Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 4 -
Chương 1
CẤU TẠO CƠ CẤU

1.1. ĐỊNH NGHĨA NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1. KHÂU VÀ TIẾT MÁY
a. Tiết máy: Máy hay cơ cấu 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 (gọi tắt là tiết máy).
Ví dụ
: bu lông, đai ốc, niền xe đạp, căm xe đạp, …
b. Khâu: Trong cơ cấu và máy, toàn bộ bộ phận có chuyển động tương đối so với bộ phận
khác gọi là khâu. Một khâu có thể gồm một tiết máy độc lập hay nhiều tiết máy nối cứng
với nhau tạo thành. (Hai tiết máy được gọi là nối động với nhau khi giữa chúng có chuyển
động tương đối, nối cứng với nhau khi giữa chúng không có chuyển động tương đối). Một
khâu có nhiều tiết máy nối cứng với nhau chỉ để dễ dàng cho việc chế tạo, lắp ráp, thay
thế và vận chuyển,
Ví dụ:

a
d
e
c
b

Hình 1.1 Hình 1.2

Cơ cấu động cơ nổ trên hình 1.1 gồm piston 3 chuyển động trong xylanh 4, thanh truyền

là:
- Tònh tiến theo ba trục
OzOyOx ,, :
x
T ,
y
T ,
z
T
- Quay quanh ba trục
OzOyOx ,,
:
x
Q ,
y
Q
,
z
Q
 Giữa hai khâu để rời trong mặt phẳng có 3 bậc tự do:
- Tònh tiến theo hai trục
OyOx, :
x
T ,
y
T
- Quay quanh trục
Oz :
z
Q

O
y
x
z
A
Khớp loại 1

O
y
x
z
A
B

O
y
x
B
A
z

a) b) c)
O
y
x
z
A

O
y

- Khớp trên H.1.4d là khớp trụ loại 4 vì hạn chế 4 chuyển động:
y
T
,
z
T
,
y
Q
,
z
Q
.
- Khớp trên H.1.4e là khớp bản lề loại 5 vì hạn chế 5 chuyển động:
x
T
,
y
T
,
z
T
,
x
Q
,
y
Q
.
- Khớp trên H.1.4f là khớp vít cho phép 2 chuyển động

Hình 1.5

b. Lược đồ động của khâu:
Các khâu cũng được biểu diễn bằng các hình vẽ qui ước gọi là lược đồ động của khâu,
gọi tắt là lược đồ khâu. Trên lược đồ khâu phải thể hiện đầy đủ các thành phần khớp động,
các kích thước có ảnh hưởng đến tính chất động học của khâu và của cơ cấu. Các kích
thước này được gọi là các kích thước động. Kích thước động thông thường là khoảng cách
tâm các thành phần khớp động trên khâu → Lược đồ động của biên.
Từ lược đồ của khớp và lược đồ của khâu, ta có thể biểu diễn cơ cấu bằng lược đồ.
Ví dụ
: Hình 1.6
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 8 -
5. CHUỖI ĐỘNG - CƠ CẤU
a. Chuỗi động - Phân loại chuỗi động:
 Chuỗi động: Nhiều khâu nối với nhau tạo thành một chuỗi động.
 Phân loại chuỗi động:
¾ Chuỗi động có thể chia thành chuỗi động phẳng và chuỗi động không gian:
• Chuỗi động phẳng: là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong cùng
một mặt phẳng hay nhiều mặt phẳng song song với nhau (hình 1.7).
• Chuỗi động không gian: là chuỗi động trong đó các khâu chuyển động trong
những mặt phẳng không song song với nhau (hình 1.8).
:
• Chuỗi động kín: là chuỗi động trong đó các khâu nối với nhau tạo thành một
hay nhiều chu vi khép kín. Như vậy, trong chuỗi động kín, mỗi khâu phải tham
gia ít nhất hai khớp động (hình 1.9).
• Chuỗi động hở: là chuỗi động trong đó các khâu không tạo thành chu vi khép
kín. Rõ ràng, trong chuỗi động hở, có những khâu chỉ tham gia một khớp động
(hình 1.10).
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 9 -
1
2
3
4
3
ω
1
ω
A
B
C
D

A
C
B
1
ω

1
4
3
2

Hình 1.11
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 10 -

O
1
2
3

a) b)
Hình 1.12

1.2. BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU
1. ĐỊNH NGHĨA
Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập, cần thiết để xác đònh hoàn toàn vò trí của cơ
cấu; đồng thời bậc tự do cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập của cơ cấu đó.

