Giáo trình Nguyên lý máy - Bài 3: Phân tích lực cơ cấu

Bài 3
Phân tích lực
cơ cấu
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 4
Thiết kế máy
Chọn LOẠI cơ
cấu, kích thước
động học
Phân tích động
học, lực, động
lực học
Thiết kế chi 
tiết máy
Vật liệu
Nguyên lý
làm việc
Công nghệ
chế tạo
Thiết kế nguyên lý máy
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 5
Tại sao phải phân tích lực?
 Một số điểm/khâu trên cơ cấu/máy cần làm việc với giới
hạn lực cho trước
 Cơ sở để
 Tính toán độ bền, thiết kế chi tiết
 Tính toán chế độ bôi trơn, mài mòn
 Tính toán hiệu suất
 Chọn động cơ dẫn động
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 6
Những vấn đề mấu chốt
 Cho trước cơ cấu với
 Kích thước động học
 Quy luật chuyển động của khâu dẫn
 Kết cấu sơ bộ: Phân bố khối lượng (khối lượng, mô men 
quán tính của các khâu, vị trí trọng tâm)
 Lực tác dụng lên điểm làm việc (lực cản kỹ thuật)
 Mục tiêu: Xác định tải trọng đặt lên các khâu, khớp => làm
cơ sở thiết kế hoàn chỉnh kết cấu của các chi tiết máy, thiết
kế bôi trơn, tính chọn động cơ có mô-men dẫn động phù
hợp
 Bài toán phải giải quyết: 
 Phân tích áp lực khớp động
 Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 7
1. Các loại lực tác dụng lên cơ cấu
 Ngoại lực: lực từ bên ngoài
tác động lên bộ phận làm
việc của máy
 Lực cản kỹ thuật FC
 Trọng lượng của các
khâu chuyển động G
 Lực phát động Mđ / Fđ
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 8
1. Các loại lực tác dụng lên cơ cấu
 Lực quán tính
 Tồn tại ở những khâu chuyển động có gia tốc
 Trong trường hợp tổng quát khâu chuyển động song 
phẳng có:
 Khối lượng khâu mi
 Vị trí trọng tâm Si
 Mô men quán tính đối với trọng tâm Jsi
 Gia tốc góc
 Gia tốc trọng tâm
i
iS
a
iqi i S
P m a 
iqi S i
M J  và
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 9
1. Các loại lực tác dụng lên cơ cấu
 Nội lực: Lực tác động tương hỗ giữa các khâu trong cơ
cấu => là thành phần phản lực trong các khớp động
 Áp lực khớp động
 Lực ma sát
 Luôn có
 Nếu bỏ qua ma sát thì
msijF
ijN
ijR
ij ij msijR N F 
ij ijR N
ij jiR R 
v
F
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 10
2. Nội dung
 Các dữ liệu cho trước
 Kích thước động và vị trí khâu dẫn
 Đã giải xong bài toán gia tốc
 Các thông số cấu tạo (sơ bộ) các khâu
 Khối lượng khâu mi
 Vị trí trọng tâm Si
 Mô men quán tính đối với trọng tâm JSi
 Các ngoại lực đã biết: lực cản kỹ thuật
 Tính
 Lực quán tính
 Phản lực khớp động trên khâu bị dẫn
 Phân tích lực khâu dẫn: phản lực khớp và lực cân bằng
1
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 11
3. Các giả thiết gần đúng
 Coi các khâu rắn tuyệt đối
 Coi khâu dẫn chuyển động đều
 Bỏ qua ma sát trong các khớp động
 Vì sao gần đúng?
 Ràng buộc lẫn nhau
ij ijR N
1 const 
Bài toán
vận tốc
Bài toán
gia tốc
Lực ma 
sát
Phân
tích lực
Tính lực
quán tính
Khâu dẫn
1 const 
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 12
4. Nguyên tắc
 Các khâu chuyển động có gia tốc => ngoại lực tác dụng
không cân bằng => không viết được phương trình cân
bằng lực => không giải được bài toán => Sử dụng
nguyên lý Đa-lăm-be và phương pháp động tĩnh học
 Coi lực quán tính là ngoại lực cùng với các ngoại lực
khác tác động lên cơ hệ => coi là cơ hệ cân bằng => 
thiết lập phương trình cân bằng lực
 Tách cơ cấu thành khâu dẫn và các chuỗi động hở làm
xuất hiện phản lực khớp động
 Tách thế nào?
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 13
4. Nguyên tắc: Điều kiện tĩnh định
 Nhóm tách ra phải thỏa mãn: Số PTCB lực = Số ẩn số
 Xét nhóm tách ra có: n khâu, T khớp thấp và C khớp cao
 Số PT cân bằng lực: 3n
 Số ẩn số?
 Khớp thấp 2 ẩn
 Khớp cao 1 ẩn
 Có 2T+C ẩn
Trị số và phương? Trị số và điểm đặt? Trị số?
3 2n T C 
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 14
4. Nguyên tắc: Điều kiện tĩnh định
Giải cho các nhóm từ xa khâu dẫn về gần khâu dẫn. Vì sao?
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 15
5. Trình tự giải bài tính lực cơ cấu
 B1: Xác định ngoại lực tác dụng lên cơ cấu
 B2: Xác định lực quán tính
 B3: Tách cơ cấu làm xuất hiện áp lực khớp động
 Với mỗi nhóm:
 B4: Áp dụng PP tĩnh động học thiết lập PTCB lực
 B5: Giải hệ phương trình cân bằng lực
 Chú ý: giải cho các nhóm từ xa khâu dẫn về gần
khâu dẫn
 B6: Phân tích lực khâu dẫn: lực tác dụng lên giá và mô
men cân bằng
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 16
6. Tính lực quán tính
 Khâu chuyển động tịnh tiến
 Khâu quay quanh một điểm cố định 
trùng với trọng tâm
 Khâu quay quanh một điểm cố định
KHÔNG trùng với trọng tâm
0
q S
q
P ma
M
  


