Giao trinh phuong phap va tien trinh thiet ke

Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

MỤC LỤC
Chương 1. Cơ bản về thiết kế cơ khí................................................................................... 3
1.1. Khái niệm tiến trình thiết kế ....................................................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu tiến tình thiết kế .................................................................................. 3
1.1.2. Lịch sử của tiến trình thiết kế .............................................................................. 6
1.1.3. Vịng đời sản phẩm .............................................................................................. 7
1.1.4. Bài tốn thiết kế ................................................................................................... 8
1.1.5. Các hoạt động cơ bản để giải quyết vấn đề thiết kế ............................................ 9
1.2. Thiết kế sản phẩm cơ khí ............................................................................................ 9
1.2.1 Giới thiệu ............................................................................................................. 9
1.2.2. Các đặc trưng của sản phẩm .............................................................................. 12
1.2.3. Ngôn ngữ thiết kế cơ khí ................................................................................... 13
1.2.3. Các dạng bài tốn thiết kế cơ khí ...................................................................... 15
1.2.4. Các ràng buộc, mục tiêu và nguồn tài nguyên thiết kế ...................................... 19
1.2.5. Tháo rời sản phẩm ............................................................................................. 20
1.2.6. Tóm tắt nội dung thiết kế cơ khí........................................................................ 21
1.3. Nhóm thiết kế .......................................................................................................... 22
1.3.1. Cá nhân thiết kế ................................................................................................. 22
1.3.2. Nhóm thiết kế .................................................................................................... 22
Chương 2. Tiến trình và kế hoạch thiết kế ....................................................................... 24
2.1. Các giai đoạn của tiến trình thiết kế ......................................................................... 24
2.1.1. Giai đoạn đánh giá hiện trạng sản phẩm............................................................ 24
2.1.2. Giai đoạn lập kế hoạch phát triển sản phẩm ...................................................... 24
2.1.3. Giai đoạn xác định sản phẩm cần phát triển ...................................................... 24
2.1.4. Giai đoạn thiết kế khái niệm .............................................................................. 24
2.1.5. Giai đoạn phát triển sản phẩm ........................................................................... 25
2.1.6. Giai đoạn trợ giúp sản phẩm.............................................................................. 25
2.2. Đánh giá hiện trạng sản phẩm .................................................................................. 25
2.2.1. Sự thúc đẩy của tiến bộ khoa học kỹ thuật ........................................................ 26

2.2.2. Nhu cầu của thị trường ...................................................................................... 26
2.2.3.
Đòi hỏi thay đổi của bản thân sản phẩm...................................................... 27
2.2.4. Q trình hồn thiện sản phẩm và mơ hình Kano ............................................. 28
a. Đường cong chữ S và q trình hồn thiện sản phẩm ......................................... 28
b. Mơ hình Kanơ ...................................................................................................... 28
2.2.5. Đề cương phát triển sản phẩm ........................................................................... 29
2.2.6. Lựa chọn đề án .................................................................................................. 30
a. Phân tích SWOT .................................................................................................. 31
b. Phân tích Pro-Con................................................................................................ 32
2.3. Lập kế hoạch phát triển sản phẩm ............................................................................ 33
2.3.1. Các dạng kế hoạch ............................................................................................. 33
a. Mơ hình dạng cổng - giai đoạn ............................................................................ 33
b. Mơ hình xoắn ốc .................................................................................................. 35
2.3.2. Lập kế hoạch thiết kế ......................................................................................... 35
a. Xác định các nhiệm vụ......................................................................................... 36
b. Xác định mục tiêu ................................................................................................ 36
c. Dự kiến các nguồn tài nguyên cần thiết ............................................................... 36
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 1


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

d. Sắp xếp trình tự các nhiệm vụ............................................................................. 36
e. Ước tính chi phí phát triển sản phẩm .................................................................. 37
2.4. Tổng kết chương ...................................................................................................... 37
Chương 3. Phân tích mục tiêu bài tốn thiết kế cơ khí ...................................................38
3.1. Xác định khách hàng ................................................................................................ 40

3.2. Xác định yêu cầu của khách hàng ............................................................................ 41
3.3. Xác định mức độ quan trọng tương đối của các yêu cầu ......................................... 43
3.4. Đánh giá mức độ cạnh tranh .................................................................................... 44
3.5. Phát triển các đặc tính kỹ thuật ................................................................................ 45
3.6. Xác định mức độ đáp ứng của các đặc tính kỹ thuật ............................................... 47
3.7. Xác định các mục tiêu kỹ thuật ................................................................................ 49
3.7.1. Mức độ quan trọng tương đối của đặc tính kỹ thuật ......................................... 49
3.7.2. Xác định thơng số đặc tính kỹ thuật của sản phẩm cạnh tranh ......................... 51
3.7.3. Xác định mục tiêu thiết kế của đặc tính kỹ thuật .............................................. 52
3.8. Xác định tương tác giữa các đặc tính kỹ thuật ......................................................... 53
3.3. Tổng kết chương ...................................................................................................... 56
Chương 4. Thiết kế khái niệm ..........................................................................................57
4.1. Khởi tạo các ý tưởng thiết kế ................................................................................... 57
4.1.1. Khái niệm chức năng sản phẩm ........................................................................ 58
4.1.2. Phân tích chức năng sản phẩm đã có ................................................................ 59
4.1.3. Kỹ thuật đề xuất ý tưởng thiết kế sản phẩm mới .................................................. 62
4.1.4. Giới thiệu một số phương pháp khơi tạo ý tưởng ............................................. 66
4.2. Đánh giá các đề xuất ................................................................................................ 67

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 2


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Chương 1. Cơ bản về thiết kế cơ khí
1.1. Khái niệm tiến trình thiết kế
1.1.1. Giới thiệu tiến tình thiết kế
Con người đã thiết kế các chi tiết cơ khí từ cách đây khoảng 5.000 năm và vẫn

đang tiếp tục phát triển các thiết kế cơ khí. Từ những chi tiết cơ khí đơn giản như chiếc
mâm quay bàn gốm thời xa xưa, cho đến những sản phẩm phức tạp hay các hệ thống vận
tải hiện đại ngày nay, mỗi sản phẩm dù đơn giản hay phức tạp đều là kết quả của một tiến
trình thiết kế lâu dài và khó khăn. Dù yêu cầu thiết kế có thể khác nhau, chẳng hạn thiết
kế hộp tốc độ dùng bánh răng hay bộ phận trao đổi nhiệt, vệ tinh hay ta vặn khóa cửa …,
nhưng vẫn ln cần những cơng cụ nhất định dành cho bài tốn thiết kế cơ khí nói chung.
Các kỹ sư có thể sử dụng các cơng cụ này trong suốt tiến trình thiết kế nhằm đảm bảo ra
được kết quả tốt. Vậy tiến trình thiết kế và các cơng cụ cần áp dụng trong tiến trình thiết
kế là gì? Thêm nữa, nếu như con người đã thực hiện q trình thiết kế hàng ngàn năm
nay, đã có hàng triệu sản phẩm cơ khí đã và đang làm việc tốt, tại sao cần phải nghiên cứu
quá trình thiết kế cơ khí nữa?
Nhu cầu về sản phẩm mới, có chất lượng tốt và giá cả cạnh tranh luôn tăng tỷ lệ
cùng với sự phát triển của xã hội. Hơn nữa, sản phẩm ngày nay ngày càng đa dạng, yêu
cầu một số lượng người ở các chuyên môn khác nhau cùng hợp tác thực hiện từ ý tưởng
đến tạo ra các sản phẩm thực. Để cạnh tranh và tồn tại trên thị trường, các công ty phải
thực hiện thật hiệu quả công tác thiết kế và phát triển sản phẩm của mình. Vì vậy, học
phương pháp thiết kế và thực hành thiết kế là hết sức cần thiết cho một kỹ sư cơ khí tương
lai.
Mục đích của giáo trình này nhằm mang đến cho người học các công cụ để thực
hiện một tiến trình thiết kế có hiệu quả đối với một sản phẩm. Trong chương này, các đặc
trưng quan trọng nhất của tiến trình thiết kế cùng với trình tự giải quyết sẽ được giới
thiệu. Các đặc trưng này tập trung chủ yếu vào giải quyết các bài toán thiết kế cơ khí,
nhưng cũng có thể áp dụng với tất cả các bài tốn thiết kế khác.
Sự thành cơng hay thất bại của một sản phẩm phụ thuộc vào ba yếu tố quan trọng
là: Thiết kế, sản xuất và tiêu thụ sản phẩm (xem minh họa trên hình 1.1).

