Chương 11

Cơ cấu truyền động đặc biệt

Ngoài cơ cấu truyền động điển hình như bánh răng còn có những cơ cấu thực hiện các yêu cầu truyền động đặc biệt như thay đổi dạng chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển dộng qua lại theo quy luật cho trước hoặc từ chuyển động quay liên tục sang chuyển động quay gián đoạn; truyền chuyển động quay giữa hai trục tạo với nhau một góc có thể thay đổi... Ở đây sẽ trình bày một số loại cơ cấu này.

11.1. Cơ cấu cam

11.1.1. Khái niệm

Cơ cấu cam là cơ cấu có khớp cao dùng để tạo ra chuyển dộng qua lại theo quy luật cho trước( có thể có lúc dừng của khâu bị dẫn).

Trên hình 11.1.1. là các cơ cấu cam phẳng trong đó khâu dẫn gọi là cam, khâu bị dẫn gọi là cần cam và cần được nối với giá bằng khớp quay, tâm của khớp quay gọi là tâm cam (có trường hợp cam được nối với giá bằng khớp trượt). Khớp nối với giá của cần là khớp trượt hoặc khớp quay, khi cần được nối với giá bằng khớp trượt ta có cơ cấu cam cần đẩy (hình 11.1a) còn khi cần nối với giá bằng khớp quay ta có cơ cấu cam cần lắc (hình 11.1b).

Thành phần khớp cao tên cam là một đường cong kín gọi là biên dạng cam ( bán kính vectơ lớn nhất của biên dạng ký hiệu là rmax, bán kính vectơ nhỏ nhất ký hiệu là rmin). Thành phần khớp cao trên cần nối nó với cam có thể là một điểm hay một đường thẳng, khi thành phần khớp cao là một điểm ta có cần đẩy nhọn (hình 11.1a) còn khi thành phần khớp cao là một đường thẳng ta có cần đẩy đáy bằng (hình 1.1.2).

Để giảm ma sát và mòn ta lắp trên đáy nhọn của cần đẩy nhọn một bánh lăn (khi đó cần được gọi là cần cam đẩy đáy lăn). Khi thay cần đẩy đáy nhọn bằng cần đẩy đáy lăn thì biên dạng làm việc của cam cần đẩy đáy nhọn trở thành biên dạng lý thuyết, còn biên dạng thực là bao hình của họ đường tròn có tâm nằm trên biên dạng lý thuyết, và có bán kính bằng bán kính r1 của bánh lăn (hình 11.3).

Theo quỹ đạo chuyển động, có thể phân biệt: Cơ cấu cam phẳng (hình 11.1; 11.2; 11.3) và cơ cấu cam không gian. Trên hình 11.4 là một số cơ cấu cam không gian.

11.1.2. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

Với biên dạng thích hợp cơ cấu cam có thể thực hiện chính xác quy luật chuyển động cho trước của cần. Khi làm việc cơ cấu cam có độ tin cậy cao, dễ chế tạo. Nhược điểm cơ bản của cơ cấu cam là ứng suất tiếp xúc tại khớp cao lớn gây mài mòn các thành phần khớp đã đến sự thay đổi quy luật chuyển động của cần.

Do ưu điểm trên, cơ cấu cam được sử dụng trong các máy tự động, trong hệ điều khiển các quá trình công nghệ và trong nhiều bộ phận may như: hệ thống đóng mở van nạp, van xả của động cơ đốt trong; điều khiển các bánh răng đi trượt dọc trục ra vào khớp để thay đổi tốc độ trong các hộp số;...

11.2. Cơ cấu các đăng

Cơ cấu các đăng (còn gọi là khớp các đăng) dùng để truyền chuyển động giữa hai trục giao nhau một góc có thể thay đổi tùy ý trong quá trình truyền động.

Cơ cấu các đăng có thể thực hiện các truyền động công suất lớn, trong những bộ phận điểu khiển hướng (góc giữa hai trục thay đổi), đặc biệt là dùng để nối hộp tốc độ và hộp vi sai của ô tô (cầu sau).

