Bài giảng nhập môn kỹ thuật cơ khí chương 1 pgs ts bùi ngọc tuyên

Khả năng làm việc của kỹ sư cơ khí Trang 4 - Kỹ thuật : “ Engineering” xuất phát từ chữ Latin “ Ingeniere” có nghĩa là thiết kếhoặc phát minh Kỹ sư: “ Engineer” người làm nghề kỹ thuậ

Nhập môn Kỹ thuật cơ khí

Người soạn: PGS.TS Bùi Ngọc Tuyên

Bộ môn: Gia công vật liệu & Dụng cụ công nghiệp

Hà nội, 2018

Nhập môn kỹ

thuật cơ khí

1

2 3 4

Chương 1 Giới thiệu lĩnh vực cơ khí

Chương 2 Thiết kế cơ khí

Chương 4 Lực trong các cơ cấu và máy5

Chương 3 Các vấn đề kỹ thuật và phương thức trao đổi thông tin

Chương 5 Vật liệu và ứng suất

6 Chương 6 Hệ thống nhiệt và năng lượng

2

7

Chuyển động và biến đổi công suất

Chương 1 Giới thiệu lĩnh vực cơ khí

1.1 Khái niệm về kỹ thuật

1.2 Khái niệm về kỹ thuật cơ khí

1.3 Khả năng làm việc của kỹ sư cơ khí

1.4 Các khía cạnh khác trong kỹ thuật cơ khí

1.5 Chương trình đào tạo ngành KTCK

- Kỹ thuật : “ Engineering” xuất phát từ chữ Latin “ Ingeniere” có nghĩa là thiết kếhoặc phát minh

 Kỹ sư: “ Engineer” người làm nghề kỹ thuật với nhiệm vụ là thiết kế và sángtạo ra các sản phẩm

- Kỹ sư vận dụng các kiến thức của mình về toán học, khoa học và vật liệu cũngnhư các kỹ năng của mình trong giao tiếp và kinh doanh nhằm phát triển cáccông nghệ mới và tốt hơn

- Kỹ sư đã được đào tạo để sử dụng các công cụ như toán học, các nguyên tắckhoa học, và mô phỏng bằng máy tính nhằm tạo ra các thiết kế nhanh hơn,

chính xác hơn và kinh tế hơn

 Kỹ sư (engineer) ≠ nhà khoa học (scientist) Nhà khoa học phát minh ra cácluật vật lý mới hơn là ứng dụng các hiện tượng này vào phát triển các sản phẩmmới

- Kỹ thuật là cầu nối giữa phát minh khoa học và các ứng dụng sản phẩm Kỹ

thuật là động lực cho sự phát triển xã hội và kinh tế và là là một thành phần

nguyên vẹn của chu kỳ kinh doanh

Hàng ngày, các kỹ sư cơ khí sử dụng các công cụ hỗ trợ mạng hiện đại để thiết kế, hình dung, mô phỏng và cải tiến sản phẩm (On a day-to-day basis, mechanical engineers use state-of-the-art cyber-enabled tools to design, visualize, simulate, and improve products)

(b)

Robot được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền lắp ráp công nghiệp tự động đòi hỏi

độ chính xác khi thực hiện các công việc lặp đi lặp lại, chẳng hạn như hàn hồ quang (Robots are used extensively in automated industrial assembly lines that require

precision when repetitive tasks, such as arc welding, are being performed)

Bộ Lao động Mỹ đã tổng kết nghề kỹ thuật như sau:

Các kỹ sư áp dụng các lý thuyết và nguyên tắc của khoa học và toán học để nghiên cứu

và phát triển các giải pháp kinh tế cho các vấn đề kỹ thuật Công việc của họ là cầu nốigiữa nhu cầu xã hội được nhận thức và các ứng dụng thương mại Các kỹ sư thiết kếcác sản phẩm, máy móc để tạo ra các sản phẩm đó, các nhà máy sản xuất các sảnphẩm đó, và các hệ thống đảm bảo chất lượng của sản phẩm và hiệu quả của lực lượnglao động và quy trình sản xuất Các kỹ sư thiết kế, lập kế hoạch và giám sát việc xâydựng các tòa nhà, đường cao tốc và hệ thống vận chuyển Họ phát triển và thực hiệncác cách cải tiến để chiết xuất, xử lý và sử dụng các nguyên liệu thô, chẳng hạn nhưdầu mỏ và khí đốt tự nhiên Việc phát triển các vật liệu mới vừa nâng cao hiệu suất củasản phẩm vừa tận dụng được những tiến bộ của công nghệ Họ khai thác nhu cầu điệnnăng và tạo ra hàng triệu sản phẩm sử dụng điện năng Họ phân tích tác động của sảnphẩm mà họ phát triển hoặc hệ thống mà họ thiết kế đối với môi trường và những người

sử dụng chúng Kiến thức kỹ thuật được áp dụng để cải thiện nhiều thứ, bao gồm chấtlượng chăm sóc sức khỏe, sự an toàn của các sản phẩm thực phẩm và hoạt động của hệthống tài chính

Kỹ thuật có thể được định nghĩa như là phần giao của các hoạt động liên quan đến toánhọc, khoa học, mô phỏng máy tính và phần cứng

Sự phân bố kỹ sư trong các ngành nghề chính tại Mỹ:

Of the 13 major industry sectors, engineering was the most popular major for CEOs in nine of them:

1.2 Khái niệm về kỹ thuật cơ khí

- Kỹ thuật cơ khí bao gồm các thuộc tính về lực, vật liệu, năng lượng, chất lỏng, và

chuyển động, cũng như là các ứng dụng của các lĩnh vực này trong sáng tạo các sản

phẩm nhằm thúc đẩy sự phát triển xã hội và cải thiện cuộc sống con người

- Bộ lao động Mỹ mô tả nghề kỹ thuật cơ khí như sau:

“ Mechanical engineer research, develop, design, manufacture and test tools, engines,machines, and other mechanical devices They work on power – producing machines such

as electricity-producing generators, internal combustion engines, steam and gas turbines,and jet and rocket engines They also develop power – using machines such asrefrigeration and air – conditioning equipment, robots used in manufacturing, machinetools, materials handling systems, and industrial production equipment “

Kỹ sư cơ khí nghiên cứu, phát triển, thiết kế, sản xuất và thử nghiệm các công cụ, động cơ,máy móc và các thiết bị cơ khí khác Họ làm việc trên các máy sản xuất điện như máy phátđiện, động cơ đốt trong, tua bin hơi nước và khí đốt, động cơ phản lực và tên lửa Họ cũngphát triển các máy móc sử dụng năng lượng như thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí,

rô bốt được sử dụng trong sản xuất, máy công cụ, hệ thống xử lý vật liệu và thiết bị sảnxuất công nghiệp

Kỹ sư cơ khí khai thác các yếu tố như lực, vật liệu, chất lỏng, năng lượng, chuyểnđộng,… để phát minh ra các máy và các cấu trúc nhằm phục vụ cho mục đích cóích và giải quyết một vấn đề

Kỹ sư cơ khí thiết kế máy và các thiết bị truyền động sử dụng nhiều loại bánh răngcũng như nhiều loại chi tiết máy khác

Xe robot tự hành Mars Exploration Rover

Mechanical engineers work with machines that produce or consume power over a remarkably wide range

 Kỹ thuật cơ khí được định nghĩa như là một nghề nghiệp mà trong đó các máymóc tạo ra năng lượng và các máy tiêu thụ năng lượng được nghiên cứu, thiết

kế và chế tạo

 Các kỹ sư cơ khí sáng chế ra các máy cung cấp năng lượng hoặc các máy tiêuthụ năng lượng trong một phạm vi rất rộng

