GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIÁO TRÌNH CƠ KỸ THUẬT (MÃ MÔN HỌC: MECM64011)

1. Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học: Cơ kỹ thuật (Mã số môn học: MECM64011) được biên soạn bởi tập thể giảng viên thuộc Bộ môn Cơ khí, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam), gồm: Lê Duy Nam (Chủ biên), Huỳnh Công Hải và An Đình Quân. Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 204/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí, dùng trong đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp cho nghề Cắt gọt kim loại.

       CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ CẮT GỌT KIM LOẠI

Trong cấu trúc chương trình đào tạo, Cơ kỹ thuật là môn học cơ sở lý thuyết nghề bắt buộc (thuộc nhóm II.1 - Môn học, mô đun cơ sở, tổng khối lượng 2 tín chỉ/45 giờ). Môn học được bố trí học sau các môn khoa học đại cương và học trước các môn học, mô đun chuyên môn nghề như: Nguyên lý - Chi tiết máy (MECM62015), Gia công trên máy tiện (MECC55131, MECC66137), Gia công trên máy phay (MECC55134, MECC66139), Gia công CNC, cũng như các nội dung sửa chữa, bảo dưỡng bơm và van công nghiệp.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác lập theo 3 chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1–A4): Trình bày các khái niệm cơ bản về tĩnh học và sức bền vật liệu; phân tích các trạng thái chịu lực kéo, nén, uốn, xoắn, cắt và dập; phân tích tải trọng, phản lực liên kết, điều kiện cân bằng ổn định của vật rắn; nhận diện các thông số động học như vận tốc dài, vận tốc góc, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến.
  • Kỹ năng (B1–B4): Tính toán tải trọng, phản lực liên kết, lực ma sát; tính toán ứng suất, biến dạng và chọn kích thước tiết diện ngang của thanh chịu kéo - nén, trục chịu xoắn, dầm chịu uốn, chi tiết chịu cắt dập ở trạng thái an toàn hoặc nguy hiểm; thành thạo phương pháp vẽ biểu đồ nội lực (biểu đồ tải trọng).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C4): Rèn luyện phương pháp làm việc độc lập và kỹ năng phối hợp nhóm; duy trì tính kỷ luật, cẩn thận, chính xác, tỉ mỉ và trung thực trong tính toán kỹ thuật.

Về cấu trúc, chương trình môn học có tổng thời lượng 45 giờ, bao gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 02 giờ kiểm tra. Giáo trình được chia thành hai phần lớn: Phần I: Cơ lý thuyết (20 giờ) và Phần II: Sức bền vật liệu (25 giờ). Cách tiếp cận của tài liệu đi từ việc thiết lập các hệ tiên đề tĩnh học đối với mô hình vật rắn tuyệt đối, sau đó mở rộng sang khảo sát vật thể biến dạng thực tế theo các giả thuyết đàn hồi.

2. Nội dung kiến thức cốt lõi

                             CƠ KỸ THUẬT (MECM64011)
PHẦN I: CƠ LÝ THUYẾT (TĨNH HỌC)                         PHẦN II: SỨC BỀN VẬT LIỆU

Các chương và chủ đề chính

Phần I: Cơ lý thuyết (Tĩnh học)

  • Chương 1: Những khái niệm cơ bản và hệ tiên đề tĩnh học (Trang 16–22): Định nghĩa về lực (điểm đặt, phương chiều, cường độ), vật rắn tuyệt đối và trạng thái cân bằng đối với hệ quy chiếu quán tính; hệ thống 4 tiên đề tĩnh học; định nghĩa liên kết và khảo sát đặc tính phản lực của 5 dạng liên kết kỹ thuật: liên kết tựa, liên kết dây mềm, liên kết thanh, liên kết khớp bản lề (bản lề di động, bản lề cố định, bản lề trụ, bản lề cầu) và liên kết ngàm.
  • Chương 2: Hệ lực phẳng đồng quy (Trang 23–31): Khảo sát hệ lực phẳng đồng quy bằng phương pháp hình học (quy tắc hình bình hành lực, quy tắc đa giác lực) và phương pháp giải tích (chiếu lực lên hai trục tọa độ vuông góc $Ox, Oy$); thiết lập điều kiện cân bằng giải tích ($\sum F_{ix} = 0$, $\sum F_{iy} = 0$); chứng minh định lý ba lực không song song cân bằng.
  • Chương 3: Mô men của một lực với một điểm của ngẫu lực (Trang 32–36): Định nghĩa mô men của lực đối với một điểm ($m_O(\vec{F}) = \pm F \cdot d = \pm 2 S_{OAB}$); định lý Varignon cho các hệ lực đồng quy, song song và bất kỳ; điều kiện cân bằng của đòn; khái niệm, tính chất, hợp hệ và điều kiện cân bằng của hệ ngẫu lực phẳng ($\sum m_i = 0$).
  • Chương 4: Ma sát (Trang 37–40): Khái niệm ma sát trượt, thí nghiệm Coulomb, định luật ma sát trượt ($F_{\max} = f \cdot N$), góc ma sát ($\tan \varphi = f$) và hiện tượng tự hãm; khái niệm ma sát lăn, ngẫu lực ma sát lăn và định luật ma sát lăn ($M_{\max} = k \cdot N$).