0q
q S
P
M J 
 

 
. . .sin .sin
. . . .

   

q S S S S
q S S AS AS
M J J a J
h
P m a m a l m l
  
sin
S
SK
AS
Jh
l
ml
 
2
SK
AS
l
l

hay
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 17
7. Ví dụ: Cơ cấu máy bào ngang
 Cho trước
 Hành trình: H
 Góc lắc cực đại: Y
 Phương xx: a =(b+c)/2
 Khoảng cách AC = a/2
 Tỷ số lDE/lDC = l
 Thông số cấu tạo (sơ bộ)
 Khâu 3: S3, m3, JS3
 Khâu 6: S6, m6
 Đã giải xong BTGT
 Tìm
 Các lực tác động lên cơ cấu
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 18
7. Cơ cấu máy bào ngang: Ngoại lực
 Lực cản kỹ thuật: lực từ phôi tác dụng lên đầu dao, 
 Vật liệu
 Chế độ cắt
 Dạng hình học của dao
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 19
7. Cơ cấu máy bào ngang: Ngoại lực
 Trọng lực
 Khâu 3: S3, m3 => G3
 Khâu 6: S6, m6 => G6
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 20
7. Cơ cấu máy bào ngang: Lực quán tính
 Khâu 3: S3, m3, JS3 3, aS3 => M3 , P3
 Khâu 6: S6, m6, aS6 => P6
33 3 S
P m a 
33 3S
M J  
66 6 S
P m a 
Họa đồ gia tốc
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 21
7. Cơ cấu MBN: Tách nhóm
 Nhóm I: hai khâu 5, 6 và ba khớp D, E, F
 Nhóm II: hai khâu 2, 3 và ba khớp B2, B3, C
 Khâu dẫn và giá
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 22
7. Cơ cấu MBN: Nhóm I
 PTCB lực
5
35 350 0
t t
E DEM N l N    
6 6 46 35 0CP P G N N    
35 35 35
n tN N N 
35 356 6 46
0t nCN P G P N N     
𝜇𝑃 =
𝐺𝑖á 𝑡𝑟ị 𝑡ℎậ𝑡
Đ𝑜ạ𝑛 𝑏𝑖ể𝑢 𝑑𝑖ễ𝑛
𝑁
𝑚𝑚
Nhóm I
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 23
7. Cơ cấu MBN: Nhóm I
 Điểm đặt lực
 Tách khớp E: 
6
6
6
6 46
6
46
0E c S E
c S E
M Ph G l N x
Ph G l
x
N
     
