Báo cáo Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu bốn khâu phẳng (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu bốn khâu phẳng (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CƠ CẤU BỐN KHÂUS K C 0 0 3 9 5 9 PHẲNG MÃ SỐ: T2013-127 S KC 0 0 5 5 4 3 Tp. Hồ Chí Minh, 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CƠ CẤU BỐN KHÂU PHẲNG Mã số: T2013-127 Chủ nhiệm đề tài: Th.s Dƣơng Đăng Danh TP. HCM, Tháng 1 / Năm 2014
3. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CƠ CẤU BỐN KHÂU PHẲNG Mã số: T2013-127 Chủ nhiệm đề tài:Th.s Dƣơng Đăng Danh TP. HCM, Tháng 1 / Năm 2014
4. DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1- Chủ trì đề tài: Dƣơng Đăng Danh 2- Đơn vị phối hợp chính:
5. MỤC LỤC Thông tin kết quả nghiên cứu Mở đầu 1 Chƣơng 1: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp và các ứng dụng 4 Chƣơng 2: Bài toán tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp 12 Chƣơng 3: Phƣơng pháp đồ họa để giải bài toán cơ cấu phẳng toàn khớp 22 thấp Chƣơng 4: Giải bài toán ví dụ 25 Kết luận và kiến nghị 48 Tài liệu tham khảo 49 Thuyết minh đề tài 50
6. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Khoa Cơ khí chế tạo máy Tp. HCM, Ngày 27 tháng 1 năm 2014 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP THẤP - Mã số: T2013-127 - Chủ nhiệm: Dƣơng Đăng Danh - Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật TP.HCM - Thời gian thực hiện: tháng 03/2013 đến tháng 12/2013 2. Mục tiêu: -Nghiên cứu tổng quát về tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp . -Nghiên cứu việc ứng dụng phần mềm Geogebra vào việc tổng hợp cơ cấu bằng phƣơng pháp đồ họa. 1. Tính mới và sáng tạo: - Các giáo trình tiếng Việt hầu nhƣ không trình bày nội dung nghiên cứu trong đề tài. - Việc ứng dụng phần mềm Geogebra mang tính sáng tạo. 2. Kết quả nghiên cứu: Đƣa ra phƣơng pháp giải 5 bài toán tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề thƣờng gặp bằng đồ họa . 3. Sản phẩm: - Tập thuyết minh kèm đĩa CD chứa nội dung và kết quả nghiên cứu. 6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Kết quả nghiên cứu có thể đƣa vào nội dung giảng dạy môn Nguyên lý – chi tiết máy - Có thể ứng dụng trong thực tế sản xuất. Trƣởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên)
7. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: RESEARCH ABOUT SYNTHESIS OF PLANNAR FOUR – BAR LINKAGE Code number: T2013-127 Coordinator: DUONG DANG DANH Implementing institution: University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: From March 2013 to December 2013 2. Objectives: -Research on synthesis of planar mechanism . -Research on graphical linkage synthesis. 3. Creativeness and innovativeness: -In Vietnamese textbook , there is no infomation of the research objectives - Using Geogebra to solve the problem is creative 4. Research results: - Using the graphical linkage synthesis efficiently helps answer simple developmental questions and complicated ones as well. 5. Products: - Description notes and a CD of contents and research results. 6. Effects, transfer alternatives of research results and applicability: - Research results are applied to study Theoryof machines and Machines Design. - Can be used in actual production.
8. MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc Bài toán tổng hợp cơ cấu đƣợc xem là phần cơ bản trong quá trình thiết kế máy Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp, cụ thể là các cơ cấu 4 khâu đƣợc dùng phổ biến trong các thiết bị kỹ thuật, trong đó cơ cấu 4 khâu bản lề là phổ biến nhất. Việc nghiên cứu tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng phƣơng pháp đồ họa chƣa đƣợc đề cập trong các giáo trình Nguyên lý máy tiếng Việt. Vấn đề này đƣợc đề cập trong một số chuyên đề nghiên cứu về thiết kế cơ khí viết bằng tiếng Anh. Trong quá trình giảng dạy và nghiên cứu, nhận thấy các kiến thức về tổng hợp cơ cấu là một nội dung quan trọng trong quá trình đào tạo sinh viên nhóm nghành cơ khí nên tác giả chọn hƣớng nghiên cứu này. Tính cấp thiết Cơ cấu 4 khâu bản lề có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo. Về cấu tạo cơ cấu này có thanh truyền chuyển động song phẳng so với giá. Các vị trí của thanh truyền trong quá trình chuyển động có thể sử dụng để tạo ra các chuyển động cần thiết của máy. Khai thác đặc điểm này có thể thiết kế đƣợc các máy có chuyển động phức tạp nhƣng cấu tạo lại đơn giản. Các kết quả nghiên cứu có tác dụng hỗ trợ cho các sinh viên ngành cơ khí trong quá trình thiết kế máy, cũng nhƣ là tài liệu tham khảo cho các kỹ sƣ cơ khí. Mục tiêu Đề tài ‘Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ’ nhằm giải quyết các vấn đề: - Nghiên cứu xác định các dạng bài toán tổng hợp cơ cấu thƣờng gặp. - Ứng dụng phƣơng pháp đồ họa (bài toán dựng hình hình học) để giải các bài toán trên. - Giải bài toán ví dụ và dùng phần mềm Geogebra để mô phỏng. 1
9. Cách tiếp cận - Tìm hiểu bài toán tổng hợp cơ cấu bằng phƣơng pháp đồ họa. - Nghiên cứu cách giải các bài toán thƣờng gặp. - Tìm hiều khả năng phát triển bài toán trong các ứng dụng kỹ thuật. Phƣơng pháp nghiên cứu - Tham khảo các tài liệu về tổng hợp cơ cấu. - Nghiên cứu các bài toán tổng hợp cơ cấu liên quan đến quá trình thiết kế máy. - Giải bài toán và đánh giá kết quả bằng phần mềm mô phỏng. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài ‘Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ’ là nghiên cứu phƣơng pháp tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng đồ họa. Nội dung nghiên cứu. Đề tài ‘Nghiên cứu tổng hợp cơ cấu phẳng toàn khớp thấp ’ bao gồm các bƣớc thực hiện các nội dung sau đây: - Nghiên cứu xác định các dạng bài toán tổng hợp cơ cấu thƣờng gặp. - Ứng dụng phƣơng pháp đồ họa (bài toán dựng hình hình học) để giải các bài toán trên. - Giải bài toán ví dụ và dùng phần mềm Geogebra để mô phỏng. 2
10. Chƣơng 1: Cơ Cấu 4 Khâu Phẳng Và Các Ứng Dụng 1.1 Đại Cƣơng Về Cơ Cấu Phẳng Toàn Khớp Thấp Trong cơ cấu phảng toàn khớp thấp, các khớp là khớp loại 5, bao gồm: khớp bản lề và khớp tịnh tiến. Để đảm bảo điều kiện phẳng của cơ cấu, đƣờng tâm của các khớp bản lề phải song song với nhau và phải vuông góc mặt phẳng chứa các phƣơng tịnh tiến. Khi số khâu, số khớp càng lớn thì càng khó đảm bảo điều kiện phẳng. Vì vậy, thông dụng có cơ cấu 4 khâu hoặc 6 khâu. 1.1.1 Cơ cấu bốn khâu bản lề a) Cấu tạo Tên gọi các khâu: 0: Giá 2: thanh truyền 1 và 3: tay quay hoặc thanh lắc (không quay toàn vòng) Hình 1. 1: Lƣợc đồ cơ cấu b) Công dụng Dùng để biến đổi chuyển động: quay quay khác; lắc quay; quay lắc lắc lắc #, hoặc sử dụng đƣờng cong thanh truyền để dẫn hƣớng bộ phận công tác. VD: Máy nghiền đá: Cơ cấu bốn khâu bản lề biến chuyển động quay thành chuyển động lắc. 3
