Chương 8
Tổng hợp cơ cấu
Machines and Mechanisms II
Mục tiêu
Sau khi học xong chương này, sinh viên có thể thực hiện
được:
- Thiết kế cơ cấu để thực hiện các chuyển động và yêu cầu
cho trước.
- Thiết kế cơ cấu với một yêu cầu cho trước về hành trình
làm việc của cơ cấu.
Nội dung
1. Giới thiệu
2. Tổng hợp kiểu dáng, số lượng và kích thước
3. Các vị trí chính xác: Chebychev spacing
4. Tổng hợp vị trí của cơ cấu tay quay con trượt
5. Tổng hợp hai vị trí cho trước – Phương pháp vẽ
6. Tổng hợp ba vị trí – Phương pháp vẽ
7. Cơ cấu về nhanh
1. Giới thiệu
• Tổng hợp cơ cấu là cách thức liên kết giữa các khâu với nhau bằng
các khớp động để tạo thành một chuỗi động kín hoặc một vài chuỗi
động kín.
• Mỗi khâu có hai hoặc nhiều các khớp động, và mỗi khớp có số bậc
tự do khác nhau cho phép chuyển động giữa các khâu.
• Một chuỗi động được gọi là cơ cấu nếu các khâu có thể chuyển so
với khâu được chọn làm giá.
• Các cơ cấu cơ khí thường được thiết kế từ một thông số đầu vào và
tạo một thông số đầu ra, thay đổi chuyển động, vận tốc, gia tốc và
vận dụng tỷ số truyền của cơ cấu.
• Leonardo da Vinci (1452, 1519), Codex Madrid I.
• Cuộc cách mạng công nghiệp là thời gì bùng nổ của các cơ cấu: máy

khâu, chuyển đổi năng lương, điều chỉnh tốc độ, tính toán cơ khí, máy
đánh chữ và gia công (typewriting and machining).
1. Giới thiệu
 Lịch sử
 Máy ngày nay
• Trong nhiều cơ cấu ứng dụng đã được thay thế bằng điện tử (máy
đánh chữ).
• Sử dụng cơ cấu thì có thể chi phí thấp hơn so với dùng bằng điện tử
Các ứng dụng hiện nay: Thiết bị thể thao, máy tự động (HVAC
modules, máy chính xác (Compliant Mechanisms), thiết bị y tế.
1. Giới thiệu
 Phân loại cơ cấu
• Cơ cấu phẳng ( học trong chương này)
• Ba khâu
• Bốn khâu
• Tay quay con trượt
• Năm khâu
• Sáu khâu
• …
• Cơ cấu không gian (Không giới thiệu)
1. Giới thiệu
1. Giới thiệu
• Tổng hợp: để thiết kế hoặc tạo ra một cơ cấu đảm bảo các
yêu cầu về chuyển động được đưa ra.
• Phân tích: để xác định các đặc tính về chuyển động của cơ
cấu đã cho.
Phương pháp vẽ (trong chương này): cung cấp cho người thiết kế
phương pháp nhanh và đơn giản, tuy nhiên các thông số không được
biểu diễn bằng phương trình toán học vì vậy rất khó khi muốn thay đổi
thông số để tạo ra giải pháp khác.

Phương pháp giải tích (không giới thiệu): Cách tiếp cận này thích
hợp cho tính toán tự động. Do cơ cấu được thiết kế và tính toán trên
máy tính, các thông số được biểu diễn thông qua phương trình toán học
vì vậy rất dễ thay đổi thông số để tạo ra giải pháp mới.
1. Giới thiệu
 Phương pháp tổng hợp
2. Tổng hợp kiểu dáng, số lượng và kích thước
• Tổng hợp kích thước: đề cập đến việc xác định chiều dài của các
khâu, đường kính bánh răng, biên dạng cam.
Thiết kế một cơ cấu để đảm bảo chuyển động và lực cho trước.
• Tổng hợp số lượng: Cần bao nhiêu khâu cho cơ cấu? Bao nhiêu
bậc tự do?
• Tổng hợp kiểu dáng: biết trước đặc trưng yêu cầu, loại cơ cấu nào
thì thích hợp? Cơ cấu, bánh răng, cam, truyền động đai và phu ly
hay truyền động xích.
2. Tổng hợp hàm, quỹ đạo và chuyển động
1. Tổng hợp hàm: Liên hệ giữa chuyển động đầu vào với chuyển
động đầu ra
2. Tổng hợp quỹ đạo: Cho trước quỹ đạo của một điểm (trên thanh
truyền) theo một quỹ đạo nhất định.
• Tổng hợp quỹ đạo của điểm với thời gian quy định: Xác định
thời gian xuất hiện của một điểm trên quỹ đạo đó
3. Tổng hợp chuyển động (Motion generation): Cho một đường
để giả định rằng thiết lập một số vị trí và hướng liên tục.
Có 3 vấn đề về tổng hợp:
 Nhược điểm:
• Branch defect : Cơ cấu được tạo ra cần đi qua tất cả các vị trí yêu
cầu tuy nhiên có một số điểm nằm trên cả hai nhánh của đường
cong thanh truyền.
• Order defect: Cơ cấu được tạo ra cần đi qua tất cả các vị trí yêu