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 3

Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất
KINH DOANH

Thị trường
đích

Quảng cáo

Dự đốn thị trường
Mẫu mã
sản phẩm

Thơng tin phân
phối

Giá bán

Chức
năng
Q trình gia công

Giá thành/ rủi ro

Vật liệu
Hệ thống Sản
xuất

THIẾT KẾ

Kế hoạch, các
nguồn tài
nguyên

Thiết bị
SẢN XUẤT

Hình 1.1. Các yếu tố điều khiển được trong quá trình phát triển sản phẩm

Yếu tố thứ nhất: Thiết kế sản phẩm, tập trung chủ yếu vào chức năng của sản
phẩm. Chức năng sản phẩm là sự mô tả vấn đề “sản phẩm làm được gì” cho người sử
dụng. Các yếu tố có liên quan trực tiếp đến chức năng của sản phẩm là mẫu mã sản phẩm,
vật liệu và q trình gia cơng sản phẩm.
-

Mẫu mã (Form) của sản phẩm bao gồm: Cấu trúc, hình dạng, màu sắc, cách bố
trí và các yếu tố liên quan đến cấu trúc khác.
Vật liệu và quá trình sản xuất.

Như minh họa ở hình 1.1, cả bốn yếu tố: Chức năng, mẫu mã, vật liệu và quá trình
sản xuất là bốn yếu tố quan trọng mà người thiết kế cần quan tâm.
Mẫu mã và chức năng của sản phẩm cũng rất quan trọng đối với vấn đề tiêu thụ sản
phẩm bởi vì quyết định mua hay khơng mua của khách hàng phụ thuộc chủ yếu vào: Sản
phẩm làm được gì (chức năng) và trơng nó như thế nào (mẫu mã). Như minh họa trên hình
1.1, các yếu tố chức năng và mẫu mã có đường liên kết trực tiếp đến yếu tố thị trường. Thị
trường là một yếu tố quan trọng của vấn đề tiêu thụ sản phẩm. Việc sản xuất sản phẩm
phải mang lại lợi nhuận – để đạt được doanh số dự kiến. Hãy lưu ý điểm giao nhau giữa
hai hình ơvan “Thiết kế” và “Sản xuất” chính là “q trình gia cơng”. Việc lựa chọn vật
liệu và mẫu mã sản phẩm có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình gia cơng, từ đó có ảnh hưởng
quyết định đến giá thành và giá bán sản phẩm.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 4


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Môn học này tập trung chủ yếu vào tiến trình thiết kế cơ khí, nhưng cũng sẽ quan
tâm đến các yếu tố thương mại và sản xuất sản phẩm liên quan đến vấn đề thiết kế. Nói
chung, tiến trình thiết kế có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành, chất lượng và thời gian đưa
ra thị trường của sản phẩm.
Tiến trình thiết kế và sản phẩm:
Hiệu quả của tiến trình thiết kế sản phẩm được đánh giá qua ba yếu tố: Giá thành,
chất lượng và thời gian đưa ra thị trường. Mọi khách hàng đều mong muốn có sản phẩm rẻ
hơn (chi phí thấp hơn), tốt hơn (chất lượng cao hơn) và nhanh hơn (tốn thời gian ít hơn).

Hình 1.2. Tỷ lệ trong giá thành sản phẩm

Thống kê số liệu của công ty ô tơ Ford cho thấy, chi phí cho hoạt động thiết kế chỉ
chiếm khoảng 5% giá thành sản phẩm. Chi phí thiết kế của các cơng ty nói chung là khác
nhau, tuy nhiên chi phí cho thiết kế ln chỉ chiếm một phần nhỏ của giá thành. Dù vậy,
ảnh hưởng của chất lượng thiết kế đến giá thành sản phẩm lớn hơn nhiều so với mức 5%
(hình 1.2).
Một ví dụ khác là công ty Xerox. Vào những năm 1960 - 1970, hãng Xerox là hãng
chiếm lĩnh phần lớn thị phần máy photocopy. Nhưng sau đó, đến 1980, có khoảng 40 nhà
sản xuất máy photô trên thị trường và thị phần của hãng Xerox sụt giảm đáng kể. Nguyên
nhân chính của sự sụt giảm này chính là giá thành sản phẩm của hãng quá cao. Thực tế,
các hãng khác có thể bán máy photơ có tính năng tương đương mà giá lại thấp hơn của
Xerox. Một nghiên cứu chỉ ra rằng các cơng ty Nhật có thể sản xuất linh kiện với chi phí

chỉ bằng 50% so với Xerox. Trong 50% tiết kiệm được thì có tới 25% có được từ việc thiết
kế rất tốt các linh kiện.
Dù rằng chi phí thiết kế chỉ chiếm một tỷ trọng rất nhỏ trong giá thành sản phẩm,
nhưng các quyết định đưa ra trong quá trình thiết kế có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành
sản phẩm.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 5


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Kết quả của quá trình thiết kế cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm. Để
hiểu rõ chất lượng sản phẩm là gì, có thể tham khảo ví dụ sau. Trong một báo cáo điều tra
ý kiến của khách hàng, câu hỏi có dạng “cái gì quyết định chất lượng sản phẩm?” đã được
thống kê như trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Các yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm

Yếu tố
Thực hiện được chức năng cần
thiết
Thời gian phục vụ
Dễ bảo dưỡng
Hình thức, kiểu dáng hấp dẫn
Tích hợp cơng nghệ mới nhất

Năm 1989

Năm 2002

4,99 (1)

4,58 (1)

4,74 (2)
4,65 (3)
2,95 (4-5)
2,95 (4-5)

3,93 (5)
3,29 (5)
3,58 (3-4)
3,58 (3-4)

Chú thích:
-

Cấp độ 5: Rất quan trọng
Cấp độ 1: Khơng quan trọng
Số trong ngoặc là chỉ số xếp hạng.

Nhiều năm trước đây, người ta thường quan niệm rằng cần có sự đánh đổi giữa
chất lượng với giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, các kinh nghiệm gần đây cho thấy, vẫn có
thể nâng cao chất lượng đồng thời với việc giảm giá thành sản phẩm. Các ví dụ và thảo
luận về vấn đề này sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo.
1.1.2. Lịch sử của tiến trình thiết kế
Trước đây, một cá nhân có thể đảm nhận vai trị vừa thiết kế, vừa chế tạo hoàn
chỉnh một sản phẩm nhất định. Thậm chí với cả một đề án lớn như thiết kế một con tàu hay
một cây cầu, một cá nhân cần có đủ kiến thức về vật lý, cơ học, vật liệu, và kiến thức chế

tạo để quản lý tất cả các mặt của tiến trình thiết kế và triển khai đề án.

Khách hàng

Marketing

Thiết kế kỹ
thuật

Thiết
Sản
xuấtkế
kỹ thuật

Hình 1.3. Phương pháp thiết kế “quẳng qua tường”

Đến giữa thế kỷ 20, sản phẩm và quy trình sản xuất rất phức tạp hơn rất nhiều. Khi
này, tầm hiểu biết và thời gian để tập trung vào tất cả các khía cạnh của sản phẩm vượt
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 6


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

quá khả năng của một cá nhân. Do đó, các nhiệm vụ tiếp thị, thiết kế, sản xuất và quản lý
chung được phân chia theo các nhóm khác nhau. Tiến trình này dẫn đến một cách thức
mới: “thiết kế quẳng qua tường” – “over the wall design process”. (hình 1.3).
Kiểu phân chia nhiệm vụ theo nhóm có một số nhược điểm. Chẳng hạn, nhóm thiết
kế khơng thể hiểu hết tất cả những gì khách hàng mong muốn thơng qua thơng tin nhận

được từ nhóm tiếp thị, nhóm thiết kế khơng thể hiểu được hết quá trình sản xuất như các
chuyên gia sản xuất. Kết quả là có thể xảy ra tình trạng thiết kế sai do hiểu sai vấn đề, hoặc
là sản phẩm thiết kế nằm ngoài khả năng chế tạo của thiết bị sẵn có.
Vào cuối thập niên 70 đầu thập niên 80, khái niệm kỹ thuật đồng thời ra đời khắc
phục được các nhược điểm trên. Kỹ thuật đồng thời được hoàn thiện với việc bố trí đại
diện của nhóm chế tạo tham gia vào thiết kế. Mục đích là phát triển và triển khai quá trình
chế tạo một cách đồng thời. Hiện nay, thuật ngữ “kỹ thuật đồng thời” (concurrent
engineering) được sử dụng phổ biến.
Tiếp sau đó (những năm 1990), các khái niệm chế tạo dốc (lean manufacturing) và
chế tạo “6 sigma” trở nên phổ biến và bắt đầu ảnh hưởng đến lĩnh vực thiết kế.
1.1.3. Vịng đời sản phẩm

Hình 1.4. Vịng đời sản phẩm
Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Thái Nguyên