1.3 Mười thành tựu nổi bật của kỹ thuật cơ khí trong thế kỷ 20

1 Ô tô (The automobile)

2 Chương trình Apollo (The Apollo program)

3 Tạo điện năng (Power generation)

4 Cơ giới hóa nông nghiệp (Agricultural mechanization)

5 Máy bay (The airplane)

6 Sản xuất lớn các IC (Integrated-circuit mass production)

7 Điều hòa và tủ lạnh (Air conditioning and refrigeration)

8 Công nghệ CAE (Computer-aided engineering technology)

9 Cơ y sinh (Bioengineering)

10 Mật mã và tiêu chuẩn (Codes and standards)

1. Ô tô (The automobile)

 Sự phát triển và thương mại hóa ô tô được xem là một thành tựu có ý nghĩa nhất về nghềnghiệp trong thế kỷ 20

 Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự phát triển công nghệ ô tô là :

 Động cơ nhẹ, công suất cao

 Các quá trình hiệu quả cao cho sản xuất lớn

 Kỹ sư người Đức Nicolaus Otto được xem là người thiết kế đầu tiên về động cơ đốt

trong 4 thì

 Sự cạnh tranh trong thị trường ô tô dẫn đến sự phát triển về các lĩnh vực trong ô tô như:

độ an toàn, tính kinh tế về nhiên liệu, tính tiện nghi, kiểm soát khí thải

 Một số công nghệ mới: ô tô chạy bằng năng lượng điện – khí (hybrid gas-electric

vehicles), hệ thống phanh chống bó cứng (antilock brakes), lốp chống xẹp hơi (run-flat tires), túi khí (air bags), sử dụng vật liệu composite, hệ thống phun nhiên liệu điều khiểnbằng máy tính, hệ thống định vị vệ tinh, …

 Ô tô  sự phát triển về máy công cụ, vật liệu, công nghiệp phù trợ, dịch vụ CN,

 Ô tô ngành kinh tế then chốt của thế giới ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội

 1961 TT Mỹ thông qua kế hoạch đưa người lên mặt trăng và quay trở về trái đất an toàn :

 1969 tầu vũ trụ Apollo 11 hạ cánh trên bề mặt mặt trăng cùng 3 nhà du hành vũ trụ Neil Armstrong, Michael Collins, Buzz Aldrin

 Chương trình Apollo dựa trên 3 phát triển chính: xe du hành Saturn V, modun ra lệnh vàbảo trì, mô dun thám hiểm mặt trăng

Một nhiệm vụ quan trọng của KTCK là thiết kế máy có thể biến đổi năng lượng từ dạng nàysang dạng khác.

 Thế kỷ 20 xã hội loài người thay đổi hoàn toàn khi điện năng được tạo ra và truyền dẫnđến mọi nhà, công sở, nhà máy,

 Kỹ sư cơ khí tham gia phát triển hiệu quả các công nghệ nhằm biến đổi các dạng năng

lượng khác nhau thành điện năng Ví dụ như: năng lượng hóa tích trữ như than, khí tự

nhiên, dầu; động năng của gió dẫn động tuoocpin phát điện, năng lượng hạt nhân trong

các nhà máy điện, tầu, tầu ngầm hay tầu không gian; năng lượng của dòng nước hay thủytriều,…

Mechanical engineers design machines for producing energy from a variety of renewable sources, such

as (a) wave energy power plants, (b) solar power towers, and (c) innovative wind turbines

 Các KS cơ khí đã phát triển các công nghệ nhằm cải thiện hiệu quả công nghiệp nôngnghiệp:

 Ứng dụng các máy móc tiên tiến, công nghệ GPS,…máy tổ hợp trong cấy, trồng, thuhoạch

 Quan sát, dự báo thời tiết

 Bơm tưới hiệu quả cao, máy vắt sữa,…

 Thiết bị, dây chuyển chế biến thức ăn, đồ uống,…

Robotic vehicles under development can learn the shape and terrain of a field of grain and harvest it with essentially no human supervision