cầu tuy nhiên các vị trí không đúng theo thứ tự yêu cầu.
2. Tổng hợp hàm, quỹ đạo và chuyển động
3. Vị trí chính xác: Chebychev spacing
f(x) là hàm yêu cầu và F(x, q
k
) là hàm thiết kế.
→ Sự khác nhau giữa hai hàm này là sai số cấu trúc:
E(x) = f(x) – F(x, q
k
)
E(x) chỉ bằng không ở các khớp chính , ví dụ, cho x=x
1
, x
2
, x
3
… x
k
trong
đó x
1
, x
2
, x
3
,….x
k
là k các điểm chính xác
→ Lựa chọn tốt nhất cho không gian các khớp chính xác (thiết lập các
khớp chính xác) sẽ cho giá trị nhỏ nhất.

Với thử nghiệm đầu tiên, không gian của các khớp chính xác tốt
nhất là Khoảng Chebychev (Chebychev spacing)
Với n khớp năm trong khoảng x
0
≤ x ≤x
n+1
, Chebychev spacing là :
0 1 10
1 1 (2 j 1)
(x x ) (x x )cos =1,2, ,
22 2
j nn
x jn
n
π
++
−
=+− −
Xem ví dụ trang 324
3. Vị trí chính xác: Chebychev spacing
4. Tổng hợp vị trí của cơ cấu tay quau con trượt
• Cơ cấu tay quay con trượt chính tâm: hành trình (B
1
B
2
)=2r
2
, r
3
> r

2
• Cơ cấu tay quay con trượt cân : hành trình (B
1
B
2
)=4r
2
, r
3
= r
2
• Cơ cấu tay quay con trượt lệch tâm: hành trình (B
1
B
2
)>2r
2
, r
3
> r
2
Cơ cấu về
nhanh
Ví dụ 1:
Tổng hợp hai vị trí
• Đầu ra thanh lắc –Biết chuyển vị góc của hai vị trí
• Đầu ra thanh lắc– Biết hai vị trí vị trí phức tạp
• Đàu ra thanh truyền– Biết hai vị trí phức tạp của thanh truyền
• Thêm chuỗi động để điều khiển chuyển động
5. Tổng hợp hai vị trí – Phương pháp vẽ

 Đầu ra thanh lắc– Biết chuyển vị góc của hai vị trí
Ví dụ 2:
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
1. Vẽ đầu ra O
4
B ở cả hai vị trí biên B
1
và B
2,
hay là góc định vị θ
4
2. Vẽ B
1
B
2
và kéo dài
3. Chọn điểm O
2
trên đường kéo dài B
1
B
2
4. Chia đôi đoạn thẳng B
1
B
2
và vẽ đường tròn
tâm O
2
5. Đặt tên hai điểm giao giữa đường tròn và

đường kéo dài B
1
B
2
là A
1
và A
2
.
6. Đo chiều dài của thanh truyền, A
1
tới B
1
hoặc
A
2
tới B
2
7. Đo chiều dài của giá 1, tay quay 2, và của
thanh lắc 4
8. Tìm điều kiện Grashof. Nếu không thỏa
Grashof, làm lại từ bước 3 đến bước 8 với O
2
xa hơn so với O
4
 Đầu ra thanh lắc – Biết hai vị trí chuyển vị phức tạp
Vị dụ 3:
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
1. Vẽ khâu CD ở hai vị trí đã cho,
C

1
D
1
và C
2
D
2.
2. Dựng đường thẳng nối C
1
đến C
2
và từ D
1
đến D
2.
3. Chia đôi đường C
1
C
2
; D
1
D
2
và vẽ
đường trung trực của C
1
C
2
và D
1