Trang 7


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Mỗi sản phẩm đều tồn tại theo một thời gian, được gọi là “vòng đời sản phẩm”, như minh
họa trên hình 1.4. Trên hình vẽ, mỗi hộp minh họa cho một giai đoạn của vịng đời sản
phẩm. Các giai đoạn chính của vịng đời sản phẩm bao gồm 4 nhóm sau:
-

-

-

-

Nhóm thứ nhất liên quan đến việc phát triển sản phẩm. Đây là nhiệm vụ trọng tâm
của công tác thiết kế. Các công đoạn của giai đoạn này là:
o Xác định nhu cầu khách hàng;
o Lập kế hoạch thiết kế;
o Xác định các đặc tính kỹ thuật quan trọng đáp ứng nhu cầu sử dụng;
o Phát triển ý tưởng thiết kế;
o Phát triển ý tưởng thành thiết kế chi tiết sản phẩm
Nhóm thứ hai liên quan đến sản xuất và phân phối sản phẩm; bao gồm các công
đoạn sau:
o Sản xuất / gia công sản phẩm;
o Lắp ráp hoàn chỉnh;
o Phân phối / bán hàng;
o Cài đặt, hướng dẫn sử dụng.
Nhóm thứ ba liên quan đến việc sử dụng sản phẩm; bao gồm các giai đoạn con lặp
lại theo chu kỳ sau đây:
o Sử dụng / vận hành;
o Lau chùi; kiểm tra; bảo dưỡng;
o Chẩn đốn, bảo trì;
o Sửa chữa
Nhóm thứ tư là nhóm xử lý sản phẩm đã qua sử dụng. Các công việc liên quan bao
gồm:
o Thanh lý sản phẩm;
o Tháo bỏ / tháo rời sản phẩm;
o Tái chế hoặc tái sử dụng.

1.1.4. Bài tốn thiết kế
Trước hết, xét ví dụ về một vấn đề kỹ thuật đặt ra: Xác định kích thước bulông để kẹp chặt
hai tâm thép 1045, mỗi tấm dày 4 mm và rộng 6 mm, chịu lực 100N (hình 1.5). Dễ thấy
bài tốn này chỉ có một lời giải là đường kính bulơng được xác định theo điều kiện bền

(xem giáo trình Chi tiết máy).

Hình 1.5. Bài tốn tính tốn kích thước bu lơng
Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Thái Nguyên

Trang 8


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Bây giờ ta xét một vấn đề tương tự: “Xác định mối ghép cần thiết để kẹp chặt hai
tấm thép 1045, mỗi tấm dày 4 mm và rộng 6 mm, chịu lực 100 N”. Ở bài tốn này, có
nhiều phương án khả dĩ như: Ghép bằng bu lông, ghép bằng hàn, đinh tán,... Để lựa chọn
lời giải phù hợp, có thể cần dựa vào các điều kiện khác như: Yêu cầu về mức độ tháo lắp
thường xuyên, nhiệt độ môi trường làm việc, độ tin cậy yêu cầu, khả năng đáp ứng của các
thiết bị cần thiết...
Nhận thấy, bài tốn thứ hai khơng chỉ có một lời giải đúng như với bài tốn thứ
nhất. Trong thực tế, hầu hết các bài toán thiết kế đều có rất nhiều lời giải đúng. Trong hầu
hết các tình huống, rất khó để xác định đâu là “lời giải tốt nhất”. Tuy nhiên, cần xác định
lời giải hợp lý nhất căn cứ tình hình cụ thể phù hợp với yêu cầu về chất lượng, thời gian
và các nguồn tài ngun khác.
Các bài tốn thiết kế cơ khí ln có địi hỏi lời giải để có thể đưa ra một sản phẩm
thực. Tiến trình thiết kế cơ khí có thể bắt đầu với địi hỏi đơi khi chưa thật rõ ràng (illdefined need) nhưng phải mang lại một sản phẩm thực. Điều này nghe có vẻ như một
nghịch lý. Nhà thiết kế phải tạo ra một sản phẩm có các chức năng thỏa mãn các yêu cầu
đặt ra, dù rằng nhiều khi yêu cầu đặt ra còn chưa thật rõ ràng.
1.1.5. Các hoạt động cơ bản để giải quyết vấn đề thiết kế
Bất luận bài toán thiết kế cơ khí địi hỏi giải quyết vấn đề gì, ta cũng cần thực hiện sáu
bước cơ bản sau:
1. Xác định nhu cầu hoặc phát biểu vấn đề cần giải quyết.
2. Lập kế hoạch giải quyết vấn đề.

3. Làm rõ vấn đề bằng thơng qua phân tích các u cầu và tìm hiểu các lời giản của
các vấn đề tương tự.
4. Đề xuất các phương án giải quyết khác nhau.
5. Đánh giá các phương án bằng cách so sánh chúng với yêu cầu thiết kế.
6. Quyết định các lời giải có thể chấp nhận được được.
1.2. Thiết kế sản phẩm cơ khí
1.2.1 Giới thiệu
Trong lịch sử, quy tắc thiết kế cơ khí chỉ yêu cầu kiến thức về cơ khí và lắp ráp. Tuy
nhiên vào đầu thế kỉ 20, các thành phần điện – điện tử đã được giới thiệu trong các thiết bị
cơ khí. Trong suốt chiến tranh thế giới thứ II, vào những năm 1940 hệ thống điều khiển
điện tử đã trở thành một phần của hệ thống cơ khí. Do có sự thay đổi này, người thiết kế
thường phải lựa chọn giữa hệ thống cơ khí thuần túy và hệ thống cơ – điện – điện tử. Các
hệ thống điện tử đã phát triển từ các chức năng và hàm logic rất đơn giản cho tới sự kết
hợp của máy tính và các hàm logic phức tạp. Các sản phẩm cơ - điện hiện nay bao gồm rất
nhiều bộ vi xử lý. Ví dụ, máy ảnh, máy photocopy văn phịng, ơ tơ, và nhiều thứ khác…
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 9


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Hệ thống gồm các thành phần cơ khí, điện tử và các phần mềm thường được gọi là các
thiết bị cơ điện tử. Khó khăn cho việc thiết kế các thiết bị này chính là sự tách biệt giữa
các thành phần và kiến thức về quá trình thiết kế chồng chéo thuộc ba lĩnh vưc cơ khí, điện
và điện tử, mà mỗi một lĩnh vực đều có những quy tắc thiết kế riêng và khác biệt. Tuy
nhiên, dù các máy tính, các thiết bị điều khiển, điện tử có hồn hảo thế nào đi chăng nữa,
thì hầu như tất cả các sản phẩm đều đòi hỏi phải thực hiện các chức năng cơ học và phải có
phần giao diện với con người. Hơn nữa, mọi sản phẩm điều cần được chế tạo bằng gia
công cơ khí rồi lắp ráp lại với nhau thành một thiết bị hồn chỉnh. Do vậy, các sản phẩm

có tính năng thông minh thế nào chăng nữa cũng cần được thiết kế ở góc độ cơ khí.
Để tìm hiểu các thành phần cơ khí quan trọng trong hệ thống, xét 2 ví dụ như dưới
đây.
Ví dụ 1. Bàn kẹp Irwin Quick-Grip
Irwin là một trong những nhà sản xuất lớn về thiết bị kẹp cầm tay. Điều kỳ diệu của
bàn kẹp nhanh cầm tay (hình 1.6) là nó có thể được vận hành chỉ bằng một tay. Với một
tay người trung bình, vừa cầm vừa tác dụng lực bóp bình thường là có thể tạo ra hơn 250
kg lực kẹp chi tiết. Thêm nữa, nó có thể lực kẹp theo hướng ngược về hai phía nếu đảo
chiều một má kẹp.

Hình 1.6. Bàn kẹp nhanh Irwin

Irwin đã giới thiệu sản phẩm này vào năm 2006 và bán được hàng chục ngàn sản
phẩm trong một tháng. Chức năng của bàn kẹp này là gì? Bạn có thể đốn xem nó bao
gồm các chi tiết cơ khí nào và hoạt động ra sao? Chúng ta sẽ khảo sát chi tiết chức năng
của các bộ phận của bàn kẹp này trong chương sau.
Ví dụ 2. Xem xét chiếc xe tự hành NASA Mars Exploration Rover (MER) được phát triển
bởi Cal Tech's Jet Propulsion Laboratory (JPL). Trái ngược hồn tồn với sản phẩm cơ khí
thuần túy với lượng sản phẩm được bán ra cao như Quick-Grip, chỉ có 02 MER (có tên là
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 10


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Spirit và Opportuninity) được sản xuất. Tuy nhiên, người ta đánh giá rất cao các đặc tính
cơ điện tử của nó.

