Đồ án môn học Nguyên lý máy - Phân tích động học và phân tích lực cơ cấu chính

 Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 MỤC LỤC
 Chương 1. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CHÍNH
 1.1. Phân tích cấu tạo, xếp loại và nguyên lý làm việc ...........................5 
 1.2. Xác định các thông số và cách vẽ lược đồ cơ cấu............................6 
 1.3. Họa đồ chuyển vị của cơ cấu tại 8 vị trí......................................................... 6
 1.4. Họa đồ vận tốc, gia tốc của cơ cấu tại 8 vị trí ................................................6
 1.5. Bài toán vận tốc................................................................................6
 1.6. Bài toán gia tốc.................................................................................9
 Chương 2. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU CHÍNH
 2.1. Vị trí 1 ............................................................................................13
 2.1.1. Áp lực khớp động........................................................................13
 2.1.2. Tính mômen cân bằng .................................................................17
 2.2. Vị trí 2 ............................................................................................18
 2.2.1. Áp lực khớp động........................................................................18
 2.2.2. Tính mômen cân bằng.................................................................23
 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................30
GVHD: Trần Ngọc Vũ 1 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 LỜI NÓI ĐẦU
 Môn học nguyên lý máy là một trong những môn học cơ sở không thể thiếu 
được đối với các ngành kỹ thuật, vì thế làm đồ án môn học là công việc rất quan 
trọng và cần thiết để chúng ta hiểu sâu, hiểu rộng những kiến thức đã được học ở 
cả lý thuyết lẫn thực tiễn, tạo tiền đề cho những môn học sau này.
 Với những kiến thức đã học, cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo 
trong thời gian qua tôi đã hoàn thành nhiệm vụ đồ án của môn học này. Nhưng do 
đây là lần đầu tiên làm đồ án môn học nên không tránh khỏi những thiếu sót.Tôi 
rất mong được sự góp ý của thầy giáo để đồ án môn học của tôi được hoàn thiện 
hơn. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy giáo trong Tổ 
bộ môn.
 Sinh viên:Tạ Văn Quân
GVHD: Trần Ngọc Vũ 2 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 Chương 1. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CHÍNH
 1.1. Phân tích cấu tạo, xếp loại và nguyên lý làm việc của cơ cấu
 1.1.1. Phân tích cấu tạo cơ cấu:
 - Tay quay AB; 
 - Thanh truyền chính BC;
 - Thanh truyền phụ DE;
 - Con trượt C và E;
 - α: góc giữa hành trình của piston C và E;
 - β: góc giữa BC và BD;
 - γ: góc hợp bởi tay quay AB và phương ngang.
 1.1.2. Xếp loại cơ cấu:
 - Số khâu động: n = 5 (1, 2, 3, 4, 5); 
 - Số khớp loại 5: p5 = 7 (A, B, C2, C3, D, E4, E5);
 - Số khớp loại 4: p4 = 0; 
 - Số ràng buộc trùng: R0 = 0; 
 - Số ràng buộc thừa rth = 0; 
 - Số bậc tự do thừa: Wth = 0;
 Áp dụng công thức: 
 W= 3n - (2 p5 + p4) + rth - Wth
 ⇒ W= 3.5 – (2.7 + 0) + 0 = 1
 Vậy cơ cấu có 1 bậc tự do.
 Xếp hạng cơ cấu: Cơ cấu có hạng 2.
 1.1.3. Nguyên lý làm việc.
 - Dưới tác dụng của lực nén gây ra bởi khối khí nén piston C và E chuyển 
động dọc theo giá đi qua CA và EA, chuyển động này được truyền tới trục quay 
AB qua các thanh truyền BC và DE.
 - Tay quay AB chuyển động có tác dụng truyền lực ra ngoài để máy làm việc.
 - Ở mỗi xilanh có chu kỳ làm việc là 2 vòng quay của AB.
 + Vòng quay đầu từ 0 → 2π ứng với quá trình hút và nén nhiên liệu.
 + Vòng tiếp theo từ 2π → 4π ứng với quá trình nổ và xả nhiên liệu sau khi 
đốt cháy ra ngoài.