11. Máy may đạp chân: Cơ cấu bốn khâu bản lề biến chuyển động quay thành chuyển động lắc Cơ cấu máy khuấy: sử dụng đƣờng cong thanh truyền c) Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá 4
12. Xét điều kiện quay toàn vòng của khâu 1 - Giả sử tháo khớp B (nối khâu 1 và khâu 2) Ta có: B1 khâu 1, B2 khâu 2. { B1 } = đƣờng tròn tâm A, bán kính l1. { B2 } = miền vành khăn tâm D, bán kính R= l2+l3; r= |l2 - l3| - Điều kiện quay toàn vòng của khâu 1: l1 + l 0 l 2 + l 3 { B1 }{ B2 } l - l l - l 1 0 2 3 Tƣơng tự, tháo khớp C suy ra điều kiện quay toàn vòng của khâu 3. d) Định lý Grashop: Trong cơ cấu bốn khâu bản lề Nếu tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu dài nhất nhỏ hơn tổng chiều dài của hai khâu còn lại thì: - Khi lấy khâu kề với khâu ngắn nhất làm giá, khâu ngắn nhất sẽ làm tay quay, khâu nối giá còn lại là thanh lắc. - Khi lấy khâu ngắn nhất làm giá, cả hai nối giá đều là tay quay. Nếu tổng chiều dài của khâu ngắn nhất và khâu dài nhất lớn hơn tổng chiều dài của hai khâu còn lại, các khâu nối giá đều là thanh lắc. e) Tỉ số truyền Xét cơ cấu bốn khâu bản lề nhƣ hình Điểm I là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tƣơng đối giữa khâu 1 và khâu 3: (VI) Khâu 1 = (VI) Khâu 3 ω1 JD => ω1.JA = ω3.JD => u13 ω3 JA 5
13. Nhận xét: - Nếu điểm J nằm ngoài đoạn AD thì ωω13.0 , còn điểm J nằm trong đoạn AD thì ωω13.0< ω1 JD - Do đó có thể viết : u13 ω3 JA ω1 - Với cơ cấu hình bình hành, điểm I ra xa vô cùng u13 1 ω3 f) Hệ số năng suất: Xét cơ cấu 4 khâu bản lề có khâu 3 là thanh lắc, gọi tlv (thời gian làm việc) tCC21 tC12 (thời gian chạy không) tCC12 tlv Hệ số về nhanh : k tck oo tlvφθ lv 180 Giả sử khâu dẫn 1 quay đều, ta có : k oo tckφ ck 180 θ 1.1.2 Một Số Biến Thể Của Cơ Cấu Bốn Khâu Bàn Lề a) Cơ cấu tay quay con trƣợt 6
14. - Xét cơ cấu bốn khâu bản lề nhƣ hình; giả sử điểm D lùi xa vô tận theo phƣơng CD. Khi đó, phần của khâu 3 lân cận C chuyển động tịnh tiến theo phƣơng yy vuông góc với CD. Cơ cấu bốn khâu bản lề trở thành cơ cấu tay quay con trƣợt (e gọi là độ tâm sai; nếu e=0, ta có cơ cấu tay quay con trƣợt chính tâm) - Điều kiện quay toàn vòng của cơ cấu tay quay con trƣợt {B2}= dãy của mặt phẳng nằm trong Δ1 và Δ2 Điều kiện quay toàn vòng của khâu 1 l12 e l - Hệ số năng suất: trƣờng hợp e=0 thì k=1. b) Cơ cấu culit quay - Trƣờng hợp cơ cấu tay quay con trƣợt chính tâm; nếu chọn AB làm giá thì ta có cơ cấu culit quay 7
15. - Chuyển động tƣơng đối của khâu 2 đối với khâu 3 là chuyển động tịnh tiến theo phƣơng AC. ω1 PD VP1= VP3 => u13= ω3 PA ω1 Nếu AB=BC => u13= 2 counst ω3 180 θο - Hệ số năng suất k 180 θο - Điều kiện quay toàn vòng của khâu 3: lAC lAB 8