 
 
46N
56 65N N 
65 35N N 
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 24
7. Cơ cấu MBN: Nhóm II
 Ta có:
 Coi là ngoại lực đã biết
 Tính toán tương tự => 
 Coi là ngoại lực đã biết
tác động lên khâu dẫn
 Phân tích tiếp lực khâu dẫn
53N
53 35N N 
21 12N N 
12 ,N
21N
Khâu dẫn Nhóm II
43N
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 25
8. Phân tích lực khâu dẫn
 Sau khi tách hết các nhóm còn lại khâu dẫn
nối với giá cố định bằng một khớp thấp có áp
lực khớp động chứa 2 ẩn số
 Khớp quay: Phương và trị số
 Khớp tịnh tiến: Điểm đặt và trị số
 Trong điều kiện CB lực cho khâu dẫn lập
được 3 PT 
→ Ẩn thứ 3 có thể và cần xác định chính là
một trong hai yếu tố của ngoại lực dùng để
cân bằng các lực trên khâu dẫn
 Lực cân bằng khâu dẫn là lực xác định được
ở khâu dẫn để cân bằng toàn bộ các ngoại lực
khác trên toàn bộ cơ cấu, kể cả lực quán tính
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 26
8. Phân tích lực khâu dẫn
 Nếu trên khâu dẫn đặt lực cân bằng: 
cho trước điểm đặt và phương
 Nếu trên khâu dẫn đặt mô men cân
bằng
 Tách khớp A làm xuất hiện và
tính dựa vào PTCB lực:
→ Phương pháp phân tích áp lực
khớp động
21 21.CB
AI
N h
P
l
21 21.CBM N h
21 41 0CBP N N  
41N
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 27
8. Phân tích lực khâu dẫn
 Nguyên lý di chuyển khả dĩ
 Với một hệ lực cân bằng, tổng công suất tức thời của 
tất cả các lực bằng không trong mọi di chuyển khả dĩ
 Nếu trên khâu dẫn đặt mô men cân bằng
( ) ( ) 0i iN P N M  
1
1
[ ] . 0
n
i i i i CB
i
Pv M M 

  
11
1
[ ]
n
CB i i i i
i
M Pv M 
 
   
CBMdấu “+” khi cùng chiều , dấu “-” khi ngược chiều1 CBM 1
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 28
9. Ý nghĩa mô men cân bằng
 Ứng với mỗi vị trí của khâu dẫn xác định được mô
men cân bằng
 Cơ sở để chọn động cơ dẫn động cho cơ cấu
1
i
i
CBM
1
1 ntb i
d CB CB
i
M M M
n 
  
max{ }ikd CBM M
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 29
 Mỗi động cơ có Md, Mkd xác định → chỉ có thể chọn
 Nên nhìn chung → khâu dẫn không cân bằng lực
 Giả thiết khâu dẫn chuyển động đều là gt gần đúng
 Để máy làm việc ổn định thì trong mỗi chu kỳ tổng công
của mô men động cơ phải bằng tổng công của mô men
cân bằng
i
d BM M C
9. Ý nghĩa mô men cân bằng
1
1 ntb i
d CB CB
i
M M M
n 
  
1max{ }kd CBM M
d CBM M
A A
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 30
Bài tập 1
Cho cơ cấu như hình vẽ
biết: lBC = 2lAB = 0,2 (m) ,
lCD = 0,05 (m), P3=100N, 
𝒎𝟑 = 𝟓 𝟑 𝒌𝒈, 1=10 
(rad/s). Tại vị trí đang xét có
1=90
0.
Tính áp lực khớp động và
mô men cân bằng trên khâu
dẫn?
𝜔1
𝑆3 ≡
Bài 3: Phân tích lực cơ cấu 31
Bài tập 2
Cho cơ cấu có lược đồ như
hình vẽ, có lAB = lBC = 0,1 (m), 
khâu dẫn quay đều với 1=10 
(rad/s), M3 = 20 Nm , P2 = 100N.
Tại vị trí đang xét 1=60
0.
Tính mo-men cân bằng trên
khâu dẫn 1?