Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 115 -
Chương 8

CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP THẤP

8.1. ĐẠI CƯƠNG
- Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp là cơ cấu phẳng trong đó tất cả các khớp động giữa các khâu
là khớp loại thấp (khớp tònh tiến loại 5 hay khớp bản lề).
- Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp được sử dụng rộng rãi trong thực tế kỹ thuật. Ví dụ: cơ cấu
bốn khâu bản lề trong máy dệt, cơ cấu tay quay-con trượt trong động cơ nổ, cơ cấu Culit nối
với cơ cấu tay quay-con trượt trong máy bào ngang, Các cơ cấu khác có thể coi là dạng suy
biến của cơ cấu bốn khâu bản lề.

1. Cơ cấu bốn khâu bản lề và các biếân thể của nó
a. Cơ cấu bốn khâu bản lề
1
2
3
4
3
ω
1
ω
A
B
C

• Khâu 1 quay, khâu 3 lắc: cơ cấu ba-tăng máy dệt.
• Khâu 1 lắc, khâu 3 quay: cơ cấu bàn đạp máy may.
• Khâu 1 lắc, khâu 3 lắc: cơ cấu xếp vải.

b. Các cơ cấu biến thể của cơ cấu bốn khâu bản lề
Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình 8.2: khâu 1 quay, khâu 3 lắc. Khi khớp
D
lùi ra
xa
∞
)(
∞
→
CD
l , khâu 3 sẽ chuyển động tònh tiến qua lại theo phương
yy
. Về mặt cấu tạo,
ta có thể thay khâu 3 bằng con trượt 3 và nhận được cơ cấu mới gọi là cơ cấu tay quay-con
trượt như hình 8.3 và 8.4.

Vì chuyển động tương đối giữa các khâu không thay đổi khi đổi giá, nên:

 Từ cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm như hình 8.4:
- Nếu lấy khâu 2 làm giá ta có cơ cấu Culit lắc (hay cơ cấu xy lanh quay) như hình 8.5.

1
2
3
4
A

y
1
ω
1
2
3
Hình 8.2
⇒
Hình 8.3
A
B
C
y
y
1
ω
1
2
3
D
e = 0 → Cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm
Hình 8.4
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 117 -
- Nếu lấy khâu 1 làm giá ta có cơ cấu Culit như hình 8.6.


4

Hình 8.7

- Nếu cho khớp
C
lùi ra
∞
theo phương của giá 1, ta được cơ cấu Sin như hình 8.8.
A
B
C
↓
∞
4
3
2
1
B
C
ϕ
A
↓
∞
1
2
3
4
hay


Hình 8.9

- Nếu lấy khâu 2 làm giá ta có cơ cấu Oldham như hình 8.10.
B
C
B
C
A
B
C
↓
∞
4
3
2
1
hay
4
1
23 2
1
3
4

Hình 8.10

2. Ưu điểm của cơ cấu phẳng tồn khớp thấp
- Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp có các ưu điểm sau:
 Tiếp xúc theo mặt nên vững chắc, chịu bền mòn tốt và có khả năng truyền lực lớn.
 Chế tạo đơn giản và công nghệ chế tạo các loại khớp thấp tương đối hoàn thiện nên


Một thông số
quan trọng đặc trưng cho cơ cấu đó là tỉ số truyền:

3
1
13
ω
ω
=i Tỉ số này có thể xác đònh bằng nhiều phương pháp. Ở đây, ta dùng phương pháp tâm vận
tức thời để xác đònh nó.
A
B
C
D
1 2 3
4
P
I

1
ω
3
ω

Hình 8.12



b. Đònh lý Willis:
Theo khái niệm tâm quay tức thời ta có điểm
1
P
thuộc khâu 1 và điểm
3
P
thuộc khâu 3
hiện đang trùng nhau tại
P
mà
PDPA
PP
llVV
31
31
ωω
=⇔=
, nên:
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 120 -
PA
PD
l
l

ω
) thành chuyển động quay không
đều (
const
i
≠=
13
1
3
ω
ω
).
- Ở cơ cấu bốn khâu bản lề, nếu
CDAB
=
và
BCAD
=
thì ta có cơ cấu hình bình hành.
Trường hợp này tâm quay tức thời
P
ở xa vô tận nên
1
3
1
13
≡=
ω
ω
i

ω
ngược chiều
1
ω
nên
0
13
<
i
.