Phần II: Sức bền vật liệu

  • Chương 5: Một số giả thuyết về vật liệu (Trang 41–45): Đối tượng nghiên cứu dạng thanh; các giả thuyết nền tảng về tính liên tục, đồng tính, đẳng hướng và tính đàn hồi hoàn toàn; nguyên lý độc lập tác dụng; phân loại ngoại lực (tải trọng, phân lực; lực tập trung, lực phân bố; lực tĩnh, lực động); định nghĩa nội lực và ứng suất (ứng suất toàn phần $p = \sqrt{\sigma^2 + \tau^2}$, ứng suất pháp $\sigma$, ứng suất tiếp $\tau$); phương pháp mặt cắt.
  • Chương 6: Kéo nén đúng tâm (Trang 46–51): Khái niệm kéo/nén đúng tâm, lực dọc $N$ và quy ước dấu; phân bố ứng suất pháp trên mặt cắt ngang ($\sigma = \pm \frac{N}{F}$); biến dạng dọc tuyệt đối ($\Delta l = \frac{N \cdot l}{E \cdot F}$), biến dạng tương đối ($\varepsilon = \frac{\Delta l}{l}$), định luật Hooke ($\sigma = E \cdot \varepsilon$); ba bài toán cơ bản: kiểm tra điều kiện bền ($\sigma \le [\sigma]$), chọn kích thước tiết diện ($F \ge \frac{N}{[\sigma]}$), và tính tải trọng cho phép.
  • Chương 7: Cắt và dập (Trang 52–57): Định nghĩa cắt, ứng suất cắt, định luật Hooke về cắt với mô đun trượt $G$, điều kiện bền cắt; định nghĩa dập, ứng suất dập ($\sigma_d$), điều kiện bền dập; tính toán độ bền mối ghép đinh tán (rivê) sử dụng thép số 3.
  • Chương 8: Xoắn thuần túy (Trang 58–63): Mô men xoắn nội lực, biểu đồ mô men xoắn; quan hệ giữa công suất truyền động $N$, số vòng quay $n$ và mô men ngoại lực $M$; biến dạng xoắn và tính toán độ bền trục tròn chịu xoắn thuần túy.
  • Chương 9: Uốn ngang phẳng (Trang 64–73): Định nghĩa hiện tượng uốn phẳng; xác định các thành phần nội lực (lực cắt $Q_y$, mô men uốn $M_x$) và phương pháp vẽ biểu đồ nội lực trong dầm; phân bố ứng suất khi uốn thuần túy và tính toán độ bền uốn của dầm.