2. TÍNH BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU KHÔNG GIAN (TRƯỜNG HP TỔNG QUÁT)
Gọi
0
W


kín đó sẽ xảy ra các ràng buộc trùng lắp gọi là ràng buộc trùng (hay ràng buộc chung). Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 11 -
Ví dụ: Xét cơ cấu 4 khâu bản lề như hình 1.13a A
B
1
2
D
3
4
x
z
y
O
C

1
A
B
C
D
1

:
Nếu tháo khớp
A
(hình 1.13b), giữa khâu 1 và khâu 4 không có ràng buộc trực tiếp.
Tuy nhiên giữa khâu 1 và khâu 4 có những ràng buộc sau:
(1) Không thể tònh tiến theo phương
Oz .
(2) Không thể quay quanh trục
Ox
.
(3) Không thể quay quanh trục
Oy
.
Các ràng buộc này không phải do nối động trực tiếp bằng khớp
A
mà do khâu 1 và
4 đã được liên kết với nhau thông qua các khớp
DCB ,,
. Do đó những ràng buộc này
được gọi là ràng buộc gián tiếp.

* Ràng buộc trùng
:
Khi nối khâu 1 và khâu 4 bằng khớp
A
, giữa hai khâu này có những ràng buộc sau:
(1) Không thể tònh tiến theo phương
Oz .
(2) Không thể quay quanh trục Ox .
(3) Không thể quay quanh trục

khớp loại k gây nên sẽ là
k
pk
. Số ràng buộc trong cơ cấu bằng tổng các ràng
buộc ở tất cả các khớp trừ đi số ràng buộc trùng
0
R ở các khớp khép kín, nghóa là:

0
5
1
RpkR
k
k
−=
∑
=
(b)

c. Công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian

Thay (a) và (b) vào (1.1) ta có công thức tính bậc tự do của cơ cấu không gian như sau:

⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−−=

Vậy bậc tự do của cơ cấu tính theo công thức (1.2) bằng:
1)345(36
=
−
×−×=W
.

3. TÍNH BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU PHẲNG
a. Tính số bậc tự do tương đối:
Trong cơ cấu phẳng, một khâu để rời có 3 bậc tự do tương đối so với giá, do đó số bậc tự
do tương đối của
n
khâu động so với giá làø:

nW 3
0
=
(c)
b. Tính số ràng buộc của cơ cấu:
- Cơ cấu phẳng chỉ chứa khớp loại 4 và khớp loại 5. Mỗi khớp loại 4 trong mặt phẳng chỉ có
thêm 1 ràng buộc nên số ràng buộc của
4
p
khớp loại 4 là
4
1p
. Mỗi khớp loại 5 trong mặt
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

54
ppnW
+
−
=
(1.3)
Chú ý:

5
p
cũng chính là số khớp thấp trong cơ cấu phẳng,

4
p cũng chính là số khớp cao trong cơ cấu phẳng.

Ví dụ 2:
Tính số ràng buộc trùng ở cơ cấu chêm như hình 1.14.
y
A
B
O
C
2
x
1
z

A
y
B

⇒
ràng buộc.
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 14 -
- Sau khi đóng khớp
A
(hình 1.14b), khâu 1 có các khả năng chuyển động tương đối sau:
(1) Không thể tònh tiến theo phương
Ox
⇒
ràng buộc.
(2) Tònh tiến theo phương
Oy
.
(3) Không thể quay quanh trục
Oz

⇒
ràng buộc.
- Khớp
A
hạn chế 2 khả năng chuyển động (1) và (3). Tuy nhiên chuyển động (3) đã bò hạn
chế trước khi đóng khớp
A
. Như vậy, cơ cấu chêm có 1 ràng buộc trùng (
1
0

.
Kết quả này phù hợp với kết quả tính theo công thức tổng quát (1.2) trong Ví dụ 1.