Hình 1.7. Mơ hình MER (nguồn: wikipedia)

Hai thiết bị MERs phóng lên sao Hỏa vào ngày 10/06 và 07/07 năm 2003 để tìm
kiếm câu trả lời về sự tồn tại của nước trên sao Hỏa. Chúng đáp xuống sao Hỏa vào ngày
03/01 và 24/01 năm 2004. Chúng được thiết kế hoạt động trong 90 Sol (ngày Sao hỏa, dài
hơn ngày trái đất khoảng 40 phút). Thực tế, chúng đã hoạt động cho đến năm 2008, kéo
dài hơn 1300 Sol (khoảng 3 năm rưỡi) so với tuổi đời được thiết kế. Đặc biệt, xe tự hành
có tên Opportunity đã tự đi được hơn 11 km trong 5 năm hoạt động của nó.
Mỗi Rover là một rôbốt sáu bánh, hoạt động nhờ năng lượng mặt trời. Rôbốt này cao
1,5m; rộng 2,3m và dài 1,6m. Trên mặt đất, chúng nặng 180kg (400lb), trong đó khối
lượng hệ thống bánh xe và cơ cấu treo là 35 kg. Lưu ý rằng lực trọng trường trên sao Hỏa
chỉ bằng 38% so với trên trái Đất. Do vậy, rôbốt chỉ nặng 68,4 kg trên sao Hỏa.
Thơng thường, trong q trình thiết kế, trước tiên ta cần quan tâm đến chức năng
chính của hệ thống cần thiết kế và sau đó, tiến hành phân tích các chức năng con. Sau khi
chức năng được phân tích ra thành các chức năng riêng biệt nhất có thể được, tiến hành đề
xuất/ lựa chọn cách thức lắp ráp và các bộ phận chi tiết phân tích để đạt được các chức
năng nhỏ này.
Chẳng hạn, hệ thống đẩy của MER cần bao gồm hai hệ thống con là động cơ và bộ
truyền dẫn. Bánh xe là một chi tiết trong hệ thống đó. Các hệ thống, hệ thống con hay các
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 11


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

chi tiết đều có các thuộc tính xác định tính chất quan trọng của chúng, chẳng hạn như: kích
thước, đặc tính vật liệu, các chức năng con. Với hệ thống đẩy của MER, một thuộc tính
quan trọng là cần đảm bảo di chuyển được tồn bộ xe với tốc độ 5 cm/s. Cịn thuộc tính
của hệ thống truyền dẫn cơ khí là tỷ số truyền bằng 1500:1. Thuộc tính của bánh xe MER
bao gồm đường kính, dạng lốp xe và tính linh hoạt của nó…

Lưu ý rằng có nhiều hệ thống có các hệ thống con gồm cả hai thành phần điện và cơ
khí. Hệ thống điện thường cung cấp năng lượng, cảm biến có chức năng điều khiển. Chức
năng của hệ thống điện được thực hiện bởi các mạch điện, có thể được chia ra thành các
thành phần điện như: các công tắc hay bộ phận chuyển mạch, các bóng bán dẫn và IC. Số
lượng các linh kiện điện tử cũng xấp xỉ với số lượng các phần tử cơ khí.
1.2.2. Các đặc trưng của sản phẩm
Khi xem xét một sản phẩm cơ khí, ta thường tự đặt ra và trả lời các câu hỏi như:
Chức năng của sản phẩm là gì (để làm gì)? Sản phẩm làm việc theo cách thức như thế nào?
Liệu sản phẩm có vận hành như mong muốn không? Để giải đáp ba câu hỏi này, cần hiểu
rõ ba đặc trưng quan trọng là chức năng (Function), ứng xử (Behavior) và hiệu quả vận
hành (Performance) của sản phẩm.
Trong kỹ thuật cơ khí, thuật ngữ chức năng thường được sử dụng để mơ tả những gì
mà một thiết bị có thể làm được. Các thiết bị cơ khí thường được phân loại, thậm chí gọi
tên theo chức năng của chúng. Trong thực tế, một số thiết bị chỉ có một chức năng chính
và chúng được đặt tên theo chức năng chính đó. Chẳng hạn, tên gọi “chìa vặn” được đặt
cho thiết bị có chức năng “vặn” các đối tượng khác.
Ứng xử của một sản phẩm là sự đáp ứng của hệ thống khi được điều khiển hoặc cung
cấp năng lượng. Ứng xử có thê được mơ phỏng hoặc đo đạc. Trái lại, chức năng chỉ có thể
được mơ tả như một kết quả của hoạt động của sản phẩm như mong muốn.
Hai thuật ngữ “chức năng” và “ứng xử” nhiều khi bị sử dụng lẫn lộn với nhau, mặc
dù chúng thực sự khác nhau. Hình 1.8 minh họa sự khác biệt này. Khi ta thiết kế sản phẩm
(hình a), các yêu cầu đầu vào là biết trước, nhưng sản phẩm thực hiện được yêu cầu đó là
chưa có (đang được thiết kế); do vậy chức năng của sản phẩm đóng vai trị như một kết
quả (đầu ra) mong muốn của người thiết kế. Còn với sản phẩm đã thiết kế và chế tạo hoàn
chỉnh, ta mới đánh giá được ứng xử của nó (hình b). Khi này, hiệu quả vận hành chính là
một kết quả đầu ra thực sự.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 12

Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Sản phẩm được thiết kế

Yêu cầu

Hiệu quả mong muốn

(a) Chức năng
Yêu cầu

Thuộc tính vật lý của hệ
thống

Hiệu quả thực tế

(b) Ứng xử
Hình 1.8. Chức năng và ứng xử

Hiệu quả vận hành của một sản phẩm là một sự đánh giá tổng hợp của cả chức năng
và ứng xử của hệ thống. Nói các khác, kết quả vận hành đánh giá sản phẩm hoạt động tốt
đến mức nào so với mong muốn khi thiết kế. Thuật ngữ “tốt” hay “có chất lượng” thường
được dùng để mô tả hiệu quả vận hành. Chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về các thuật ngữ này
trong các phần tiếp theo.
1.2.3. Ngơn ngữ thiết kế cơ khí
Có thể dùng nhiều ngôn ngữ khác nhau để mô tả một đối tượng cơ khí. Chẳng hạn,
ta có thể dùng thuật ngữ “bulông” và các thuật ngữ bổ sung khác (chẳng hạn, đường kính,
bước ren, chiều dài,...) ngơn ngữ khác để mơ tả một chi tiết dùng để kẹp chặt. Cũng có thể

sử dụng một bản vẽ kỹ thuật để mô tả chi tiết đó. Ngồi ra cũng có thể sử dụng các công
thức biểu diễn lực và ứng suất sinh ra trong bulơng. Thêm nữa, có thể dùng chính chi tiết
đó khi trình diễn.
Nói chung, có bốn dạng “ngơn ngữ” biểu diễn có thể sử dụng để mơ tả một thiết bị
cơ khí:
-

-

Văn viết/ nói: là sự trình bày bằng lời nói hay bằng văn bản của đối tượng. Ví
dụ: “Bulơng” (một từ), “Ứng suất cắt trên bulơng chính là giá trị lực cắt chia
diện tích chịu cắt” (một câu).
Bản vẽ: Các bản vẽ 2D, 3D, hình chiếu trục đo, mơ hình khối rắn...
Phép phân tích (Analytical): Các phương trình, quy tắc hay quá trình đại diện
cho hình thức hay chức năng của đối tượng, ví dụ: τ = F/A.

-

Mơ hình vật lý: Các mơ hình mẫu hoặc chính bản thân đối tượng.

Trong hầu hết các bài toán thiết kế cơ khí, yêu cầu ban đầu thường được phát biểu
dưới dạng ngơn ngữ (viết hoặc nói). Lưu ý rằng kết quả của q trình thiết kế cơ khí là một
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 13


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

đối tượng thực. Do vậy, mức độ trừu tượng cần được cụ thể hóa theo tiến trình thiết kế.

Nói cách khác, ta cần chuyển đổi các dạng ngôn ngữ khác nhau về dạng ngôn ngữ kỹ thuật
để mô tả sản phẩm.
Bảng 1.1 minh họa các dạng ngôn ngữ và mức độ trừu tượng của chúng. Bảng 1.2
cho ví dụ về cách mơ tả một bu lông bằng các ngôn ngữ khác nhau và cấp độ trừu tượng
tương ứng.
Bảng 1.1. Cấp độ trừu tượng của các ngơn ngữ dùng trong thiết kế cơ khí
Ngơn ngữ

Trừu tượng

Trung bình

Cụ thể

Văn nói/ viết

Các từ ngữ định tính
(VD: dài/ngắn,
nhanh/chậm, sáng/ tối …

Mô tả chi tiết, tham khảo đến
các đối tượng thành phần

Sử dụng thêm các giá trị (Ví
dụ: dài 12 mm; chuyển động
2 m/s …)

Bản vẽ

Vẽ phác mô tả ý tưởng

Vẽ có tỷ lệ

Mơ hình khối rắn, có kích
thước, dung sai

Phép phân
tích

Quan hệ định tính

Tính nháp áng chừng (Backto-the-envelope calculation)

Các phép tính tốn cụ thể,
chính xác

Mơ hình

Khơng có

Mơ hình mẫu

Sản phẩm thực

Bảng 1.2. Cấp độ trừu tượng của các ngơn ngữ khi mơ tả một bu lơng
Ngơn ngữ
Văn nói/
viết

Trừu tượng

Một bu lơng

Trung bình

Cụ thể

Một bu lơng ngắn, bằng
thép

Một bu lơng khơng khe hở
M20, dài 50 mm; chiều dài có
ren là 25 mm.