Tính logic của chương trình: Giáo trình sắp xếp kiến thức theo trình tự từ tĩnh học vật rắn tuyệt đối (xác định ngoại lực, phản lực liên kết, điều kiện cân bằng của hệ lực) làm tiền đề tính toán sang lĩnh vực cơ học vật rắn biến dạng (xác định nội lực bằng phương pháp mặt cắt, tính toán ứng suất, biến dạng và giải quyết các bài toán độ bền theo từng trạng thái chịu lực đơn giản đến phức tạp).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Hệ thống tiên đề Tĩnh học:
    1. Tiên đề 1 (Tiên đề cân bằng): Hai lực cân bằng khi có cùng đường tác dụng, cùng cường độ nhưng ngược chiều.
    2. Tiên đề 2 (Tiên đề biến đổi tương đương): Tác dụng của hệ lực không đổi khi thêm hoặc bớt một hệ lực cân bằng (hệ quả: lực tác dụng lên vật rắn là một vectơ trượt).
    3. Tiên đề 3 (Tiên đề hợp lực): Hợp lực của hai lực đồng quy xác định theo quy tắc hình bình hành.
    4. Tiên đề 4 (Tiên đề tác dụng tương hỗ): Lực tác dụng và phản lực giữa hai vật có cùng đường tác dụng, cùng độ lớn, ngược chiều và đặt vào hai vật khác nhau.
  • Các định luật và nguyên lý cơ học ứng dụng:
    • Định lý Varignon về mô men của hợp lực: $m_O(\vec{R}) = \sum m_O(\vec{F}_i)$.
    • Định luật ma sát Coulomb: $F_{\max} = f \cdot N$.
    • Nguyên lý độc lập tác dụng (nguyên lý cộng tác dụng): Áp dụng cho vật liệu làm việc trong miền đàn hồi tuyến tính tuân theo định luật Hooke với biến dạng bé.
    • Định luật Hooke: Biến dạng tỉ lệ bậc nhất với lực tác dụng ($\sigma = E \cdot \varepsilon$ trong kéo/nén và $\tau = G \cdot \gamma$ trong cắt).
  • Phương pháp mặt cắt: Cơ sở giải tích để phân cắt vật thể, đặt hệ lực nội lực thay thế phần bị loại bỏ và lập các phương trình cân bằng tĩnh học nhằm xác định các thành phần nội lực ($N, Q, M$).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Kỹ năng thiết lập hệ trục tọa độ giải tích; kỹ năng tính hình chiếu của lực; kỹ năng lập phương trình cân bằng mô men; kỹ năng phân đoạn thanh/dầm và sử dụng phương pháp mặt cắt để vẽ biểu đồ lực dọc ($N$), biểu đồ mô men xoắn ($M_z$), biểu đồ lực cắt ($Q_y$) và biểu đồ mô men uốn ($M_x$).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích trạng thái chịu lực của các kết cấu thanh, dầm và mối ghép; phân tích các dạng liên kết kỹ thuật thực tế để thay thế bằng các phản lực liên kết tương ứng; nhận diện mặt cắt nguy hiểm trên kết cấu chịu tải.
  • Năng lực tính toán thực hành (Practical competencies): Giải quyết 3 bài toán cơ bản của Sức bền vật liệu (kiểm tra độ bền, xác định kích thước tiết diện mặt cắt, xác định tải trọng giới hạn cho phép); tính toán kiểm nghiệm độ bền cắt và dập của mối ghép đinh tán (rivê); tính toán biến dạng dọc của thanh chịu kéo nén nhiều đoạn chịu lực phức tạp.

3. Phương pháp giảng dạy và học tập

                         QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình định hướng áp dụng phương pháp dạy học tích cực. Đối với giảng viên, quy trình giảng dạy kết hợp giữa thuyết trình ngắn gọn, nêu vấn đề kỹ thuật, thị phạm làm mẫu các bước giải bài toán cơ học, hướng dẫn thường xuyên và tổ chức cho người học rút kinh nghiệm. Đối với học viên, yêu cầu chủ động nghiên cứu giáo trình trước khi lên lớp, theo dõi giáo viên thao tác mẫu và thực hiện các bài tập phân tích theo hướng dẫn.

Bài tập và thực hành

Thời lượng bài tập, thảo luận và thực hành chiếm tỷ trọng lớn (29/45 giờ, tương đương 64,4% thời lượng môn học). Hệ thống bài tập trong giáo trình bám sát các dạng bài toán kỹ thuật mẫu:

  • Bài toán xác định phản lực liên kết dây mềm treo vật nặng ($m = 60\text{ kg}$) bằng quy tắc đa giác lực.
  • Bài toán dầm và thanh chịu lực đồng quy sử dụng phương pháp giải tích chiếu lên các trục tọa độ.
  • Bài toán thanh thép nhiều đoạn chịu các lực tập trung ($P_1 = 30\text{ kN}, P_2 = 50\text{ kN}, P_3 = 80\text{ kN}$, diện tích $F = 2 \cdot 10^{-4}\text{ m}^2$), yêu cầu thiết lập biểu thức nội lực qua phương pháp mặt cắt, vẽ biểu đồ lực dọc $N$, tính ứng suất pháp ($\sigma$) và xác định biến dạng dọc tuyệt đối ($\Delta l$).
  • Bài toán tính toán mối ghép đinh tán theo điều kiện bền cắt và bền dập.