Ví dụ 3:
Tính bậc tự do của cơ cấu hình bình hành như hình 1.15, trong đó:
EFCDAB
lll
=
= ;
AFBE
ll
=
;
DFCE
ll
=

A
B
E
F
1
ω
3
ω
C
D
5
4
1

trở thành cơ cấu 4 khâu bản lề như đã xét ở trên với bậc tự do bằng 1. Nghóa là về phương
diện khả năng chuyển động thì việc thêm khâu 5 (cùng hai khớp
FE, ) là thừa. Việc thêm
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 15 -
khâu 5 (cùng hai khớp
FE,
) làm cho bậc tự do tăng thêm. Khi thêm khâu 5 (cùng hai
khớp
FE, ) vào thì:
* thừa khâu 5
⇒ thừa 3 bậc tự do
* thừa hai khớp loại 5
⇒ thừa 4 ràng buộc
tức là thừa 1 ràng buộc. Ta gọi ràng buộc này là ràng buộc thừa.

- Do đó khi tính bậc tự do của cơ cấu, ta phải bỏ các ràng buộc thừa. Gọi
r
là số ràng buộc
thừa có trong cơ cấu, bậc tự do của cơ cấu phẳng được tính theo công thức sau:
)2(3
45
rppnW
−
+
−
=

2
3

Hình 1.16

Đây là cơ cấu phẳng có:
Số khâu động :
3=n
Số khớp loại 4 :
1
4
=p (khớp
B
)
Số khớp loại 5 :
3
5
=p (các khớp DCA ,, )
Số ràng buộc thừa :
0=r
Bậc tự do của cơ cấu tính theo (1.4) là:
2)0132(33 =
−
+
×
−
×
=
W
.


Tóm lại, công thức tính bậc tự do như sau:
 Đối với cơ cấu không gian:

srRkpnW
k
k
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−−=
∑
=
5
1
0
6 (1.5)
 Đối với cơ cấu phẳng (trừ cơ cấu chêm):
srppnW
−
−
+
−
=

A
B
C
D
1
ϕ
1
2
3
4

A
B
C
E
D
1
ϕ
4
ϕ
1
2
3
4
5

a) b)
Hình 1.17
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu


=
×
−
×
=
W ) nên:
• Cần 2 thông số độc lập (giả sử là góc
1
ϕ
của khâu 1 và góc
4
ϕ
của khâu 4) để
xác đònh hoàn toàn vò trí của cơ cấu.
• Cơ cấu có 2 khả năng chuyển động độc lập (khâu 1 quay quanh
A
và khâu 4 quay
quanh
E
), nên khi cả 2 chuyển động này đều dừng thì cơ cấu sẽ cố đònh.
• Nếu cho trước qui luật thay đổi của
1
ϕ
và
4
ϕ
(theo thời gian) thì qui luật thay đổi
vò trí cơ cấu (theo thời gian) hoàn toàn xác đònh, nghóa là nếu cho trước 2 qui luật
chuyển động của hai khâu nào đó thì qui luật chuyển động của cơ cấu hoàn toàn xác
đònh.

=
−
=
pnW (1.7) n
5
p
246
L
369
L
⇒Những nhóm tónh đònh toàn khớp thấp (còn gọi là nhóm A-xua) là những nhóm: 2 khâu 3
khớp, 4 khâu 6 khớp, 6 khâu 9 khớp, …

2. NGUYÊN TẮC TÁCH NHÓM
Khi tách nhóm tónh đònh, ta phải tuân theo các nguyên tắc sau:
 Khi tách, phải biết trước khâu dẫn. Khâu dẫn và giá không phụ thuộc các nhóm.
 Những khâu và khớp trong một nhóm phải thỏa mãn điều kiện (1.7); khớp bò tách ra
được coi là ở nhóm vừa tách ra.
 Sau khi tách nhóm ra khỏi cơ cấu, phần còn lại phải là cơ cấu hoàn chỉnh hoặc là còn
lại khâu dẫn nối với giá. Như vậy, phải tách những nhóm ở xa khâu dẫn trước rồi dần
đến những nhóm ở gần khâu dẫn.
 Khi tách nhóm, thử tách nhóm đơn giản trước, nếu không được (vi phạm các nguyên
tắc trên) mới tách nhóm phức tạp hơn.