Bản vẽ

Phép phân
tích

Ứng suất cắt

Mơ hình

-

τ = F/A 

τ = F/A 

-

Q trình bổ sung mơ tả một đối tượng từ trừu tượng đến cụ thể hơn được gọi là tinh
chế. Thiết kế cơ khí là một q trình cải tiến liên tục các yêu cầu cho đến các sản phẩm
cuối cùng. Ví dụ về thiết kế bulơng từ trái qua phải trong bảng 1.2 là một minh họa về quá
trình tinh chế. Trong hầu hết các tình huống thiết kế, sự bắt đầu của vấn đề xuất hiện ở góc
trên bên trái và sản phẩm cuối cùng ở phía dưới bên phải.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 14


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

1.2.3. Các dạng bài tốn thiết kế cơ khí
Theo truyền thống, thường phân loại các vấn đề cơ khí theo các lĩnh vực như: chất
lỏng, nhiệt động lực học, cơ học v.v… Trong việc phân loại các vấn đề thiết kế cơ khí,
cách tiếp cận theo định hướng này là không phù hợp. Xét một ví dụ đơn giản nhất là bài
tốn thiết kế lựa chọn (Selection design). Thiết kế lựa chọn có nghĩa là ta cần quyết định
chọn một hay vài chi tiết từ một danh sách nhằm đảm bảo chi tiết được lựa chọn sẽ đáp
ứng được các yêu cầu đã đặt ra. Dễ thấy dù là lựa chọn một ổ lăn trong bảng tra của hãng
sản xuất, hay lựa chọn một thấu kính cho một thiết bị quang học, lựa chọn cánh quạt hoặc
bộ trao đổi nhiệt thích hợp cho một thiết bị làm mát,… thì quá trình giải quyết các vấn đề
này cơ bản là giống nhau mặc dù các quy tắc rất khác nhau. Mục tiêu của phần này là để
mô tả các loại khác nhau của các vấn đề thiết kế một cách độc lập, không lệ thuộc đó là
vấn đề thuộc lĩnh vực nào.
a. Thiết kế lựa chọn
Thiết kế lựa chọn liên quan đến việc lựa chọn một hoặc nhiều chi tiết từ một danh
mục các thiết bị tương tự nhau. Nghe thì có vẻ đơn giản nhưng nếu danh mục đó chứa
nhiều chi tiết có các tính năng khác nhau nhưng đều đáp ứng yêu cầu đặt ra, có thể sẽ dẫn
đến việc ra quyết định sẽ khó khăn lên nhiều. Chẳng hạn, khi chọn một ổ lăn, rất có thể có

nhiều ổ lăn cùng đáp ứng yêu cầu về khả năng chịu lực, độ bền, kích thước trục. Ta cần sử
dụng thêm các điều kiện khác như giá thành, tính sẵn có, điều kiện che kín- bơi trơn …
mới có thể ra được một quyết định phù hợp.
b. Thiết kế cấu trúc (Configuration Design)
Ở các bài toán thiết kế cấu trúc, tất cả các bộ phận, chi tiết đã được thiết kế hoàn
chỉnh nhằm đạt được chức năng vận hành; bài toán đặt ra là làm thế nào để xác định liên
kết và thiết kế cách thức lắp ráp chúng thành sản phẩm hoàn chỉnh. Về cơ bản, kiểu thiết
kế này tương tự như chơi với một bộ đồ chơi xây dựng, hoặc sắp xếp đồ nội thất trong
phòng khách.
Thiết kế cấu trúc trả lời cho câu hỏi: Làm thế nào ta có thể lắp ráp tất cả các chi tiết,
bộ phận của thiết bị đảm bảo được các yêu cầu đề ra? Một phương pháp để giải quyết vấn
đề này là
lựa chọn ngẫu nhiên một chi tiết từ danh sách và đặt nó vào vị trí mà tại đó, tất cả các ràng
buộc cho nó đều được đáp ứng. Có thể bắt đầu với chi tiết đặt ở giữa, sau đó lựa chọn và
đặt bộ phận thứ hai, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi xuất hiện mâu thuẫn giữa một
hoặc tất cả các bộ phận trong hệ thống. Nếu xuất hiện mâu thuẫn chúng ta sẽ quay trở lại
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 15


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

và thử lại. Đối với nhiều bài tốn thiết kế cấu hình, các chi tiết cần lắp ráp với nhau đơi khi
có thể có nhiều lựa chọn về kích thước, hình dáng, chức năng. Điều này dẫn đến phương
án bố trí kết cấu và và thiết kế lắp ráp trở nên phức tạp hơn. Các phương pháp thiết kế đáp
ứng yêu cầu lắp ráp sẽ được thảo luận trong chương sau.
c. Thiết kế tham số (Parametric Design)
Việc thiết kế tham số liên quan đến việc tìm kiếm giá trị cho các tính năng đặc trưng
của đối tượng đang được nghiên cứu. Điều này có vẻ dễ dàng, chỉ cần tìm một số giá trị

đáp ứng các yêu cầu. Tuy nhiên, hãy xem xét một ví dụ đơn giản. Chúng ta sẽ thiết kế một
bể chứa hình trụ có thể tích là 4m3. Bể chứa này được mơ tả bởi các thơng số bán kính r và
chiều dài l; khi đó thể tích của bình chứa được xác định theo công thức sau:
V = π.r2.l
Với yêu cầu đặt ra là thể tích V= 4m3, từ đó suy ra r2.l= 1,273
Dễ thấy rằng sẽ có một số lượng vơ hạn các giá trị bán kính và chiều dài thỏa mãn
phương trình này. Vậy lựa chọn các tham số r và l như thế nào? Câu trả lời sẽ không thể rõ
ràng nếu chỉ đơn thuần sử dụng các thông tin yêu cầu đã đưa ra. Vấn đề này sẽ được giải
quyết cụ thể trong các chương sau.
Chúng ta hãy tìm hiểu khái niệm rộng hơn nữa. Thay vì một phương trình đơn giản,
có thể tập hợp nhiều phương trình và các yêu cầu để chi phối việc thiết kế. Hãy xét trường
hợp một nhà máy sản xuất phải thiết kế bộ cấp giấy cho máy photocopy mới. Bộ cấp giấy
là một tập hợp các con lăn, bánh lái và vách ngăn di chuyển một mảnh giấy từ vị trí này
đến vị trí khác trong máy photocopy. Có rất nhiều tham số như số lượng con lăn, vị trí,
hình dạng các vách ngăn, và các đặc điểm cụ thể về kích thước và trọng lượng của một tờ
giấy, chưa kể đến thông số về điểm bắt đầu và điểm kết thúc của tờ giấy, các chướng ngại
vật hay các thành phần khác ở trong máy phải được làm sạch cũng cần được quan tâm. Để
có thể thiết kế, cần phát triển một tập hợp các phương trình và các quy tắc nhằm xác định
được giá trị cho các thông số trong sản phẩm mới.
d. Thiết kế nguyên thủy (Original Design)
Thiết kế nguyên thủy là thiết kế nhằm tạo ra một quá trình, một cách thức lắp ráp
hoặc một bộ phận hay thiết bị trước đây chưa từng tồn tại. Thiết kế ngun thủy địi hỏi
tính sáng tạo rất cao của các nhà thiết kế. Dù rằng thiết kế nguyên thủy ít gặp trong thực tế,
nhưng ngay cả trong các bài toán thiết kế lựa chọn, thiết kế lắp ráp hay thiết kế lại, vẫn
chứa đựng một phần nhỏ thiết kế nguyên thủy – thiết kế mới.
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 16

Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

e. Thiết kế lại (Redesign)
Hầu hết các vấn đề thiết kế được giải quyết trong ngành công nghiệp là cho thiết kế
lại một sản phẩm hiện có. Giả sử một cơng ty đã sản xuất loại xi lanh thủy lực 0,25 m.
Nếu khách hàng cần một xi-lanh dài 0,3 m, nhà sản xuất có thể thiết kế sản phẩm mới bằng
cách kéo dài xy lanh thêm 0,05 m, đồng thời thay đổi chiều dày piston để đáp ứng yêu cầu
của khách hàng. Những thay đổi này có thể yêu cầu thay đổi tham số duy nhất là chiều dài
của xy lanh và piston, nhưng cũng có thể cần thay đổi các thơng số khác. Chẳng hạn, nếu
phôi piston hay phôi xy lanh không không có sẵn độ dài cần thiết mới, hoặc xylanh nạp
quá chậm so với chiều dài pittong kéo thêm, công tác thiết kế sẽ cần thực hiện nhiều thay
đổi hơn. Đây là một ví dụ về thiết kế lại, sửa đổi, bổ sung một sản phẩm hiện có để đáp
ứng yêu cầu mới.
Các bài toán thiết kế lại là các bài tốn có tính chất truyền thống. Các phương pháp,
thậm chí cách xác định, điều chỉnh các thông số thiết kế thường được tập hợp trong các sổ
tay dưới dạng một loạt các công thức hoặc các quy định, lời khuyên.
Xy lanh thủy lực có thể được coi như một ví dụ về một sản phẩm được thiết kế
hoàn hảo – mature design – sản phẩm được sản xuất giữ nguyên hình dáng, kết cấu trong
rất nhiều năm. Có rất nhiều ví dụ về các sản phẩm được thiết kế hồn hảo trong cuộc sống
hàng ngày của chúng ta như dụng cụ vót bút chì, máy đục lỗ, bàn dập ghim…. Đối với các
sản phẩm này, kiến thức về thiết kế gần như đã đạt đến mức hồn thiện và ít khi được thiết
kế lại.
Tuy nhiên, có những dạng thiết kế có thể coi là hồn thiện nhưng vẫn được cải tiến,
sửa đổi. Chẳng hạn thiết kế xe đạp là một ví dụ. Cấu hình cơ bản của xe đạp là hai đĩa
xích , hai bánh xe có đường kính bằng nhau, khung xe đạp, bộ dây xích. Xe đạp đã được
thiết kế lại ở cuối thế kỷ 19. Vào năm 1890, hầu hết các xe đạp có hình dáng như chiếc xe
của Humber và khá giống những xe đạp thông thường ngày nay.

Hình 1.9. Xe đạp của Otto (1870)
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 17


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Tuy vậy, vào thời điểm đó có nhiều mẫu xe được thiết kế lại với thay đổi khá nhiều.
Chiếc xe của Otto (Otto dycicle - hình 1.9) có hai bánh xe và bộ dây xích. Dễ thấy việc
điều khiển chiếc xe này quả là một thách thức.

Hình 1.10. Xe đạp leo núi Marine Mount Vision

Đến những năm 1980 các kiểu thiết kế xe đạp truyền thống lại thay đổi một lần nữa,
chẳng hạn xe đạp leo núi (hình 1.10), khung xe đạp khơng cịn bao gồm chỉ các hình tam
giác (Diamond shape) hay hình thang nữa. Tại sao việc thiết kế xe đạp lại phát triển một
lần nữa? Trước tiên, khách hàng luôn luôn tìm kiếm sự cải tiến. Chiếc xe thể hiện trong
hình 1.10 có thể đi ở các địa hình đồi núi tốt hơn chiếc xe trong hình 1.10. Thứ hai, có sự
cải tiến về sự thoải mái, gọn nhẹ, đặc biệt ở hệ thống treo của chiếc xe. Thứ ba, khách
hàng ln tìm kiếm thứ gì đó mới và thú vị ngay cả khi sự cải tiến là không nhiều. Thứ tư,
các bộ phận và việc láp ráp chiếc xe đều được cải tiến.
Một điểm nữa là ngay cả khi chiếc xe đạp đã được cải tiến để đáp ứng nhu cầu mới,
để thu hút khách hàng hay tận dụng lợi thế của vật liệu mới, một phần thiết kế của chiếc xe
đạp mới nhất của hãng Marin Mount Vision làm là việc lệ thường nhưng vẫn giữ một phần
bản gốc. Ngồi ra, có nhiều vấn đề nhỏ như vấn đề tham số, vấn đề lựa chọn, vấn đề cấu
hình….Vì vậy việc thiết kế lại một sản phẩm, thậm chí là một sản phẩm hồn chỉnh có thể
u cầu một loạt các hoạt động thiết kế.
Lưu ý: Hầu hết các bài tốn thiết kế là thiết kế lại, bởi vì lời giải của chúng đều dựa
trên các giải pháp, nguyên lý tương tự đã có. Tuy vậy, hầu hết các thiết kế cũng là các thiết
kế nguyên thủy, bởi chúng luôn chứa đựng những thành phần, cấu trúc mới. Chính những
thành phần, cấu trúc mới này đã chứng minh rằng kết cấu cũ là không phù hợp.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 18


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

f. Thiết kế biến thể (Variant Design)
Đôi khi các công ty sẽ sản xuất một số lớn các biến thể của sản phẩm được sản xuất.
Một biến thể là một sản phẩm tùy chỉnh được thiết kế để đáp ứng các nhu cầu khác nhau
của khách hàng. Ví dụ, khi bạn đặt một máy tính mới từ các cơng ty như Dell, bạn có thể
chỉ định một card đồ họa, hai pin cấu hình, ba tùy chọn giao tiếp và hai cấp độ của bộ nhớ.
Bất kỳ tổ hợp nào trong số này là một phiên bản đặc biệt được điều chỉnh theo nhu cầu của
bạn. Ngồi ra, hãng xe Volvo ước tính rằng 50.000 bộ phận của hãng trong kho hàng tồn
kho năm sẽ cung cấp cho hơn 5000 biến thể khác nhau được lắp ráp để đáp ứng yêu cầu
của khách hàng.
g. Thiết kế khái niệm và thiết kế sản phẩm (Conceptual Design and Product Design)
Hai thuật ngữ khác nhau sẽ được sử dụng trong suốt giáo trình là thiết kế khái niệm
(Conceptual Design) và thiết kế sản phẩm (Product Design). Đây là những thuật ngữ bao
trùm cho hai phần của quá trình phát triển sản phẩm. Trước tiên, chức năng và cấu trúc sản
phẩm được phát triển dưới dạng khái niệm – giai đoạn thiết kế khái niệm. Sau đó chúng
được tinh chỉnh, hoàn thiện để trở thành một sản phẩm thực (Thiết kế sản phẩm). Các hoạt
động phát triển khái niệm và các giai đoạn phát triển sản phẩm có thể sử dụng cách thiết kế
tham số, thiết kế lựa chọn, thiết kế lại hay thiết kế nguyên gốc khi cần thiết.
1.2.4. Các ràng buộc, mục tiêu và nguồn tài nguyên thiết kế
Quá trình thiết kế sản phẩm từ lúc thiết kế ban đầu cho đến khi ra sản phẩm cuối
cùng thường trải qua nhiều giai đoạn. Mỗi giai đoạn được đánh dấu bởi những quyết định
thiết kế. Mỗi quyết định thiết kế sẽ thay đổi trạng thái thiết kế. Các trạng thái của một sản
phẩm là một bản chụp về tất cả các thơng tin được biết về nó ở bất kỳ thời điểm nào trong
suốt quá trình thiết kế. Ban đầu các trạng thái thiết kế chỉ là các báo cáo về các vấn đề.

Trong quá trình này, trạng thái thiết kế là một tập hợp các kiến thức, bản vẽ, mơ hình, phân
tích và ghi chú từ lúc ban đầu cho đến khi được tạo ra.
Có hai quan điểm khác nhau trong việc nhìn nhận quá trình thiết kế tiến triển như thế
nào từ trạng thái thiết kế đến trạng thái thiết kế tiếp theo? Thứ nhất là sản phẩm được phát
triển bởi sự so sánh liên tục giữa trạng thái và mục tiêu thiết kế, đó là các yêu cầu cho sản
phẩm được đưa ra. Quan điểm này ngụ ý rằng tất cả các yêu cầu được đặt ra từ lúc đầu của
vấn đề thiết kế và sự khác biệt giữa chúng với các trạng thái thiết kế có thể dễ dàng nhìn
thấy. Sự khác nhau này chính là sự kiểm sốt q trình. Quan điểm này là cơ sở cho các
phương pháp sẽ được thảo luận trong chương 6.