GVHD: Trần Ngọc Vũ 3 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 1.2. Xác định các thông số và cách vẽ lược đồ cơ cấu
 1.2.1. Các thông số:
 - Chiều dài: lAB = 75 (mm); lBC = 225 (mm); lBD = 50 (mm); lDE = 180 (mm).
 0 0
 - Góc: α = 60 ; β = 65 .
 - Xác định thông số chưa biết: chiều dài đoạn DC:
 Áp dụng định lý cosin trong tam giác BCD, ta có:
 2 2 2
 Cos = 
 2 . 
 DC = 2 + 2 ― 2 BD.BC.cos 
 DC = 2252 + 502 ― 2 .225.50.cos 650 = 208,84 (mm).
 1.2.2. Cách vẽ họa đồ cơ cấu:
 Chọn tỷ lệ xích l = 0,001 1( ) 
 - Cho trước 2 phương Ax và Ay đối xứng nhau qua trục thẳng đứng và tạo 
với nhau 1 góc α làm 2 phương trượt của piston C và E.
 - Dựng AB tạo với phương ngang 1 góc γ cho trước (chọn vị trí ban đầu γ = 00). 
Ta có:
 푙 0,075
 AB = = = 75 (mm)
 휇푙 0,001
 Tương tự, ta tính được:
 BC = 225 (mm); BD = 50 (mm); 
 DE = 180 (mm); DC = 208.84 (mm).
 - Vẽ đường tròn tâm B bán kính R1 = BC = 225 (mm) cắt Ax tại C.
 - Vẽ BD hợp với BC 1 góc  = 650 với BD = 50 (mm)
 - Nối C với D ta được khâu 2.
 - Từ D vẽ đường tròn tâm D bán kính R2 = DE = 180 (mm) cắt phương Ay tại 
E.
 - Quỹ đạo điểm B là đường tròn tâm A bán kính AB. 
 1. 3. Họa đồ chuyển vị của cơ cấu tại 8 vị trí (thể hiện trên bản vẽ A0 kèm theo)
 1. 4. Họa đồ vận tốc, gia tốc của cơ cấu tại 8 vị trí (thể hiện trên bản vẽ A0 kèm 
theo)
 1. 5. Bài toán vận tốc:
 0
 Cho ω1 = 60П (rad/s), γ = 160 
 Xác định: VC, VD, VE, ω2, ω4 
GVHD: Trần Ngọc Vũ 4 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 * Phương trình vận tốc điểm C:
 = + 
 (1.1)
Độ lớn: ? 1.lAB = 4,5П (m/s) ?
Phương, chiều: // AC  AB, phù hợp 1  BC
Vẽ họa đồ vận tốc theo phương trình (1): chọn điểm p làm gốc và biểu diễn 
bằng đoạn pb = 150 mm có phương vuông góc AB, chiều phù hợp chiều quay  1. 
 4,5П 
Vậy tỉ lệ xích của họa đồ vận tốc là: = = = 0,03П ( ) 
 휇푣 150 .푠
 Từ b vẽ đường thẳng ∆1 vuông góc BC biểu diễn cho phương của 
 Từ p vẽ đường thẳng ∆2 song song AC biểu diễn cho phương của 
 Giao điểm c của ∆1 và ∆2 chính là mút của và 
 Từ họa đồ vận tốc, ta có:
 - biểu thị cho 
 - biểu thị cho 
 - biểu thị cho 
 // AC, chiều theo 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . = 0,03П . 138 = 13,006 (m/s).
  BC, theo chiều 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . = 0,03П . 69 = 6,503 (m/s). 
 * Phương trình vận tốc điểm D:
 = + = + 
Độ lớn: ? 4,5П (m/s) ? 13,006 (m/s) ?
