Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
1

Lời nói đầu

Nguyên lý máy là một môn học cơ sở kỹ thuật nghiên cứu nguyên lý cấu tạo,
động học và động lực học cơ cấu và máy nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản sau:
+ Phân tích động học và động lực học cơ cấu và máy.
+ Tổng hợp (hay thiết kế) các cơ cấu hay máy mới.

1. Đối tượng nghiên cứu của môn học này là máy và cơ cấu:
Cơ cấu là tập hợp những vật thể chuyển động theo quy luật xác định có nhiệm vụ
biến đổi hay truyền chuyển động.
Máy là tập hợp một số những cơ cấu có nhiệm vụ biến đổi hoặc sử dụng cơ năng
để làm ra công có ích.
- Điểm giống nhau căn bản giữa máy và cơ cấu là chuyển động của cơ cấu và máy
đều có quy luật xác định.
- Điểm khác nhau căn bản là cơ cấu chỉ biến đổi hoặc truyền chuyển động, còn
máy biến đổi hoặc sử dụng năng lượng.

2. Nội dung nghiên cứu:
- Nguyên lý máy không nghiên cứu tất cả các loại máy và tất cả các vấn đề về
máy mà chỉ nghiên cứu về nguyên lý cấu tạo, động học và động lực học của các cơ cấu
hợp thành máy và các vấn đề động lực học nói chung của máy.
- Mục đích của môn học này là nghiên cứu các phương pháp phân tích máy và cơ
cấu về các phương diện trên, và trên cơ sở đó nghiên cứu các nguyên tắc và phương pháp
thiết kế động học và động lực học các máy và cơ cấu mới.
- Ngoài ra môn học này còn nghiên cứu cả phương pháp làm tốt điều kiện làm

- Máy và cơ cấu có thể tháo rời thành nhiều bộ phận, những bộ phận không thể
tháo rời được nữa thì được gọi là chi tiết máy (hay gọi tắt là tiết máy).
1.1.2. Khâu
1.1.2.1. Định nghĩa
- Khâu là một tiết máy độc lập hay một tập hợp cứng các tiết máy.
- Trong máy và cơ cấu có những bộ phận chuyển động tương đối với nhau được
gọi là các khâu. Khâu có thể do một hoặc nhiều chi tiết máy ghép cứng với nhau tạo
thành. Ví dụ bánh xe là một khâu được tạo thành bởi các chi tiết lốp, vành, lăn hoa, may
ơ... ghép với nhau.
- Mỗi khâu trong máy có thể được xem như là một vật rắn tuyệt đối nếu bỏ qua
tính chất đàn hồi của vật liệu. Ngoài các khâu rắn còn có những khâu đàn hồi như lò xo,
nhíp, các khâu được làm bằng vật liệu dẻo như cao su, cáp, đai, xích và các khâu hơi,
thuỷ, khí...
Khâu là đối tượng nghiên cứu của môn học nguyên lý máy và được xem là thành
phần cơ bản của cơ cấu. Các tính chất động học và động lực học của cơ cấu và máy hoàn
toàn phụ thuộc vào kích thước, khối lượng khâu.
1.1.2.2. Bậc tự do tương đối giữa hai khâu
Xét hai khâu A và B để rời trong không gian, giữa hai khâu này có sáu khả năng
chuyển động tương đối. Nếu gắn lên khâu A một hệ toạ độ Oxyz thì đối với hệ toạ độ
này khâu B có các chuyển động sau: T
x
, T
y
, T
z
, Q
x
, Q
y
, Q

khâu A làm chuẩn, ngược lại ta cũng có thể nói khâu A có 6 bậc tự do tương đối đối với
khâu B khi chọn khâu B làm chuẩn. Vậy giữa hai khâu để rời trong không gian có 6 bậc
tự do tương đối.

A
B
z
y
x
O
T
z
T
y

T
x

Q
z


Hình 1.2
Ta hiểu 2 khâu để rời trong cùng một mặt phẳng là 2 khâu có tất cả các điểm
chuyển động trên cùng một mặt phẳng hay trên những mặt phẳng song song.
1.1.3. Khớp động
1.1.3.1. Nối động
Nếu cho hai vật rắn (2khâu) tiếp xúc với nhau theo một quy cách nào đó thì ta nói
2 vật rắn (2khâu) bị liên kết hay nối động. Mục đích của nối động là hạn chế bớt số bậc
tự do tương đối giữa 2 khâu. Khi bị nối động bậc tự do tương đối giữa chúng sẽ < 6.
Hình 1.3
Xét quả cầu B đặt trên vật phẳng A thì số bậc tự do tương đối giữa chúng 5 đó là:
T
x
, T
z
, Q