5. Máy bay (The airplane)

 KS cơ khí phát triển hoặc tham gia vào hầu hết các lĩnh vực của công nghệ hàng không

 Thiết kế các hệ thống buồng đốt, turbine, hệ thống điều khiển động cơ phản lực,

This prototype of the X-48B, a blended wing-body aircraft, is being tested at the full-scale wind tunnel at NASA Langley Research Center in Virginia

6. Sản xuất lớn các IC (Integrated-circuit mass production)

 KS cơ khí thiết kế máy, các hệ thống điều chỉnh thẳng hàng, vật liệu tiên tiến, điều khiểnnhiệt độ, cách ly rung động đảm bảo các IC được chế tạo ở kích thước nanomet

 Công nghệ vi cơ khí: Các kỹ thuật vi chế tạo dùng cho chế tạo IC được sử dụng để chếtạo ra hàng loạt các cấu trúc, sản phẩm như:

+ Thiết bị và các mạch điện tử màng mỏng (thin film devices and circuits)

+ Nam châm tử tính micro (micro-magnetics)

+ Thiết bị quang học (optical devices)

+ Các cấu trúc vi cơ (micro-mechanical structures)

+ Các hệ thống vi cơ điện tử

(micro-electromechanical systems = MEMS, nano- electromechanics = NEMS)

7. Điều hòa không khí và làm lạnh (Air conditioning and refrigeration)

KS cơ khí ứng dụng các nguyên lý truyền nhiệt và biến đổi năng lượng, phátminh ra các thiết bị điều hòa không khí và làm lạnh hiệu quả phục vụ sinh hoạtcon người an toàn, tiện nghi, bảo quản thức ăn, thuốc men, các vật phẩm y, sinhhọc,…

Hệ thống điều hòa Multi

8. Công nghệ CAD/CAM/CAE (Computer-aided design/ Computer-aided

manufacturing/ Computer-aided engineering technology)

 CAD/CAM/CAE liên quan đến công nghệ tự động trong kỹ thuật cơ khí, sửdụng máy tính thực hiện các tính toán, thiết kế, chuẩn bị bản vẽ kỹ thuật, tính toán mô phỏng, điều khiển máy công cụ trong các nhà máy,…

 Trong các công ty đa quốc gia, các đội thiết kế và các thông tin kỹ thuậtđược phân bố khắp thế giới, mạng máy tính được dùng để thiết kế các sảnphẩm trong 24h/ngày Ví dụ máy bay Boeing 777 được lắp ráp từ hơn 3 triệu chi tiết được thiết kế bởi hơn 200 đội thiết kế trên khắp thế giới

9. Kỹ thuật sinh học (Bioengineering)

 Kỹ thuật sinh học kết nối kỹ thuật truyền thống với các khoa học cuộc sống

và y học Các nguyên lý kỹ thuật, công cụ phân tích, phương pháp thiết kếđược ứng dụng để giải quyết các vấn đề nảy sinh trong các hệ thống sinh học

 Mục tiêu chính của kỹ thuật sinh học là tạo ra các công nghệ để phát triển cácngành công nghiệp dược phẩm, chăm sóc sức khỏe, phát minh ra các thuốcmới, các gen, ảnh siêu âm, các van tim nhân tạo, các bộ phận tay, chân giả, robot phẫu thuật,…

10. Các mã và tiêu chuẩn (Codes and standards)

 Các sản phẩm mà các kỹ sư thiết kế cần phải tương thích và kết nối đượcvới các hệ thống, phần cứng được phát triển bởi người khác Mã và tiêu

chuẩn là cần thiết để quy định các đặc tính vật lý của các chi tiết cơ khí saocho người khác có thể hiểu rõ kết cấu và vận hành sử dụng chúng