16. c) Cơ cấu tang - Xét cơ cấu culit quay nếu điểm B=>∞, khớp B thành khớp tịnh tiến thì cơ cấu đó trở thành cơ cấu Tang. BC - Theo hình vẽ ta có: tg()φ 1 BA nếu chọn BC=1 => tg()φ1 BC - Điểm P trong hình vẽ là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tƣơng đối giữa khâu AB 1 và khâu 3. Ta có v31 ω . 2 cos(φ1 ) d) Cơ cấu sin - Nếu cho điểm A của cơ cấu culit ra xa vô cùng thì điểm A thành khớp tịnh tiến, khâu 2 và khâu 3 chuyển động tịnh tiến ta có cơ cấu Sin. BH - Theo hình vẽ ta có: sin(φ ) nếu BC chọn BC = 1 => sin ( φ) = BH. - Điểm P là tâm vận tốc tức thời trong chuyển động tƣơng đối giữa khâu 1 và khâu 3: VVVPP3 1 3 ω 1. BC .sin( φ ) e) Các cơ cấu khác - Cơ cấu Elip 22 xaM .cos(φ ) xyMM => 1 yaM .sin(φ ) ab  Điểm M có quỹ đạo là hình Elip V ω. PB PB 9 Ta có: A 1 VB ω1. PC PC
17. - Cơ cấu Ondam Khâu 2 không quay tƣơng đối so với khâu ω1 1, khâu 3 => ωω13 => u13 ω3 10
18. Chƣơng 2: Bài Toán Tổng Hợp Cơ Cấu Phẳng Toàn Khớp Thấp Bài toán tổng hợp cơ cấu thƣờng đƣợc tiến hành theo các giai đoạn sau 1. Chọn lƣợc đồ cơ cấu 2. Dựa vào các yêu cầu về động học cảu cơ cấu (chủ yếu là vị trí của các khâu hoặc quỹ đạo chuyển động của điểm thuộc khâu) để xác định kích thƣớc động học của các khâu trong lƣợc đồ đã chọn 3. Tính toán sức bền, xác định kích thƣớc của các tiết diện, bề mặt tiếp xúc của các khâu và các khớp trên khâu. 4. Tính toán kiểm nghiệm, xét ảnh hƣởng của kết cấu thực đến động học, động lực học của cơ cấu, máy. 5. Nghiên cứu về sản xuất, lắp ráp, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, liên quan đến quá trình sử dụng, vòng đời sản phẩm. 6. Trong các bƣớc trên thì bƣớc 2 là quan trọng nhất. Chƣơng này đề cập đến vấn đề tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng 2 phƣơng pháp, phƣơng pháp giải tích và phƣơng pháp đồ họa. 2.1 Phƣơng pháp giải tích Cho cơ cấu 4 khâu bản lề có lƣợc đồ và ký hiệu nhƣ hình Bằng các tính toán hình học ta đƣợc kết quả nhƣ sau: b2 c 2 a 2 d 2 2. a . c .cosθ .cos φ 2. acθ . .sin .sin φ 2. ad . .cos θ 2. cd . .cos φ 11
19. d d a2 b 2 c 2 d 2 Đặt: k ;; k k , ta có 1a 2 c 3 2. a . c k1.cosφ k 2 .cos θ k 3 cos θ φ ; Với 3 vị trí cho trƣớc của khâu dẫn và khâu bị dẫn, ta đƣợc 3 phƣơng trình xác định k1, k2, k3. Giải các phƣơng trình trên ta tìm đƣợc các giá trị k1, k2, k3 cụ thể Thông thƣờng sẽ chọn trƣớc chiều dài của giá d, từ các giá trị k1, k2, k3 sẽ tìm đƣợc các kích thƣớc động a, b, c. Ví dụ: oo θφ11 20 35 oo θφ22 35 45 oo θφ33 50 60 Giải phƣơng trình trên và chọn d =1, ta có kết quả a 3.66 b 1.02 c 3.57 d 1 Việc giải các phƣơng trình tìm k1, k2, k3 có thể dùng các máy tính thông thƣờng hoặc lập trình. Nếu bài toán có yêu cầu về điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá thì dùng định lý Grashốp để kiểm tra điều kiện này. Việc giải bài toán bằng phƣơng pháp giải tích phù hợp với điều kiện cho trƣớc 3 vị trí của khâu dẫn và khâu bị dẫn. 2.2 Tổng hợp cơ cấu 4 khâu bản lề bằng phƣơng pháp đồ họa. 2.2.1 Bài toán cho trƣớc 2 vị trí và kích thƣớc của thanh truyền, xác định các kích thƣớc động của các khâu còn lại. 12
20. 2.2.2 Bài toán cho trƣớc 3 vị trí và chiều dài của thanh truyền. 2.2.3 Bài toán cho trƣớc 2 vị trí của thanh lắc 13
21. S K L 0 0 2 1 5 4