Hình thức tổ chức học tập

Tổ chức kết hợp giữa làm việc cá nhân và thảo luận nhóm nhỏ. Học viên được bố trí làm việc theo nhóm 2 người để thực hiện các bài tập tính toán, luân phiên phân công theo dõi, ghi chép số liệu, kiểm tra chéo kết quả tính toán và hoàn thiện báo cáo bài tập.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá tuân thủ quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:

  • Điểm đánh giá quá trình (Trọng số 40%): Bao gồm điểm kiểm tra thường xuyên (hệ số 1, đánh giá sau 35 giờ học, kiểm tra các chuẩn đầu ra A1–A5, B1–B3, C1–C2) và điểm kiểm tra định kỳ (hệ số 2, đánh giá sau 45 giờ học, kiểm tra các chuẩn đầu ra A1–A6, B1–B4, C1–C2).
  • Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%): Thi tập trung lý thuyết và bài tập tổng hợp sau khi hoàn thành 45 giờ học (đánh giá các chuẩn đầu ra A1–A5, B1, C1–C3).
  • Quy đổi điểm: Điểm thành phần và điểm tổng kết chấm theo thang điểm 10 (làm tròn đến 1 chữ số thập phân), sau đó quy đổi sang điểm chữ và thang điểm 4 theo quy định đào tạo tín chỉ.

Quy định tự học và chuyên cần

  • Học viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước giờ học.
  • Quy định chuyên cần: Tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% thời lượng lý thuyết phải học lại môn học); tham dự 100% các buổi thực hành/thảo luận (vắng quá 1% số tiết thực hành phải học lại môn học).
  • Tham gia đầy đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ và kỳ thi kết thúc môn học.

4. Điểm nổi bật và dữ liệu kỹ thuật cập nhật

Cấu trúc chương trình tinh gọn

Giáo trình được chuẩn hóa theo khung chương trình đào tạo nghề năm 2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí (Quyết định số 204/QĐ-CĐDK). Nội dung được cô đọng trong 45 giờ học, giảm thiểu các chứng minh toán học lý thuyết phức tạp, tập trung vào việc áp dụng trực tiếp các công thức tính toán và thuật toán giải bài toán sức bền chi tiết máy.

Tích hợp bảng dữ liệu thông số kỹ thuật thực tế

Giáo trình cung cấp hệ thống bảng tra cứu số liệu kỹ thuật tiêu chuẩn, phục vụ trực tiếp cho việc tính toán thiết kế và gia công cơ khí:

Loại vật liệu Mô đun đàn hồi khi kéo/nén ($E$)
Thép chứa từ 0,1 ÷ 20% Cacbon $20 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$ ($2 \cdot 10^5\text{ MN/m}^2$)
Thép lò xo $22 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Thép Niken $19 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Gang xám $11,5 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Đồng $12 \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Đồng thau $(10 \div 12) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Nhôm và Đura $(7 \div 8) \cdot 10^4\text{ kN/cm}^2$
Cao su $8 \cdot 10^6\text{ N/m}^2 = 0,8\text{ kN/cm}^2$
  • Hệ số ma sát trượt tĩnh ($f$): Cung cấp các giá trị thực nghiệm tiêu chuẩn như cặp tiếp xúc Thép - Thép ($f = 0,19$), Đai truyền - Gang ($f = 0,18$).
  • Ứng suất cho phép: Cung cấp thông số tính toán ứng suất cho phép $[\sigma]$ của thép số 3 phục vụ tính toán các chi tiết liên kết đinh tán (rivê).

Kế thừa học thuật chính thống

Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu tham khảo nền tảng trong đào tạo kỹ thuật cơ khí tại Việt Nam:

  1. Đỗ Sanh – Cơ học ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, 2001.
  2. Đặng Thanh Tân – Giáo trình Cơ học lý thuyết, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.
  3. Đặng Thanh Tân – Giáo trình Sức bền vật liệu, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật.

