóm tĩnh định tạo thành một đa giác thì 
hạng của nhóm Atxua được lấy bằng số đỉnh của đa giác, nếu tạo thành 
nhiều đa giác thì hạng của nhóm lấy bằng số đỉnh của đa giác nhiều đỉnh 
nhất.
15
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.1. Nhóm Atxua ~Nhóm tĩnh định
Nhóm Atxua có hạng cao hơn 2
Ví dụ cơ cấu trên hình có thể tách thành khâu dẫn 1 nối giá bằng khớp và
một nhóm tĩnh định BCDEG . Các khớp chờ là khớp B, E, G. Các khớp 
trong là C, D, E. Nhóm này có một đa giác khép kín là CDF có ba đỉnh nên 
là nhóm hạng 3.
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.2. Xếp hạng cơ cấu
Hạng của cơ cấu
+ Cơ cấu hạng 1 là cơ cấu có một khâu động nối với giá bằng khớp quay, ví 
dụ cơ cấu roto máy điện.
+ Cơ cấu có số khâu động lớn hơn 1 có thể coi là tổ hợp của một hay nhiều 
cơ cấu hạng 1 với một số nhóm Atxua. Nếu cơ cấu chỉ có một nhóm Atxua 
thì hạng của cơ cấu là hạng của nhóm. Nếu cơ cấu có nhiều nhóm Atxua 
thì hạng của cơ cấu lấy bằng hạng của nhóm Atxua có hạng cao nhất.
Xếp hạng các cơ cấu sau?
16
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.2. Xếp hạng cơ cấu
Hình 1. Số khâu động: n = 5. Số khớp loại 5 (khớp thấp): (5 khớp quay A, B, C, D, 
E và 2 khớp trượt C,E). Số khớp loại 4 (khớp cao): p5 = 7, p4 = 0 
⇒ W=3n−(2p5 +p4)=3.5−(2.7+1.0) =1
Hạng của cơ cấu : 3 
Hình 2. Số khâu động: n = 7 Số khớp loại 5 (khớp thấp): 10 khớp quay: tại A có 2 
khớp quay vì có 3 khâu nối động với nhau, tại B có 2 khớp quay, tại C có 1 khớp 
quay, tại D có 2 khớp quay, tại E có 2 khớp quay, tại F có 1 khớp quay).
p5 = 10, p4 = 0 ⇒ W=3n−(2p5 +p4)=3.7−(2.10+1.0) =1
Hạng của cơ cấu : 4 
• Cơ cấu = Các nhóm Atxua + Các khâu dẫn
17
Chương 1 CẤU TRÚC CƠ CẤU 
1.3. Nhóm Atxua và xếp hạng cơ cấu
1.3.3. Thay thế khớp cao về khớp thấp
Trong cơ cấu phẳng, thường có khớp cao loại 4, để tách thành những 
nhóm tĩnh định như những cơ cấu phẳng toàn khớp thấp phải thay thế các 
khớp cao thành những khớp thấp nhưng vẫn đảm bảo được chuyển động 
của cơ cấu.
Thay thế khớp cao bằng khớp thấp phải đảm bảo hai điều kiện:
+ bậc tự do của cơ cấu không đổi
+ quy luật chuyển động không đổi
- Nguyên tắc: dùng 1 khâu hai khớp bản lề và đặt các bản lề tại tâm cong 
của các thành phần khớp cao tại điểm tiếp xúc
- Ví dụ: Thay thế khớp cao bằng khớp thấp ở cơ cấu cam cần lắc đáy bằng