5
A
1
1
ω

Hình 1.18

Ta không thể tách nhóm như hình 1.19 và hình 1.20:
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 19 -

A
B
C
D
E
F
G
1
2
4
3
5
1
ω
A

ω
C
D
E
F
3
5
F
G
4
A
B
C
1
2
1
ω

Hình 1.20

Ví dụ 6:
Tách nhóm tónh đònh cơ cấu động cơ Diezel như hình 1.21.
Ta có thể tách nhóm như sau: cơ cấu gồm giá, 1 khâu dẫn và 3 nhóm tónh đònh:
- Nhóm 1 gồm hai khâu (7, 6) và ba khớp (
HIJ ,, ).
- Nhóm 2 gồm hai khâu (5, 4) và ba khớp (
EFG ,, ).
- Nhóm 3 gồm hai khâu (3, 2) và ba khớp (
BCD ,, ).
- Khâu dẫn là khâu 1.

C
D
E
F
G
H
1
ω
4 5
3
1
2
A
B
C
D
E
1
ω
3
1
2
C
D
E
3
2
B
A
B

khớp động được gọi là nhóm loại 3.
Ví dụ:
Nhóm loại 3 trong cơ cấu bơm ôxy (hình 1.18) với khâu 3 là khâu cơ sở. Nhóm
gồm 6 khâu 9 khớp (khâu 2, khâu 4 là những khâu cơ sở) trên hình 1.23 là nhóm loại 3.
1
2
3
5
4
6

Hình 1.23

- Những nhóm có ít nhất một chuỗi động kín thì loại nhóm là số cạnh của chuỗi động kín đơn
cao nhất trong nhóm đó. Chuỗi động kín đơn là chuỗi động kín không chứa chuỗi động nào
khác trong nó.
Ví dụ: Nhóm trên hình 1.24a là những nhóm loại 4 vì số cạnh của chuỗi động kín đơn là
4. Nhóm trên hình 1.24b là nhóm loại 5.

a) b)
Hình 1.24
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 21 -
4. XẾP LOẠI CƠ CẤU
- Cơ cấu loại 1 là cơ cấu chỉ gồm khâu dẫn nối với giá bằng khớp bản lề như máy điện, tua-
bin, máy bơm, … Như vậy cơ cấu loại 1 không chứa một nhóm tónh đònh nào cả.
- Cơ cấu có chứa nhóm tónh đònh thì loại (hay hạng) của cơ cấu là loại cao nhất của các nhóm

B
1
O
2
O
1
2
3
1
ω
2 a) b)
Hình 1.25

- Xét cơ cấu có khớp cao như hình 1.25a. Cơ cấu gồm đóa 1 có là tâm
A
, bán kính
1
r và đóa 2
có tâm là
B
, bán kính
2
r . Đóa 1 quay quanh
1
O đẩy đóa 2 quay quanh
2
O nhờ sự tiếp xúc

A
B luôn là pháp tuyến chung của 2 thành phần khớp cao tại chỗ tiếp xúc C .

- Nếu ta đặt tại hai tâm
A
và
B
hai khớp bản lề và nối chúng lại với nhau bằng một khâu 3
có chiều dài bằng
21
rrl +=
thì cơ cấu vẫn chuyển động như trước.
- Như vậy, tính chất chuyển động của cơ cấu không thay đổi khi thêm một khâu với hai khớp
thấp tức là khi thêm một ràng buộc
⇒ cơ cấu có thêm một ràng buộc thừa. Lúc này, để
Bài giảng NGUYÊN LÝ MÁY Chương 1: Cấu tạo cơ cấu

Bm. Thiết kế máy TS. Bùi Trọng Hiếu

- 22 -
bậc tự do của cơ cấu không đổi, ta phải bỏ đi khớp cao ở
C
và nhận được cơ cấu bốn khâu
bản lề
21
ABOO (chứa toàn khớp thấp) như hình 1.25b.
- Bậc tự do của cơ cấu trước khi thay thế:

1)221(23
=

C
được thay bằng khâu 3 với khớp bản lề tại
A
và khớp trượt B.
A
là tâm cong của biên dạng cam tại điểm tiếp xúc C . Biên dạng của cần 2 tại điểm tiếp
xúc
C là thẳng nên tâm cong
B
ở vô cùng, tức là khớp quay
B
ở vô cùng chính là khớp
tònh tiến
B
(ở gần).
1
ω
C
1
O
2
O
21

1
ω
1
O
2
O