5. Đối tượng sử dụng giáo trình

                       SƠ ĐỒ PHÂN BỔ ĐỐI TƯỢNG SỬ DỤNG
  • Sinh viên và học viên: Dành cho người học trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Cắt gọt kim loại, Kỹ thuật cơ khí và Cơ khí Động lực. Tài liệu cung cấp kiến thức nền tảng để tiếp thu các môn học chuyên môn:
    • Môn học cơ sở liên quan: Dung sai (MECM53001), Vật liệu cơ khí (MECM53002), Vẽ kỹ thuật 1 & 2 (MECM52003, MECM62012), AutoCAD (MECM63013).
    • Mô đun chuyên môn thực hành: Gia công nguội cơ bản (MECM53104), Gia công trên máy tiện 1 & 2 (MECC55131, MECC66137), Gia công trên máy tiện CNC 1 & 2 (MECC54133, MECC64138), Gia công trên máy phay 1 & 2 (MECC55134, MECC66139), Gia công trên máy phay CNC 1 & 2 (MECC54135, MECC64140), Gia công trên máy mài (MECC55136), Kỹ thuật hàn cơ bản (MECW53161), Máy cắt kim loại (MECC54032).
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học đại cương và nắm vững kiến thức toán học về phương trình, hệ phương trình đại số, hình học phẳng và hàm lượng giác cơ bản.
  • Giảng viên: Dùng làm tài liệu chuẩn hóa để lập kế hoạch giảng dạy, biên soạn giáo án, phiếu học tập và xây dựng đề kiểm tra thường xuyên, định kỳ và thi kết thúc môn học theo chuẩn đầu ra.
  • Cán bộ kỹ thuật và tự học: Dùng làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên cơ khí, công nhân kỹ thuật tại các nhà máy, xưởng chế tạo muốn tra cứu phương pháp kiểm tra bền kết cấu dầm, trục và liên kết đinh tán.

6. Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên bậc Cao đẳng và học viên bậc Trung cấp nghề Cắt gọt kim loại, đồng thời phục vụ đào tạo các ngành cơ khí chế tạo, sửa chữa thiết bị cơ khí và cơ khí động lực.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền nào trước khi học môn học này?

Người học cần có kiến thức cơ bản về toán học (đại số, giải hệ phương trình, lượng giác, hình học phẳng) và vật lý cơ học đại cương để vận dụng vào việc chiếu lực, thiết lập phương trình cân bằng và vẽ biểu đồ nội lực.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu Cơ học lý thuyết thuần túy?

Giáo trình tích hợp hai phân môn Cơ lý thuyết và Sức bền vật liệu trong một chương trình rút gọn 45 giờ, giảm tải các chứng minh toán học thuần túy, dành hơn 64% thời lượng cho bài tập và kỹ thuật giải tích ứng dụng trực tiếp vào các kết cấu máy thực tế (thanh kéo nén, trục xoắn, dầm uốn, mối ghép đinh tán).

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Học viên cần đọc trước lý thuyết và các định nghĩa tiên đề của từng chương trước khi lên lớp; thực hiện đầy đủ các bài tập mẫu về giải tích lực và phương pháp mặt cắt; rèn luyện kỹ năng vẽ biểu đồ nội lực và kiểm tra độ bền thông qua các bài tập tình huống cuối mỗi chương.

5. Có những tài liệu và học liệu nào được đề xuất sử dụng kèm theo?

Ngoài giáo trình chính khóa, học viên nên sử dụng kèm giáo án, phiếu học tập do bộ môn cung cấp, kết hợp tra cứu các tài liệu tham khảo chuẩn mực: Cơ học ứng dụng (Đỗ Sanh), Giáo trình Cơ học lý thuyết và Giáo trình Sức bền vật liệu (Đặng Thanh Tân).

7. Kết luận

Giáo trình môn học: Cơ kỹ thuật (Mã số: MECM64011) của Trường Cao đẳng Dầu khí đóng vai trò thiết lập nền tảng lý thuyết kỹ thuật cơ sở và phương pháp tư duy tính toán cho người học nghề Cắt gọt kim loại. Tài liệu cung cấp hệ thống kiến thức từ các hệ tiên đề Tĩnh học, phương pháp phân tích lực đến các mô hình biến dạng đàn hồi trong Sức bền vật liệu.

Lộ trình học tập đề xuất:

  1. Nắm vững hệ tiên đề Tĩnh học, phân tích liên kết và điều kiện cân bằng của hệ lực phẳng (Chương 1 đến 4).
  2. Nắm vững phương pháp mặt cắt và tính toán các trạng thái biến dạng đơn giản: kéo - nén đúng tâm, cắt và dập (Chương 5 đến 7).
  3. Làm chủ kỹ thuật tính toán các trạng thái chịu tải phức tạp: xoắn thuần túy và uốn ngang phẳng của dầm (Chương 8 và 9).
  4. Vận dụng trực tiếp vào mô-đun Nguyên lý - Chi tiết máy và các học phần công nghệ gia công tiện, phay, mài, gia công CNC.

Để nâng cao hiệu quả học tập, học viên cần kết hợp nghiên cứu các sổ tay vật liệu cơ khí và tài liệu tham khảo chuyên ngành được chỉ dẫn trong danh mục của giáo trình.