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 19


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Một quan điểm khác của quá trình thiết kế là khi một vấn đề mới bắt đầu, các yêu
cầu thiết kế mới sẽ hạn chế các giải pháp khả thi của tất cả các thiết kế sản phẩm lúc trước.
Quá trình này tiếp tục các yêu cầu khác được thêm vào để giảm bớt các giải pháp thiết kế,
quá trình này liên tục cho đến khi chỉ còn một giải pháp thiết kế cuối cùng. Nói một cách
khác, thiết kế là sự phát triển kế tiếp và áp dụng các hạn chế hay ràng buộc cho đến khi chỉ
có một sản phẩm duy nhất.
Ngồi các yêu cầu trong vấn đề gốc, những ràng buộc được thêm vào trong quá trình
thiết kế bắt đầu từ hai nguồn. Đầu tiên là từ kiến thức của các nhà thiết kế đặc biệt là trong
lĩnh vực cơ khí. Nếu một nhà thiết kế nói “Tơi biết siết chặt các tấm kim loại với nhau
bằng bulơng” thì giải pháp cho phần này chỉ là nối bằng bulông. Nếu các nhà thiết kế có
kiến thức khác nhau, các giải pháp khác nhau được giới thiệu vào quá trình thiết kế làm
cho mỗi giải pháp thiết kế có một vấn đề nhất định. Loại ràng buộc thứ hai bổ sung vào
quá trình thiết kế là kết quả của quyết định thiết kế. Nếu một nhà thiết kế nói “ tơi sẽ sử

dụng bulơng có đường kính 1cm để xiết chặt hai tấm kim loại với nhau”, giải pháp là hạn
chế đường kính bulơng đến 1cm, một hạn chế mà có thể ảnh hưởng đến nhiều quyết định
khác như dụng cụ để siết bulông, độ dày của vật liệu được sử dụng….Trong quá trình thiết
kế, một phần lớn các ràng buộc dựa trên các quyết định thiết kế. Như vậy khả năng thực
hiện đầy đủ các thông tin quyết định trong suốt quá trình thiết kế của các nhà thiết kế là
điều cần thiết. Kỹ thuật ra quyết định sẽ được thảo luận trong chương sau.
1.2.5. Tháo rời sản phẩm
Tháo rời sản phẩm đã có giúp cho nhà thiết kế tìm hiểu cấu trúc của sản phẩm và qua
đó, cung cấp kiến thức cơ sở cho công tác thiết kế. Điều này có ích cho cả thiết kế lại, thiết
kế ngun thủy và các dạng thiết kế khác. Tháo rời sản phẩm giúp hiểu rõ cấu trúc các bộ
phận, chi tiết, cách thức lắp ráp và chức năng của các chi tiết thành phần.
Giai đoạn đầu tiên khi tháo rời sản phẩm là nhằm tìm hiểu cấu tạo, vật liệu và
phương pháp chế tạo của các chi tiết. Bảng 1.3 trình bày ví dụ tháo rời để tìm hiểu cấu trúc
sản phẩm bàn kẹp nhanh Irwin. Việc phân tích chức năng của các chi tiết sẽ được tiến hành
sau đó, và được trình bày trong chương tiếp theo.

Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp – Thái Nguyên

Trang 20


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất
Bảng 1.3. Bảng kê sản phẩm được tháo rời
Tháo rời sản phẩm để tìm hiểu kết cấu
Mơn học: Phương pháp và tiến trình thiết kế

Ngày tháng năm:

Tên sản phẩm: Bàn kẹp nhanh Irwin
Mô tả chức năng và cách hoạt động: Bàn kẹp dùng để kẹp nhanh

chi tiết bằng tay. Xiết lẫy kẹp nhiều lần sẽ đẩy hai má kẹp tiến lại
gần nhau và tăng lực kẹp lên chi tiết được kẹp. Xiết lẫy nhả sẽ giải
phóng lực kẹp. Đảo chiều má kẹp và xoay vít trạng thái sẽ làm đổi
chiều lực kẹp.
STT

Tên chi tiết

Số lượng

Vật liệu

PP chế tạo

1

Thân bàn kẹp

1

PVC

Ép khn

2

Lẫy kẹp

1

PVC

Ép khn

3

…

…

…

…

Hình ảnh

…

1.2.6. Tóm tắt nội dung thiết kế cơ khí
-

Một sản phẩm có thể được phân tách thành các bộ phận theo chức năng. Các bộ
phận được lắp ráp từ các chi tiết, bao gồm các chi tiết cơ khí, mạch điện tử,...
Ba yếu tố quan trọng của một sản phẩm bao gồm: Chức năng, ứng xử và hiệu quả
vận hành;
Chức năng và ứng xử của một thiết bị cho biết thiết bị thực hiện cơng việc gì, kết
cấu của sản phẩm cho biết sản phẩm làm việc như thế nào;
Thiết kế cơ khí là cơng việc nhằm chuyển đổi các mơ tả về chức năng thành các mô
tả chi tiết về hình dạng kết cấu chi tiết của sản phẩm;
Một chi tiết có thể thực hiện nhiều chức năng; Một chức năng có thể yêu cầu nhiều

chi tiết cùng thực hiện;
Có nhiều dạng bài toán thiết kế khác nhau: Thiết kế lựa chọn, thiết kế cấu trúc,
thiết kế tham số, thiết kế nguyên thủy, thiết kế lại và thiết kế hoàn thiện;
Có bốn dạng ngơn ngữ dùng để mơ tả chi tiết cơ khí: Văn nói/viết, các bản vẽ, phép
phân tích và mơ hình vật lý;
Thiết kế cơ khí là một tiến trình liên tục, bao gồm nhiều giai đoạn được đánh dấu
bằng các quyết định. Các quyết định trong thiết kế có vai trị chuyển từ trạng thái
này sang trạng thái kế tiếp. Các quyết định thiết kế được thực hiện dựa trên cơ sở
so sánh giữa các lựa chọn khả dĩ với các yêu cầu thiết kế;
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 21


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

-

Quá trình thiết kế cơ khí là một tiến trình chuyển từ mơ tả trừu tượng thành mô tả
cụ thể và chi tiết sản phẩm cần thiết kế;
Tháo rời sản phẩm là một cách thức hiệu quả để tìm hiểu về và tham khảo cấu trúc
của các sản phẩm tương tự đã có.

1.3. Nhóm thiết kế
Trong thiết kế hiện đại, các thành viên cần cộng tác làm việc trong các nhóm, đội
thiết kế thay vì làm việc đơn lẻ như trước đây.
1.3.1. Cá nhân thiết kế
Để giải quyết một bài toán thiết kế, người thiết kế phải biết đưa ra các quyết định.
Các quyết định này dựa trên các thông tin được lưu trữ và xử lý trong bộ nhớ của người
thiết kế. Các mơ hình mơ phỏng bộ nhớ của con người cũng tương tự như bộ nhớ của máy

tính – bao gồm bộ nhớ ngắn hạn (tương tự bộ nhớ RAM) và bộ nhớ dài hạn (tương tự đĩa
cứng máy tính). Bộ nhớ ngắn hạn là bộ phận xử lý thông tin chính trong não của cá nhân
người thiết kế. Bộ nhớ dài hạn có đặc điểm là dường như khơng có giới hạn; đồng thời
thơng tin có thể được khơi phục nhanh chóng và ở nhiều mức độ khác nhau.
Để hỗ trợ cho bộ nhớ, người thiết kế sử dụng môi trường bên ngoài như một bộ nhớ mở
rộng. Điều này được thực hiện bằng cách ghi chép, phác thảo ý tưởng,...
Có ba yêu cầu cơ bản đối với một kỹ sư thiết kế như sau:
-

-

-

Nền tảng kiến thức khoa học: Khoa học tự nhiên, khoa học xã hội, nhân văn,... Các
kiến thức này giúp người thiết kế hiểu biết các hiện tượng tự nhiên và mơi trường,
hồn cảnh xung quanh mình để tìm lời giải cho bài tốn thiết kế đáp ứng các yêu
cầu về khoa học, môi trường và xã hội.
Hiểu biết q trình sản xuất và cơng nghệ. Kết quả của q trình thiết kế cơ khí
phải là sản phẩm thực. Do vậy, các thiết kế bắt buộc phải tạo ra các sản phẩm có
khả năng chế tạo được. Chính vì thế, người thiết kế phải nắm vững q trình sản
xuất và cơng nghệ hiện tại để có thể tạo ra các thiết kế phù hợp với khả năng công
nghệ hiện thời.
Nghệ thuật, kiến trúc. Sản phẩm mới cần có các đặc tính về kết cấu, hình dạng,
màu sắc, kích cỡ phù hợp hơn với nhu cầu và thị hiếu của khách hàng. Người thiết
kế cần có tư duy nghệ thuật và có khả năng sáng tạo mới có thể thiết kế ra các sản
phẩm tốt.