A
B
C
D
1
ω
3
ω
P
A
B
C
D
1
ω
3
ω
P


(8.2)

lúc này khâu 3 dừng tức thời vò trí này. Hai vò trí này của khâu 3 (cũng như vò trí cả cơ cấu tại
những vò trí này) được gọi là vò trí biên hay vò trí chết.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 121 -
A
2
C
θ
1
C
lam viec
D
lv
ϕ
ck
ϕ
1
ω
chay khong
1
B
2
B


ω
ϕ
ck
ck
t
=
(8.5)
với
lv
ϕ
,
ck
ϕ

là góc quay của khâu dẫn ứng với thời gian làm việc và thời gian chạy không.
- Do đó:
ck
lv
ck
lv
t
t
k
ϕ
ϕ
==
(8.6)

- Gọi
21
Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 122 -
3. Điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá
Xét cơ cấu bốn khâu bản lề như hình 8.15 , trong đó
4321
,,, llll
lần lượt là kích thước các
khâu 1, 2, 3, 4. Xét điều kiện quay toàn vòng của khâu 1.

A
B
C
D
1
ω
1
l
||
32
llr −=
32
llR +=
1
2
3
4


+ Q tích của điểm
1
B
,
{
}
1
B
, là đường tròn tâm
A
, bán kính
1
l
.
+ Q tích của điểm
2
B
,
{
}
2
B
, là miền vành khăn tâm
D
với bán kính nhỏ nhất là
32
llr
−=
và bán kính lớ
n

khâu 3 (sinh viên tự viết).
Tổng quát, đònh lý về điều kiện quay toàn vòng của khâu nối giá: Một khâu nối giá quay
toàn vòng khi và chỉ khi q tích của một điểm trên khâu nối giá nằm trong miền với của điểm
trên thanh truyền nối với điểm đóù.
Đònh lý này hoàn toàn đúng cho cả cơ cấu không gian và cả cơ cấu nhiều bậc tự do.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 123 -
8.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC CÁC CƠ CẤU BIẾN THỂ
1. Cơ cấu tay quay-con trượt
a. Quan hệ động học:
A
B
C
x
P
e
1
l
2
l
1
ω
1
2
3
x

=
1
ω
(8.10)

với
C
V

là vận tốc của con trượt.
b. Hệ số năng suất:
Các khái niệm, công thức và cách suy diễn giống như hệ số năng suất của cơ cấu bốn
khâu bản lề nhưng ứng với hình 8.17. Ở đây,
21
CCC
lH
=
được gọi là hành trình của điểm
C
.
A
θ
1
C
lam viec
lv
ϕ
ck
ϕ
1

(8.11)

Đối với cơ cấu tay quay-con trượt chính tâm (
0
=
e
) thì vì
0
0
=
θ
nên hệ số năng suất
1
=
k
và
ABC
lH
2
=
.

c. Điều kiện quay toàn vòng:

A
B
C
x
e
1

l
phải nằm trong miền với của
điểm
2
B
thì ta phải có:
21
lel
≤
+
(8.12) Đối với tay quay-con trượt chính tâm
)0(
=
e
thì điều kiện quay toàn vòng của khâu 1 là:

21
ll
≤
(8.13)
2. Cơ cấu Culit
a. Quan hệ động học:
Ở cơ cấu Culit như hình 8.19, đường thanh truyền
BDBC
⊥
và đi qua
B

31
PP
VV =
(8.14)
Hay
PDPA
ll
31
ω
ω
=
(8.15)
Do đó tỉ số truyền:
PA
PD
l
l
i
PA
PD
===
3
1
13
ω
ω
(8.16)

Trường hợp đặc biệt
ABAD

g
A
D
θ
2
B
1
B
ck
ϕ
lv
ϕ
1
ω
θ
l
a
m

v
i
e
c

Hình 8.20
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu


B
trượt trên thanh
Dx
mà
Dx

quay quanh
D
).
Do đó khâu 1 (khâu đối diện với culit) luôn quay được toàn vòng.
Culit 3 quay toàn vòng khi điểm
B
trên cơ cấu đến được vò trí trên phương
AD
và ở
ngoài
AD
về phía
D
, tức là khâu 3 quay toàn vòng khi:

ADAB
ll
≥

(8.18)

3. Cơ cấu sin
a. Quan hệ động học:


ϕ
sin
1
lx
=
, nên cơ cấu được mang tên là cơ cấu sin.