T
x

Q
y

A
B
A
B
3 ràng buộc

3 bậc tự do

A
B
2 ràng buộc

4 bậc tự do

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
4


- Khớp cầu loại 4:

- Khớp trụ loại 4

- Khớp ren vít:

- Khớp bản lề (khớp quay):

- Khớp tịnh tiến:

- Khớp cao:

A
5 ràng buộc

1 bậc tự do

B
A
B
4 ràng buộc

2 bậc tự do

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
5

Hình 1.6

1.1.5. Cơ cấu và phân loại cơ cấu
- Một chuỗi động có một khâu cố định và các khâu khác chuyển động theo quy
luật xác định thì được gọi là một cơ cấu, khâu cố định của cơ cấu gọi là giá. - Phân loại: gồm cơ cấu không gian và cơ cấu phẳng. Chuỗi động hở

3
2
1
4
3
2
1
4
Chuỗi động kín

Chuỗi động phẳng


4
là số khớp loại 4 có trong cơ cấu.
Gọi p
5
là số khớp loại 5 có trong cơ cấu.

Hình 1.8
Nếu 1 khâu đặt trong mặt phẳng thì có 3 bậc tự do tương đối so với giá. có n khâu
động đặt trong mặt phẳng thì có 3n bậc tự do so với giá.
Một khớp loại 4 tạo ra 1 ràng buộc giữa hai khâu trong mặt phẳng, có p
4
khớp
loại 4 thì sẽ tạo ra p
4
ràng buộc giữa 2 khâu trong mặt phẳng.
Một khớp loại 5 tạo ra 2 ràng buộc giữa hai khâu trong mặt phẳng, có p
5
khớp
loại 5 thì sẽ tạo ra 2p
5
ràng buộc giữa 2 khâu trong mặt phẳng.
Như vậy bậc tự do của cơ cấu phẳng được tính:
W = W
0
- R = 3n - (2p
5
+ p
4
)
= 3n - (2t + c)


C

D
2
Cơ cấu phẳng

1
3
4
Cơ cấu không gian

3
2
1
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
7

Hình 1.9
Mỗi ràng buộc thừa trong cơ cấu sẽ làm mất đi một bậc tự do, vì thế nếu có Rth
ràng buộc thừa trong cơ cấu thì khi tính ta phải cộng vào Rth bậc tự do.
W = 3n - (2p
5
+ p
4
- Rtr) + Rth
* Bậc tự do thừa:
Xét ví dụ : tính bậc tự do cho cơ cấu cam cần lắc đáy con lăn như hình vẽ
Có n = 3, p
5
= 3, p
4
= 1, Rtr = 0, Rth = 0
W = 3n - (2p
5
+ p


Hình 1.10
Như vậy để xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu thì cần có 2 thông số độc lập.
Thực tế ta chỉ cần 1 thông số là có thể xác định hoàn toàn vị trí của cơ cấu. Nghĩa là
bậc tự do của cơ cấu là 1. Sở dĩ như vậy là do trong cơ cấu có một bậc tự do thừa, đó là
chuyển động của con lăn 2 quanh trục của nó, chuyển động này không ảnh hưởng đến
quy luật của cần mà chỉ có tác dụng làm giảm ma sát giữa cam và cần.
Như vậy bậc tự do của cơ cấu phẳng được viết đầy đủ là:
W = 3n - (2p
5
+ p
4
- Rtr) + Rth - Wth
Wth là số bậc tự do thừa.
1.2.3. Bậc tự do của cơ cấu không gian
WthRthRtrjPjnW
j
=

=
)(6
5
1


C
B
3
2
1

y
Số bậc tự do
của cơ cấu
Số khâu dẫn
Các nhóm tĩnh định
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
9 Như vậy, cứ nối thêm vào 1 cơ cấu và giá những nhóm có bậc tự do bằng 0 sẽ được
những cơ cấu mới phức tạp hơn và ngược lại nếu tách khỏi cơ cấu những nhóm có bậc
tự do bằng 0 thì sẽ được những cơ cấu đơn giản hơn, khi làm như vậy bậc tự do của cơ
cấu không đổi.
VD: cơ cấu bốn khâu bản lề gồm 1 khâu dẫn (1) và nhóm tĩnh định gồm 2 khâu
(2) , (3) và 3 khớp loại 5 là B, C, D. Nhóm này là nhóm có bậc tự do bằng 0.
Thật vây: W = 3n - 2p
5
= 3.2 - 2.3 = 0
Hình 1.12

+ Khi cố định các khớp chờ của nhóm thì ta được 1 giàn tĩnh định. (khớp
chờ là những khớp trên đó chỉ có 1 thành phần khớp động).