Cấu tạo của cơ cấu các đăng được trình bày trên hình 11.5a: các trục 1 và 2 giao nhau tại O với một góc α, đầu trục một chạc ký hiệu là a còn đầu trục 2 mang chạc b, hai chạc này nối với nhau qua trục chữ thập 3 bằng các khớp quay tại A ,A' ,B ,B'. Hai nhánh AA', BB' của khâu 3 lần lượt vuông góc với các trục 1, 2 và vuông góc với nhau (hình 11.5.b).

11.2.1. Phân tích động học

Khi trục 1 quay, nhánh AA' vẽ một hình tròn γ (tâm O bán kính OA) vuông góc với trục 1, trục 2 quay theo và nhánh BB' vẽ hình tròn β (tâm O bán kính OB) vuông góc với trục 2.

Giả sử trục 1 quay được góc φ1 (tính từ khi nhánh AA' ở vị trí OA nằm trong mặt phẳng chức trục 1, 2 đến vị trí OA1):

φ1 = AOA1

thì trục 2 quay được góc φ2 :

φ2 = BOB1

Từ B1 hạ đường vuông góc B1H tới hình tròn và B1I vuông góc với OB, nối HI theo định lý ba đường thẳng vuông góc thì HI OB. Vì góc giữa hình tròn và bằng góc giữa hai trục 1, 2 ( ) nên:

= B1IH

Xét tam giác vuông B1HI:

HI = B1Icos (11.1)

nối HO (vì OA1 OB¬1) theo định lý ba đường thẳng vuông góc: OA1 OH. Ta có:

HOI = A1OA= φ1 ( hai góc có cạnh tương ứng vuông góc)

Xét tam giác vuông HIO: HI= OItg φ1 (11.2)

Xét tam giác vuông B1IO: B1I = OItg φ2 (11.3)

Do đó:

suy ra quan hệ giữa φ1 và φ2 :

tg φ1 = cos tg φ2 (11.4)

Đạo hàm biểu thức (11.4) theo thời gian t:

hay:

Tỷ số truyền i12:

i12 ¬ ¬(11.5)

Từ (11.4) có:

rút ra:

cos 2

thay vào (11.5) được:

i12 (11.6)

Tỷ số truyền i12 thay đổi tuàn hoàn theo góc quay φ1 của trục 1 và dao động giữa 2 cực trị:

i12 min =cos , khi φ1= 0 và φ1 =180

i12 max = , khi φ1= 90 và φ1=270

Điều này có nghĩa là khi vận tốc trục dẫn bằng hằng ( 1=const) thì vận tốc trục bị dẫn khác hằng ( 2 ≠ const). Nếu góc lệch giữa 2 trục ( ) càng lớn thì tỉ số truyền thay đổi càng lớn ( 2 dao động càng lớn) dẫn đến dao dộng xoăn lớn trong các bộ phận bị dẫn.

11.2.2.Cơ cấu các đăng kép

Để truyền chuyển động quay với tỷ số truyền không đổi giữa hai trục người ta sử dụng khớp các đăng kép. Trên hìn 11.6 là một số loại khớp các đăng kép thực hiện truyền chuyển động giữa trục dẫn 1 đến trục bị dẫn 3 thông qua trục trung gian 2 ( thương gồm hai phần nối với nhau bằng then hoa để có thể thay đổi chiều dài trục), hai đầu trục 2 được nối với trục dẫn và trục bị dẫn bằng các khớp các đăng. Như vậy cơ cấu các đăng kép sẽ gồm hai khớp các đăng.

Muốn tỷ số truyền i13 luôn bằng 1, cần đảm bảo đồng thời 2 diều kiện sau:

• Hai góc lệch bằng nhau : 1 = 2

• Hai góc quay của hai chạc b, b' của hai trục 2 bằng nhau: φ2b= φ2b'

Điều này có nghĩa:

- Khi trục 1 và 3 cắt nhau hoặc song song thì hai chạc b, b' phải nằm trong cùng mặt phẳng;

- Khi trục 1 và 3 chéo nhau thì phải lắp hai chạc b' nằm trong mặt phẳng chứa trục 2,3.