Vận tốc tònh tiến của khâu 3 được xác đònh bỡi:

ϕω
cos
113
l
dt
dx
V ==
(8.19)

Đường nối tâm là đường thẳng qua
A
và vuông góc với phương trượt
Ax
. Đường thanh
truyền là đường thẳng qua
B
và vuông góc với phương trượt
Ay
. Giao điểm
P
của hai

ϕ
P
B
∞
B
x
a
1
ω

Hình 8.23 Cơ cấu tang như hình 8.23 được dùng để biến chuyển động lắc qua lại thành chuyển động
tònh tiến qua lại hoặc ngược lại. Trong quá trình chuyển động, vò trí thanh trượt phụ thuộc
vào góc lắc
ϕ
của khâu 1 theo quan hệ
ϕ
tg
a
x
=
, nên cơ cấu được mang tên là cơ cấu tang.
Tâm vận tốc tức thời
P
trong chuyển động tương đối của khâu 1 so với khâu 2 là giao
của đường thẳng qua
A
, vuông góc với phương trượt của khâu 2 và đường thẳng qua

==
(8.24)
Do đó:
ϕ
ω
2
13
cos
a
V =
(8.25)

b. Điều kiện quay toàn vòng: Trong cơ cấu tang không có khâu quay toàn vòng vì miền với
tới của
2
B
chỉ là một đường thẳng.

5. Cơ cấu elip
A
B
∞
A
∞
D
P
M
M
x
M

,
;
ϕ
là góc giữa
phương
BC
và trục
x
. Ta có:

ϕ
ϕ
sin
cos
by
ax
M
M
=
=
(8.26)
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 129 -
Suy ra:
1
22

,
vuông góc với trục
x
chính là tâm quay tức thời trong chuyển động của khâu 2, nên:

PC
C
PB
B
l
V
l
V
==
ω
(8.28)
Do đó:
PC
PB
l
l
V
V
PC
PB
C
B
==
(8.29)


.
Cơ cấu Oldham làm nhiệm vụ như một khớp nối trục nên còn được gọi là khớp nối trục
Oldham. Khớp nối trục Oldham có ưu điểm hơn so với khớp nối trục cứng là trong quá trình
chuyển động cho phép có sự sai khác giữa hai tâm quay
A
và
D
.

8.4. GÓC ÁP LỰC
Về phương diện động lực học, một chỉ tiêu quan trọng trong cơ cấu phẳng toàn khớp thấp
là góc áp lực.

1. Đònh nghóa:
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 8: Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 130 -
- Góc áp lực là góc hợp bởi vector lực tác dụng và vector vận tốc của điểm đặt lực.
- Ở cơ cấu bốn khâu bản lề, tay quay-con trượt, … nếu bỏ qua trọng lượng các khâu và ma sát
ở các khớp thì lực
P
truyền từ khâu dẫn sang khâu bò dẫn nằm dọc theo thanh truyền, vận
tốc
C
V
của điểm đặt lực và góc áp lực
α

(phản ánh mức độ sinh
công). Góc áp lực càng lớn thì công suất càng nhỏ và khi
0
90=
α
thì công suất bằng không.
Trong cơ cấu tay quay-con trượt, cơ cấu bốn khâu bản lề, khi tay quay và thanh truyền duỗi
thẳng ra hay chập lại thì
0
90=
α
. Ở vò trí này, lực tác dụng truyền từ khâu dẫn sang khâu bò
dẫn không có tác dụng làm cho khâu bò dẫn chuyển động. Đây chính là vò trí biên (hay vò trí
chết). Cơ cấu tiếp tục chuyển động nhờ lực quán tính và khi vượt qua vò trí chết thì
0
90≠
α
,
lực tác dụng lại tiếp tục gây ra chuyển động.

8.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CƠ CẤU PHẲNG TOÀN KHỚP THẤP
Cơ cấu phẳng toàn khớp thấp được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Ví dụ:
1. Dùng để truyền chuyển động quay giữa:
•
Hai trục nối tiếp nhau: cơ cấu Oldham,
•
Hai trục song song nhau: cơ cấu hình bình hành,
2. Dùng để biến đổi chuyển động:
•
Cơ cấu bốn khâu bản lề:

ω
1 2 3

Hình 8.28

 Biến chuyển động quay thành chuyển động tònh tiến: dùng cơ cấu Culit nối với cơ
cấu tay quay-con trượt trong máy bào ngang, máy cưa, máy dập, máy sàng lắc, …

1
ω
1
2
3
4 5
c
F
r
A
C
B
D
E
F

Hình 8.29

3. Dùng để tạo q đạo chuyển động nhất đònh: cơ cấu elip, cơ cấu cần cẩu,