 Nhiều tiêu chuẩn được phát triển thông qua sự nhất trí của nhiều chính phủ, tập đoàn công nghiệp, và có tầm quan trọng lớn trong môi trường cạnh

tranh toàn cầu

1.4 Khả năng làm việc của kỹ sư cơ khí

Các kỹ sư cơ khí có thể làm việc với tư cách là nhà thiết kế, nhà nghiên cứu và quản lý công nghệ cho các công ty có quy mô từ các công ty khởi nghiệp nhỏ đến các tập đoàn

đa quốc gia lớn:

 Thiết kế và phân tích mọi chi tiết, vật liệu, mô-đun hoặc hệ thống nào cho thế hệ ô tôtiếp theo (Design and analyze any component, material, module, or system for the next generation of automobiles)

 Thiết kế và phân tích các thiết bị y tế, bao gồm thiết bị hỗ trợ cho người tàn tật, thiết

bị phẫu thuật và chẩn đoán, chân tay giả và các nội tạng nhân tạo (Design and

analyze medical devices, including aids for the disabled, surgical and diagnostic

equipment, prosthetics, and artificial organs)

 Thiết kế và phân tích hệ thống làm lạnh, sưởi ấm và điều hòa không khí hiệu quả

(Design and analyze efficient refrigeration, heating, and air-conditioning systems)

 Thiết kế và phân tích hệ thống điện và tản nhiệt cho bất kỳ số lượng thiết bị mạng và máy tính di động nào (Design and analyze the power and heat dissipation systems for any number of mobile computing and networking devices)

 Thiết kế và phân tích hệ thống giao thông đô thị tiên tiến và hệ thống an toàn cho

phương tiện giao thông (Design and analyze advanced urban transportation and

vehicle safety systems)

 Thiết kế và phân tích các dạng năng lượng bền vững mà các quốc gia, tiểu bang,

thành phố, làng mạc và nhóm người dễ tiếp cận hơn (Design and analyze sustainable forms of energy that are more readily accessible by nations, states, cities, villages, and people groups)

 Thiết kế và phân tích thế hệ tiếp theo của hệ thống khám phá không gian (Design and analyze the next generation of space exploration systems)

 Thiết kế và phân tích thiết bị sản xuất mang tính cách mạng và dây chuyền lắp ráp tựđộng cho nhiều loại sản phẩm tiêu dung (Design and analyze revolutionary

manufacturing equipment and automated assembly lines for a wide range of

nhựa và cao su; dầu khí và sản xuất than; máy tính và sản phẩm điện tử; sản xuất thực

phẩm và đồ uống; in ấn và xuất bản; các tiện ích; và các nhà cung cấp dịch vụ (Provide consultant services to any number of industries, including chemical, plastics, and rubber manufacturing; petroleum and coal production; computer and electronic products; food and beverage production; printing and publishing; utilities; and service providers)

 Làm việc trong dịch vụ công cho các cơ quan chính phủ như Cục Hàng không và Vũ trụ Quốc gia, Bộ Quốc phòng, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, Cơ quan Bảo vệ Môi trường và các phòng thí nghiệm nghiên cứu quốc gia (Work in public service for such

governmental agencies as the National Aeronautics and Space Administration,

Department of Defense, National Institute of Standards and Technology, Environmental Protection Agency, and national research laboratories)

 Dạy toán, vật lý, khoa học hoặc kỹ thuật ở cấp trung học, cao đẳng 2 năm hoặc đại học 4 năm (Teach mathematics, physics, science, or engineering at the high school, 2-year

college, or 4-year university level)

 Theo đuổi các nghề nghiệp quan trọng về luật, y học, công tác xã hội, kinh doanh, bánhàng hoặc tài chính (Pursue significant careers in law, medicine, social work, business, sales, or finance)

 Product enginee (KS sản phẩm)

 Systems engineer (KS hệ thống)

 Manufacturing engineer (KS sản xuất)

 Renewable energy consultant (Tư vấn

năng lượng tái tạo)

 Design engineer (KS thiết kế)

 Power engineer (KS năng lượng)

 Packaging engineer ((KS đónghàng)