Hình 1.13

* Xếp loại (hạng) nhóm axua
2
3
D
C
B
1
A
Không phải là nhóm tĩnh định vì
chưa phải là nhóm tối giản

PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
10
Ta chia các nhóm tĩnh định thành hai tập hợp: tập hợp những nhóm không chứa
một chuỗi động kín nào và tập hợp những nhóm có chứa ít nhất một chuỗi động kín.
a) Tập hợp những nhóm không chứa một chuỗi động kín nào được xếp thành 2
Hình 1.16
1.3.3. Xếp loại cơ cấu phẳng.
Trong cơ cấu có thể có 1 hoặc 1 số nhóm axua, loại của cơ cấu là loại cao nhất
của nhóm axua chứa trong cơ cấu đó.
Riêng với cơ cấu gồm 1 khâu, 1 khớp loại 5 gọi là cơ cấu hạng 1, đây là những cơ
cấu như máy điện, tua bin, động cơ điện ...
Hình 1.17
* Nguyên tắc và trình tự xếp loại cơ cấu:
- Tính bậc tự do của cơ cấu
- Chọn khâu dẫn, số khâu dẫn được chọn phải bằng số bậc tự do của cơ cấu và
khâu dẫn được chọn thường là những khâu nối với giá cố định bằng những khớp quay.
Các nhóm loại 2 : n = 2, p
5
= 3
nhóm loại 3 : n = 4, p
5
= 6
nhóm loại 3 : n = 6, p
5
= 9
nhóm loại 4 : n = 4, p
5
= 6
nhóm loại 4 : n = 6, p
5
= 9
O
1


Hình 1.19
+ Trường hợp chọn khâu 4 (hoặc khâu 5) làm khâu dẫn: ta tách rao được 2
nhóm axua hạng 2 là nhóm gồm các khâu1, 2 và 3 khớp A, B, C và nhóm gồm các khâu
3, 5 (hoặc4) và 3 khớp D, F, G (hoặc E).
Cơ cấu là cơ cấu loại 2 khi chọn khâu dẫn là khâu 4 hoặc khâu 5.

Hình 1.20

+ Ví dụ 2: Xếp hạng cho cơ cấu sau:

Hình 1.21
- Tính bậc tự do của cơ cấu :
A
1
B
5
4
3
2
E

5
4
3
2
E
D
C
G
F
A
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Bi ging : C S THIT K MY Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
12
W = 3.5 - 2.7 = 1
- Chọn khâu dẫn:
Khi chọn khâu 1 làm khâu dẫn ta được cơ cấu loại 4.
Khi chọn khâu 5 làm khâu dẫn ta được cơ cấu loại 3.

Hình 1.22

1.3.4. Xếp loại cơ cấu có khớp cao.

nguyên tắc sau:
- Qua điểm tiếp xúc dựng pháp tuyến chung
- Lấy tâm cong của thành khớp cao thứ nhất và tâm cong của thành phần khớp cao
thứ 2.
- Nối 2 tâm cong bằng 1 khâu và 2 khớp bản lề loại 5.
- Loại bỏ ràng buộc thừa tại điểm tiếp xúc bằng cách tưởng tượng đập bỏ khớp
cao được cơ cấu phẳng toàn khớp thấp.
1
A
B
5
4
3
2
E
D
C
G
F
1
B
4
3
2
E
D
C

Hình 1.24

Câu hỏi ôn tập và thi
1. Phát biểu định nghĩa: Khâu, khớp, nối động, chuỗi động, lược đồ động; bậc tự do của khâu, bậc
tự do của cơ cấu;
2. Định nghĩa nhóm tĩnh định, nhóm Atxua. Phân loại nhóm Atxua?
3. Pát biểu nguyên lý hình thành cơ cấu . Cho ví dụ?
4. Trình bày công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng và cơ cấu không gian?
5. Trình bày nguyên tắc xếp loại cơ cấu? í nghĩa của việc xếp loại cơ cấu>