Phương, chiều: ?  AB, phù hợp 1  BD // AC, theo  CD
 - Vẽ họa đồ vận tốc xác định :
 Từ b vẽ đường thẳng 훿1  BD biểu diễn cho phương của 
 Từ c vẽ đường thẳng 훿2  CD biểu diễn cho phương của 
 Giao điểm d của 훿1 và 훿2 chính là mút của và (ta có thể xác định 
điểm d bằng phương pháp sử dụng định lí đồng dạng thuận cho 2 tam giác là 
∆BCD và ∆bcd)
 Từ họa đồ vận tốc (hình 1.3), ta có:
 - biểu thị cho 
GVHD: Trần Ngọc Vũ 5 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 - biểu thị cho 
 - biểu thị cho 
 chiều theo 
 * :
 Độ lớn: = 휇푣 . = 0,03П . 156 = 14,702 (m/s). 
  BD, chiều theo 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . = 0,03П . 8 = 0,753 (m/s). 
  CD, chiều theo 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . = 0,03П . 29 = 2,733 (m/s). 
 * Phương trình vận tốc điểm E:
 = + 
Độ lớn: ? 14,702 
 (m/s) ?
Phương, chiều: // AE đã biết  DE
 - Vẽ họa đồ vận tốc xác định :
 Từ d vẽ đường thẳng 훿3  DE biểu diễn cho phương của 
 Từ p vẽ đường thẳng 훿4 // AE biểu diễn cho phương của 
 Giao điểm e của 훿3 và 훿4 chính là mút của và 
 Từ họa đồ vận tốc (hình 1.3), ta có:
 - 푒 biểu thị cho 
 - 푒 biểu thị cho 
 // AE , chiều theo 푒 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . 푒 = 0,03П . 121 = 11,403 (m/s).
  DE, chiều theo 푒 
 * : 
 Độ lớn: = 휇푣 . 푒 = 0,03П . 122 = 11,498(m/s).
 Ta tính được:
 6,503
 2 = = = 28.902 (rad/s)
 푙 0,225
 11,498 
 4 = = = 63,877 (rad/s)
 푙 0,18
 1. 6. Bài toán gia tốc:
 2 2 2 2
 = 1 . lAB = (60П) . 0,075 = 270 П (m/s )
 푛 2 2 2
 = 2 . lCB = (28,902) . 0,225 = 187,948 (m/s )
 * Phương trình gia tốc điểm C:
 = + 
GVHD: Trần Ngọc Vũ 6 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 푛 휏
 ⟺ = + + (1.2)
Độ lớn: ? 270 П2 (m/s2) 187,948 (m/s2) ?
Phương, chiều: //AC B → A // BC  BC 
 Giải (2.2) bằng phương pháp họa đồ gia tốc:
 2
 - Chọn ′ làm gốc của họa đồ. Từ ′ vẽ ′ ′ biểu diễn cho = 270 
(m/s2) đã biết với ′ ′ = 110 mm, phương // AB, chiều hướng từ B → A 
 Tỷ lệ xích của họa đồ gia tốc là:
 270 2 
 = = = 2,45 2 ( )
 휇 ′ ′ 110 .푠2
 푛 2
 Từ ′ vẽ ′푛 biểu diễn cho = 187,948 (m/s ) đã biết, phương //BC, 
chiều hướng từ C → B.
 휏
 Từ 푛 vẽ đường thẳng x1  BC biểu diễn cho phương của 
 Từ ′ vẽ đường thẳng x2 // AC biểu diễn cho phương của 
 휏
 Giao điểm ′ của x1 và x2 chính là mút của và 
 Từ họa đồ gia tốc, ta có:
 ′ ′ biểu thị cho 
 휏
 푛 ′ biểu thị cho 
 // AC , chiều theo ′ ′ 
 * : 2 2
 Độ lớn: = 휇 . ′ ′ = 2.45 . 47 = 1136.484 (m/푠 )
  BC, chiều theo 푛 ′ 
 * 휏 : 
 휏 2 2
 Độ lớn: = 휇 . 푛 ′ = 2.45 . 112 = 2708.219 (m/푠 )
 휏
 2708.219
 Ta có: 휀 = = = 12036.528 (rad/s2)
 2 푙 0,225
 * Phương trình gia tốc điểm D:
 = + = + (1.3)
 Sử dụng định lý tam giác đồng dạng thuận trong gia tốc, ta có ∆BCD đồng 
dạng thuận với ∆ ′ ′ ′ . Vì ∆BCD ∽ ∆ ′ ′ ′ ⇒ ′ = = 훽 = 650 ; ′ = 
 Từ đó ta vẽ được điểm ′ 
 phương, chiều theo ′ ′ 
 ⇒ 2 2 
 Độ lớn: = 휇 . ′ ′ = 2,45 . 92 = 2224,608 (m/푠 )
 * Phương trình gia tốc điểm E:
 푛 2 2 2
 = 4 . lDE = (63,877) . 0,18 = 734,44 (m/s )
GVHD: Trần Ngọc Vũ 7 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 푛 휏
 = + + (1.4)
Độ lớn: ? 2224,608 (m/s2) 734,44 (m/s2) ?