11.3.Khớp đẳng tốc

Để đảm bảo tỷ số truyền động bằng 1, người ta sử dụng khớp đẳng tốc. Khớp đằg tốc dùng để truyền chuyển động giữa hai trục tạo với nhau một góc có thể thay đổi trong quá trình chuyển động.

11.3.1.Nguyên lý cấu tạo

Khi đường tâm của hai trục cắt nhau , việc tào thành khớp đẳng tốc được dưa trên tính chất của gương đối xứng: hai đường tam A và A' cắt nhau ở O, gọi P là mặt phẳng phân giác của hai đường này , nếu một đường cong C gắn liền với đường A và cắt mặt phẳng P tại điểm M thì đường cong C' gắn liền với đường A' đối xứng đường cong C qua mặt phẳng P cũng sẽ cắt mặt phẳng này tại điểm M (hình 11.7).

Khi trục có đường tâm A và đường cong C quay thì đường A' với C' cũng quay theo (A,C luôn là đối xứng gương của A'C' qua mặt phẳng P) và giao điểm M của C,C' luôn nằm trong P.

Ngược lại nếu giữ cho M luôn nằm trong mặt phẳng phân giác P của các đường tâm A,A' thì khi A quay chuyển động của các đường tâm A,A' sẽ đối xứng nhau qua mặt phẳng P và góc quay của chúng luôn bằng nhau ( tỷ số truyền của hai trục có đường tâm A,A' luôn bằng 1).

11.3.2.Khớp đẳng tốc Rdep

Có nhiều khớp đẳng tốc dựa trên nguyên lý đối xứng gương nêu ở trên như: khớp Rdep (Rzzep), khớp Vaix (Weiss), khớp Tởacta (Tracta)... Trên hình 11.8 là cấu tạo của khớp đẳng tốc Rdep. Nó gồm các bộ phận sau:

- Trục vào gắn liền với một lõi N, trên mặt ngoài có các rãnh G;

- Trục ra gắn liền với một bán cầu C, ở mặt trong có các rãnh H;

- Các viên bi B, mỗi viên bi này nằm đồng thời trong một cặp rãnh G, H và nối động cặp rãnh này với nhau ;

- Lồng E giữ cho các viên bi nằm ở trên cùng một mặt phẳng ( lồng E giống như vòng cách trong ổ lăn).

11.4.Cơ cấu Man (Malte)

Để biến chuyển động quay liên tục của trục dẫn sang chuyển động quay không liên tục có lúc dừng của trục bị dẫn người ta sử dụng cơ cấu Man.

Trên hình 11.9 là lược đồ của cơ cấu Man ngoại tiếp gồm: đĩa tròn 1 có lắp chốt A và đĩa hình sao 2 có nhiều rãnh hướng tâm đối xứng từng cạp qua O2. Khi đĩa 1 quay ( 1) sẽ có lúc chốt A lọt vào một rãnh của đĩa 2 và gạt đĩa này quay quanh trục với 2. ¬Khi chốt A ra khỏi rãnh đĩa 2 sẽ dừng lại vì cung tròn của đĩa 1 tiếp xúc với cung tròn ECD của đĩa 2. Số rãnh trên đĩa 2 thường là 4,6,8, số chốt trên đĩa 1 có thể lớn hơn 1.

11.5.Cơ cấu bánh cóc-Con cóc

Gồm 1 cơ cấu 4 khâu bản lề ABCD (1;2;3 và giá ) con cóc 4 bánh cóc 5 có tâm trùng với tâm khớp D và cóc hãm 6.

Chuyển động từ tay quay 1 qua thanh truyền 2 làm cần lắc 3 chuyển động qua lại. Khi cần 3 chuyển động sang trai s con cóc 4 rơi vào kẽ răng của bánh 5 và đẩy bánh răng quay di một góc, còn khi cần 3 chuyển động sang phải con cóc 4 sẽ lướt trên lưng các răng của bánh cóc 5 (con cóc hãm 6 không cho phép bánh có 5 quay trở lại)