cấu khi đã cho trước lược đồ cơ cấu và quy luật chuyển động của khâu dẫn.
2.1.2. Nội dung.
a. Xác định vị trí của các khâu trong cơ cấu và quỹ đạo do các điểm trên khâu vẽ ra
trong quá trình chuyển động.
- ứng với nhiều vị trí của khâu dẫn ta xác định được vị trí tương ứng của các khâu
khác trong cơ cấu. Tập hợp các hình vẽ đó gọi là hoạ đồ chuyển vị hay hoạ đồ vị trí của
cơ cấu.
- Hoạ đồ chuyển vị là cơ sở để:
+ Giải bài toán vận tốc.
+ Xác định không gian cần thiết cho máy.
+ Xác định quỹ đạo của điểm bất kỳ trên khâu bất kỳ.
b. Xác định vận tốc của từng điểm trên khâu và vận tốc góc của các khâu trong cơ cấu.
- Cho phép phân tích chất lượng làm việc củ máy vì chất lượng đó phụ thuộc vào
sự biến thiên của bộ phận công tác.
- Là cơ sở để giải bài toán gia tốc và giải quyết một số vấn đề động lực học của
máy sau này.
c. Xác định gia tốc của từng điểm trên khâu và gia tốc góc của khâu. Nhằm mục đích
tìm lực quán tính và mô men của lực quán tính phát sinh trong qúa trình chuyển động
của cơ cấu để giải quyết các vấn đề thuộc phạm vi phân tích và tổng hợp động lực học cơ
cấu và máy.
2.2. Phân tích động học cơ cấu phẳng loại hai.
2.2.1. Bài toán chuyển vị họa đồ vị trí.
Khi khâu dẫn chuyển động vị trí của các khâu luôn luôn thay đổi nhưng tại từng thời
điểm vị trí cuả cơ cấu hoàn toàn xác định. Hình vẽ 2-1 biểu thị vị trí tương đối của các
khâu ứng với những vị trí xác định của khâu dẫn gọi là hoạ đồ chuyển vị của cơ cấu.
Trong hoạ đồ chuyển vị, mỗi lược đồ cơ cấu ứng với một vị trí của khâu dẫn được gọi là
một hoạ đồ cơ cấu. Việc giải một bài toán chuyển vị thực chất là việc dựng hoạ đồ vị trí
cơ cấu với những vị trí của khâu dẫn khác nhau. Mặt khác, ta biết rằng cơ cấu được tạo
thành bởi các khâu dẫn nối với giá một hoặc một số nhóm Axua. Vì vậy, nghiên cứu bài
toán chuyển vị hay bài toán dựng hoạ đồ cơ cấu, thực chất là dựng vị trí của các nhóm

Hình 2-1
* Trường hợp 2: Hình 2-2
Xác định vị trí của nhóm A- xua hạng 2 bậc 2 trong đó khớp C được thay bằng một
khớp tịnh tiến như trên hình vẽ (2-2).
* Để xác định vị trí của nhóm ta làm như sau:
Lấy B làm tâm, vẽ một đường tròn có BH
B
là khoảng cách từ B hạ vuông góc tới
phương tịnh tiến của khớp C. Từ D kẻ một tiếp tuyến với đường tròn tâm B bán kính r =
BH
B
sau đó từ B dựng một góc H
B
BC bằng góc cho trước. Giao điểm của tia BC với
DH

Ngô Văn Quyết Bộ môn Kỹ thuật Cơ sở- Đào tạo theo hệ thống tín chỉ
16
Hình 2-3 Trong trường hợp này vị trí khớp B phương tịnh tiến d-d và các kích thước động học
đã biết. Để xác định vị trí của nhóm ta làm như sau:
Từ B làm tâm vẽ đường tròn có bán kính r=BC, tìm DH
C
bằng cách tính CH
C
=
DC.sin.
Sau đó kẻ đường thẳng c-c song song với d-d và cách d-d một đoạn CH
C
về cả hai
phía. Giao của đường thẳng với đường tròn kẻ trên cho ta vị trí của C.
Bài toán thường có 4 nghiệm, ta chọn một trong số đó tuỳ theo điều kiện liên tục của
bài toán chuyển vị.
* Trường hợp 4:
Xác định vị trí của nhóm A-xua hạng 2 bậc 2 ở dạng thứ 4 nghĩa là khớp C là khớp
tịnh tiến còn khớp B là hai khớp quay. Giả thiết xem như biết vị trí hai khớp B và C cũng
như các khoảng cách BH
B
; DH
D
trên hình 6-2. Để dựng được vị trí của nhóm ta làm như
sau:
Từ B và D làm tâm vẽ các đường tròn có bán kính:
R

Hình 2-5
Xác định vị trí của nhóm Axua hạng 2 bậc 2 ở dạng thứ 5 khi 2 khớp B và D là các
khớp tịnh tiến. Giả thiết biết hai phương tịnh tiến của hai khớp B và D là b-b, d-d có
khoảng cách CH
B
, CH
D
.
B
C
A
B
C
D
H
D
H
C
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com