Phương, chiều: //AE đã biết // DE, E → D  DE 
 Vẽ họa đồ gia tốc xác định 
 푛
 Từ ′ vẽ ′푛 biểu diễn cho đã biết, phương // DE, chiều từ E → D
 휏
 Từ 푛 vẽ đường thẳng y1  DE biểu diễn cho phương của 
 Từ ′ vẽ đường thẳng y2 // AE biểu diễn cho phương của 
 휏
 Giao điểm 푒′ của y1 và y2 chính là mút của và 
 ′푒′ biểu thị cho 
 휏
 푛 푒′ biểu thị cho 
 phương, chiều theo ′푒′ 
 * : 2 2
 Độ lớn: = 휇 . ′푒′ = 2.45 . 109 = 2635,677 (m/푠 )
 phương, chiều theo 푛 
 휏 
 * : 휏 2 2 
 Độ lớn: = 휇 . 푛 푒′ = 2,45 . 42 = 1015,582 (m/푠 )
 휏
 1015,582 
 휀 = = = 5642,123 (rad/s2)
 4 푙 0,18
 Chương 2. PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU CHÍNH
 2.1. Tính áp lực khớp động:
GVHD: Trần Ngọc Vũ 8 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 Cơ cấu gồm: khâu dẫn 1 và 2 nhóm tĩnh định:
 - Nhóm 1 gồm: khâu 2, khâu 3 và các khớp B, C, M.
 - Nhóm 2 gồm: khâu 4, khâu 5 và các khớp D, E, N.
 Khi tách các khâu thì áp lực khớp động trở thành ngoại lực tác dụng lên các khâu.
 + Khâu 2: 푅12, 푅42, 푅32
 + Khâu 3: 푅23, 푃 , 푅03 (푅03: lực do giá tác động lên khâu 3)
 + Khâu 4: 푅24, 푅54 
 + Khâu 5: 푅45, 푃 , 푅05 (푅05: lực do giá tác động lên khâu 5)
 * Phương trình cân bằng cho khâu 4:
 Σ 퐹푖 = 푅24 + 푅54 = 0 (2.1)
 Σ 퐹푖 = 푅24 .ℎ1 + 푅54 .0 = 0 (2.2)
 휏 푛
 Phân tích 푅24 thành 2 thành phần: 푅24 vuông góc DE và 푅24 // DE
 휏 휏 푛
 Thay vào (2) ta được 푅24 . h1 = 0 ⇒ 푅24 = 0 ⇒ 푅24 = 푅24 thay vào (1), 
 푛 푛
ta được: 푅24 + 푅54 = 0 ⇒ 푅24 = - 푅54 
 푅 và 푅 cùng phương, ngược chiều.
 ⇒ 24 54
 Độ lớn 푅24 = 푅54 
 Do đó 푅54 và 푅45 có phương // DE
 * Phương trình cân bằng cho khâu 5:
Σ 퐹푖 = 푅45 + 푅05 + 푃 = 0 (2.3)
 Σ 퐹푖 = 푅45 .0 + 푅05 . 1 + 푃 .0 = 0 (2.4)
 Từ (2.4) ⇒ x1 = 0. Vì 푅05 là lực của giá tác dụng lên khâu 5 ⇒푅05 đi qua E 
và có phương ⊥ AE
 Chiếu (2.3) lên phương AE ta được:
 0
 - R45 .cos + PE = 0 ⟺ R45 = PE ∕ cos = 4400 ∕ cos 12 = 4498,298 
N.