1.3.2. Nhóm thiết kế
Các bài tốn thiết kế hiện đại ln địi hỏi được giải quyết bởi nhóm thiết kế
(design team). Nhóm thiết kế là một tập hợp một số cán bộ thiết kế có khả năng hỗ trợ

nhau thực hiện nhiệm vụ thiết kế chung. Một nhóm thiết kế khơng chỉ là một tập hợp các
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 22


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

cá nhân thiết kế. Thậm chí, một tập hợp các cán bộ thiết kế trong đó các cá nhân có thể
chia sẻ thơng tin, có thể giúp đỡ nhau thực hiện cơng việc của mỗi người trong lĩnh vực cá
nhân thì cũng khơng phải là một nhóm thiết kế.
Một nhóm thiết kế thực sự đòi hỏi nhiều hơn so với một tập hợp các cá nhân. Các đặc điểm
quan trọng của một nhóm thiết kế là:
1. Toàn bộ các cá nhân cần giải quyết các nhiệm vụ của mình một cách đồng thời,
nhằm hướng đến mục tiêu chung của cả nhóm.
2. Nhóm thiết kế phải đưa ra quyết định của cả nhóm, thay vì dồn trách nhiệm cho
người phụ trách nhóm. Nói cách khác, các thành viên cần học cách thỏa hiệp để
đạt được sự đồng thuận trong quyết định.
3. Các thành viên trong nhóm phải có khả năng giao tiếp tốt, đảm bảo mọi người
trong nhóm hiểu và đánh giá ý tưởng thiết kế như nhau.
4. Các quyết định cần nhắm đến mục tiêu chung thay vì ý kiến của các cá nhân.
Điều này làm cho các quyết định trở nên bền vững hơn.
Để nhóm thiết kế làm việc có hiệu quả, cần đảm bảo các điều kiện sau:
-

Mục tiêu phải rõ ràng
Kế hoạch hành động cụ thể
Phân công trách nhiệm cho mỗi cá nhân
Có các thức trao đổi thơng tin chặt chẽ
Xác định lợi ích hành vi nhóm

Chuẩn hóa q trình ra quyết định
Phân công nhiệm vụ công bằng, phù hợp
Thiết lập các nguyên tắc cơ bản
Nhận thức rõ ràng cách thức làm việc nhóm
Sử dụng phương pháp tiếp cận theo bước.

Cấu trúc cơ bản của một nhóm thiết kế bao gồm cách thành viên thuộc các lĩnh vực
sau đây:
-

Kỹ sư thiết kế sản phẩm
Nhà quản lý sản phẩm
Kỹ sư sản xuất
Nhà thiết kế
Kỹ thuật viên
Chuyên gia vật liệu
Chuyên gia kiểm soát đảm bảo chất lượng
Nhà phân tích
Nhà thiết kế cơng nghiệp
Nhà quản lý lắp ráp
Người đại diện cho nhà cung cấp

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 23


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

Chương 2. Tiến trình và kế hoạch thiết kế 

Tiến trình thiết kế nói chung bao gồm sáu giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1.
Giai đoạn 2.
Giai đoạn 3.
Giai đoạn 4.
Giai đoạn 5.
Giai đoạn 6.

Đánh giá hiện trạng sản phẩm
Lập kế hoạch phát triển sản phẩm
Xác định sản phẩm cần thiết kế
Thiết kế khái niệm
Phát triển sản phẩm
Hỗ trợ sản phẩm

Nội dung tóm tắt của từng giai đoạn sẽ được trình bày trong phần 2.1. Nội dung chi tiết
của giai đoạn 1 - “Đánh giá hiện trạng sản phẩm” - sẽ được trình bày trong phần 2.2. Phần
2.3 sẽ phân tích giai đoạn 2 - “Lập kế hoạch và phát triển sản phẩm”. Cuối cùng là phần
tóm tắt chương.
2.1. Các giai đoạn của tiến trình thiết kế
2.1.1. Giai đoạn đánh giá hiện trạng sản phẩm
Trước khi tiến hành thiết kế mới hoặc thiết kế lại một sản phẩm, ta cần xác định
tính cấp thiết của cơng tác thiết kế. Nội dung cơ bản của giai đoạn này là phát triển một
danh sách các đề xuất khả dĩ và lựa chọn phương án thiết kế cho giai đoạn tiếp sau. Các
phương án thiết kế được đề xuất nhằm đáp ứng yêu cầu thiết kế sản phẩm mới hoặc cải
tiến sản phẩm đang có, thỏa mãn được các đòi hỏi từ thị trường, tiến bộ khoa học kỹ thuật
và từ bản thân quá trình sản xuất sản phẩm.
2.1.2. Giai đoạn lập kế hoạch phát triển sản phẩm
Trong giai đoạn này, các nguồn lực phục vụ cho việc phát triển sản phẩm bao gồm: Tài
chính, nhân lực, cơng cụ,... cần được xác định và đưa vào kế hoạch phát triển sản phẩm.

2.1.3. Giai đoạn xác định sản phẩm cần phát triển
Mục đích của giai đoạn này là phân tích vấn đề và xác định cơ sở cho đề án thiết kế.
Trong hầu hết các bài toán thiết kế, vấn đề thiết kế thường được đặt ra chưa thật rõ ràng.
Vì vậy, cần tiến hành xác định cụ thể nhu cầu của khách hàng, đánh giá tính cạch tranh của
sản phẩm, xác định các đặc trưng kỹ thuật cần thiết của sản phẩm, các yêu cầu về khả năng
vận hành của sản phẩm cần thiết kế... Các thông tin này cho phép mơ tả cụ thể các u cầu,
đặc tính cần thiết của sản phẩm mới.
2.1.4. Giai đoạn thiết kế khái niệm
Ở giai đoạn này, các kết quả thu được từ việc xác định sản phẩm cần phát triền được sử
dụng để đề xuất và đánh giá, lựa chọn các ý tưởng thiết kế sản phẩm. Các yêu cầu khách
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 24


Bài giảng Phương pháp và tiến trình thiết kế - Nguyễn Văn Dự & Lê Văn Nhất

hàng được chuyển đổi thành các mơ hình chức năng của sản phẩm cần thiết kế. Những
hiểu biết thu được thông qua cách tiếp cận chức năng có ý nghĩa rất quan trọng để phát
triển các ý tưởng thiết kế nhằm tạo ra một sản phẩm có chất lượng.
Một cơng việc quan trọng trong quá trình thiết kế khai niệm là đánh giá ý tưởng thiết
kế. Mục đích là so sánh những ý tưởng được đề xuất với các yêu cầu đặt ra với sản phẩm,
từ đó đi đến các quyết định. Kỹ thuật phát triển, đánh giá ý tưởng và ra quyết định sẽ được
trình bày cụ thể trong chương IV.
2.1.5. Giai đoạn phát triển sản phẩm
Công việc cần làm trong giai đoạn phát triển sản phẩm là tinh chỉnh và chuyển đổi ý
tưởng thiết kế tốt nhất đã được lựa chọn thành thiết kế sản phẩm thực. Cũng cần thấy rằng,
nhiều đề án thiết kế bỏ qua các giai đoạn trước và tiến hành thiết kế trược tiếp sản phẩm
dựa vào phân tích yêu cầu khác hàng. Các tiếp cận thiết kế này thường mang lại các sản
phẩm kém chất lượng. Trong nhiều trường hợp, cách thiết kế này cũng dẫn đến những

thay đổi tốn kém bắt buộc trên sản phẩm đã sản xuất. Ở phần cuối của giai đoạn phát triển
sản phẩm, các mô tả chi tiết về sản phẩm được sử dụng cho gia công, lắp ráp và các hướng
dẫn sử dụng. Trong nhiều trường hợp, các mẫu sản phẩm được sản xuất thử nghiệm trên
dây truyền và quy trình sản xuất thực để đánh giá lần cuối trước khi sản xuất đại trà.
2.1.6. Giai đoạn trợ giúp sản phẩm
Giai đoạn trợ giúp sản phẩm (Product support) bắt đầu từ khi sản phẩm được đưa
vào chế tạo cho đến khi sản phẩm hết thời hạn sử dụng. Trách nhiệm của người thiết kế
bao gồm: hỗ trợ các quá trình sản xuất, lắp ráp, tiếp thị, bảo dưỡng,... cho đến thu hồi, tái
chế sản phẩm,...
Dưới đây, nội dung của giai đoạn thứ nhất – Giai đoạn đánh giá hiện trạng sản
phẩm – sẽ được giới thiệu và phân tích chi tiết.
2.2. Đánh giá hiện trạng sản phẩm
Nội dung chính của giai đoạn đánh giá hiện trạng sản phẩm là: Thông qua việc
phân tích các yếu tố cấp thiết dẫn đến nhu cầu cải tiến hoặc sáng tạo sản phẩm mới, các
phương án khả dĩ được đề xuất, phân tích và lựa chọn đề án để triển khai. Quá trình này
được minh họa trên hình 2.1.
Trên hình vẽ, có ba yếu tố cấp thiết chính bao gồm:
-

Sự thúc đẩy của tiến bộ khoa học kỹ thuật
Nhu cầu của thị trường
Đòi hỏi thay đổi của bản thân sản phẩm

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Thái Nguyên

Trang 25