D
2;
giao của hai đường này là O
4.
Điểm
giao O
4
được gọi là ‘rotopole’.
4. Nối O
4
với C
1
và O
4
với C
2
. Chọn
một bán kính phù hợp và vẽ cung tròn
tâm rotoploe (điểm O
4
) tới giao với
hai đường O
4
C
1
và O
4
C
2
. Đặt tên cho

giao điểm là B
1
và B
2.
5. Làm từ bước 2 đến bước 8 ở
ví dụ 2 để hoàn thành các khâu.
Ví dụ 3:
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
 Đầu ra thanh lắc – Biết hai vị trí chuyển vị phức tạp
 Đầu ra thanh truyền – Cho hai vị trí phức tạp
Ví dụ 4:
1. Vẽ khâu CD tại hai vị trí đã cho C
1
D
1
và C
2
D
2.
2. Dựng đường nối từ điểm C
1
đến C
2
và
từ D
1
đến D
2.
3. Vẽ đường chia C
1

C
2
và D
1
D
2
và kéo dài
đường vuông góc theo hướng thích hợp.
4. Chọn điểm phù hợp trên mỗi đường
vuông góc này làm các giá O
2
và O
4
tương ứng.
5. Nối O
2
với C
1
và gọi đó là khâu 2. Nối
O
4
với D
1
và gọi đó là khâu 4.
6. Đường C
1
D
1
là khâu 3. Đường O
2

O
4
là
giá (khâu 1).
7. Kiểm tra điều kiện Grashof, và lặp lại
bước 4 đến 7 nếu không thỏa mãn.
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
 Thêm chuỗi động để điều khiển chuyển động
Ví dụ 5:
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
1. Chọn 1 điểm hợp lý trên khâu 2 của
cơ cấu cần thiết kế. Chú ý rằng nằm
trên đường O
2
C
1.
Điểm này gọi là
B
1
.
2. Vẽ hình dạng một khâu tương tự,
nối O
2
và C
2
tới điểm B trong vị trí
thứ 2. Gọi điểm này B
2
. Cung B
1

B
2
giống ở ví dụ 2 .
3. Làm tiếp bước 2 đến bước 8 ở ví dụ
2 để hoàn thành cơ cấu, trừ thêm
khâu 5, 6 và tâm O
6
hơn khâu 2 và 3
và tâm O
6
. Khâu 6 sẽ là tay quay.
Chuỗi 4 khâu O
6
, A
1
, B
1
, O
2
phải
thỏa đinh lý Grashof cho cơ cấu 4
khâu bản lề (crank-rocker)
Ví dụ 5:
4. Tổng hợp hai vị trí–Phương pháp vẽ
 Thêm chuỗi động để điều khiển chuyển động
• Đầu ra thanh truyền– Biết 3 vị trí với chuyển vị phức tạp
• Đầu ra thanh truyền – Biết 3 vị trí với chuyển vị phức tạp , alternate
attachment points for moving pivots
• Tổng hợp 3 vị trí với các gối cố định cho trước.
5. Tổng hợp 3 vị trí – pháp vẽ

 Biết vị trí với chuyển vị phức tạp
Ví dụ 6:
5. Tổng hợp 3 vị trí – pháp vẽ
1. Vẽ khâu CD ở ba vị trí cho trước C
1
D
1
,
C
2
D
2
, C
3
D
3
2. Vẽ đường nối C
1
với C
2
và C
2
với C
3.
3. Dựng đường vuông góc chung của
C
1
C
2
, C

2
C
3
. Giao của hai đường này là
O
2.
4. Lặp lại bước 2 và bước 3 cho đường
D
1
D
2
, D
2
D
3.
Đặt tên cho giao điểm này
là O
4.
5. Nối O
2
với C
1
và đặt là khâu 2. Nối O
4
với D
1
và đặt là khâu 4.
6. Đường C
1
D

1
là khâu 3. Đường O
2
O
4
là
khâu 1 (giá).
7.
Kiểm tra điều kiện Grashof. Chú ý rằng
bất kỳ điều kiện Grashof nào cũng có
thể chấp nhận được trong trường hợp
này.
Ví dụ 6:
5. Tổng hợp 3 vị trí – pháp vẽ
 Biết vị trí với chuyển vị phức tạp