 Chiếu (3) lên phương ⊥ AE ta được:
 0
 R05 - R45 .sin = 0 ⟺ R05 = R45 . sin 12 = 935,248 N. 
 Phương ⊥ AE, chiều từ phải sang trái.
 ⇒ 푅05 
 Độ lớn: 푅05 = 935.248 N. 
 Phương // DE, chiều từ D → E
 푅45 
 Độ lớn 푅45 = 4498,298 N 
 Phương // DE, chiều từ E → D
 ⇒ 푅54 
 Độ lớn 푅54 = 푅45 = 4498,298 N
 푛 Phương // DE, chiều từ D → E
 ⇒ 푅24 푛 
 Độ lớn 푅24 = 푅54 = 4498,298 N. 
GVHD: Trần Ngọc Vũ 9 SVTH: TẠ VĂN QUÂN Trường ĐHCN GTVT Đồ án môn học Nguyên lý máy
 * Phương trình cân bằng cho khâu 2:
 Σ 퐹푖 = 푅12 + 푅32 + 푅42 = 0 (2.5)
 Σ 퐹푖 = ― 푅12 .푙 + 푅42 .ℎ2 = 0 (2.6)
 휏 푛
 Phân tích 푅12 thành 2 thành phần: 푅12 vuông góc BC và 푅12 // BC.
 휏
 Từ (6) ⇒ 푅12 .lBC + R42 .h2 = 0
 Ta có: 
 Phương // DE, chiều từ E → D 
 푅42 
 Độ lớn 푅42 = 푅24 = 4498,298 N.
 h2 = CI (với I là hình chiếu ⊥ của C lên DE)
 ⇒ h2 = 207 . 0,001 = 0,207 (m).
 푅42ℎ2 4498,298 . 0,207 
 τ
 ⇒ R 12 = = = 4138,434 N 
 푙 0,225
 휏 Phương ⊥ , chiều từ phải sang trái
 ⇒ 푅12 휏 
 Độ lớn: 푅12 = 4138,434 N 
 * Phương trình cân bằng cho khâu 3:
 Σ 퐹푖 = 푅23 + 푅03 + 푃 = 0 (2.7)
 Σ 퐹푖 = 푅23 .0 + 푅03 . 2 + 푃 .0 = 0 (2.8)
 Từ (2.8) ⇒ x2 = 0
 Vì 푅03 là lực của giá tác dụng lên khâu 3 ⇒푅03 đi qua C và có phương ⊥ AC
 Lấy (2.5) cộng (2.7) ta được:
 푅12 + 푅32 + 푅42 + 푅23 + 푅03 + 푃 = 0
 휏 푛
 ⟺ 푅12 + 푅12 + 푅03 + 푅42 + 푃 = 0 (2.9)
 휏 푛
 Phương trình (2.9) có 푅12, 푅42 và 푃 đã biết, còn 2 ẩn chưa biết là 푅12 và 푅03
 Do đó ta có thể xác định được bằng cách vẽ họa đồ lực:
 - Chọn 1 điểm a bất kì, từ a vẽ véc tơ biểu diễn cho với ab = 100mm, 
phương // AC, chiều từ C → A 
 5700
 ⇒ Tỷ lệ xích của họa đồ lực = = = 57 (N/mm)
 휇푃 100
 - Từ b vẽ biểu diễn cho 푅42 , bc = 78,91 mm, phương //DE, chiều từ E → 
D.
 휏
 - Từ c vẽ biểu diễn cho 푅12 , cd = 72,6 mm, phương ⊥ , chiều từ phải 
qua trái.
 푛
 - Từ d vẽ ∆1 // BC biểu diễn cho phương của 푅12 .
GVHD: Trần Ngọc Vũ 10 SVTH: TẠ VĂN QUÂN