งานภาคสนามของวิศวกรเครื่องกลเกิดจากการประยุกต์ใช้ความรู้ในหลาย ๆ แขนงของวิศวกรรมเครื่องกล สาขาย่อยของวิศวกรรมเครื่องกลที่ถูกเขียนถึงต่อไปนี้มักจะจะถูกสอนในระดับตั้งแต่ปริญญาตรีลงมา นอกจากนี้บทความส่วนนี้จะอธิบายถึงรายละเอียดโดยย่อพร้อมทั้งตัวอย่างการประยุกต์ใช้ที่มักจะถูกใช้ สาขาย่องบางสาขาเป็นสาขาเฉพาะสำหรับวิศวกรเครื่องกล แต่ในบางสาขาเกิดจากสนธิความรู้จากสาขาอื่น งานของวิศวกรเครื่องกลส่วนมากใช้ความรู้และทักษะจากสาขาต่าง ๆ เหล่านี้เข้าด้วยกันพอพอกับการใช้ความรู้จากสาขาที่เป็นความเชี้ยวชาญเฉพาะทาง สาขาความเชี่ยวชาญเฉพาะทางในบทความส่วนนี้มักจะสอนในระดับสูงกว่าปริญญาตรี หรือการฝึกสอนในภาคปฏิบัติมากกว่าการวิจัยในระดับปริญญาตรีหรือต่ำกว่า สาขาความเชี่ยวชาญเฉพาะทางจะถูกกล่าวถึงในส่วนท้าย ๆ ของเนื้อหาส่วนนี้

กลศาสตร์

{{วิกิตำรา|[[:en:Solid Mechanics}}

กลศาสตร์ คือการศึกษาแรงและผลกระทบของมันบนวัตถุ สำหรับกลศาสตร์วิศวกรรมแล้ว กลศาสตร์ถูกใช้เพื่อการวิเคราะห์และคำนวณความเร่งและการเปลี่ยนรูป (ทั้งบนวัสดุอีลาสติก และพลาสติก) บนวัสดุที่ทราบแรงที่เข้ากระทำ (หรือที่เรียกว่าภาระ) หรือทราบความเค้น สาขาย่อยของกลศาสตร์มีดังนี้

• สถิตยศาสตร์ (Statics) ศึกษาวัตถุที่อยู่นิ่งและทราบภาระ
• พลศาสตร์ (Dynamics) ศึกษาผลกระทบของแรงที่เข้ากระทำต่อวัตถุ
• ความแข็งแรงของวัสดุ ศึกษาการเปลี่ยนรูปของวัตสดุ ภายใต้ความเค้นแบบต่าง ๆ
• กลศาสตร์ของไหล ศึกษาปฏิกิริยาของของไหลอันเนื่องมาจากแรง
  • กลศาสตร์ของไหลนี้อาจจะแบ่งได้เป็นของไหลสถิตย์และของไหลจลน์ และกลสาสตร์ของไหลก็เป็นสาขาหนึ่งของ continuum mechanicsสำหรับการประยุกต์ใช้ความรู้ในสาขานี้มี ไฮดรอลิกส์ และ นิวแมติกส์
• Continuum mechanics คือวิธีการประยุกต์ใช้กลศาสตร์โดยสมมติว่าวัสดุนั้นมีความต่อเนื่องไม่ขาดช่วง

วิศวกรเครื่องกลมักจะใช้กลศาสตร์ในขั้นตอนการออบแบบและวิเคราะห์ ตัวอย่างเช่นในการออกแบบรถยนต์ สถิตยศาสตร์อาจจะถูกใช้ในการออกแบบโครงรถเพื่อหาว่าบริเวณใดท่ได้รับความเครียดสูงที่สุด พลศาสตร์อาจจะถูกใช้ในการออกแบบเครื่องยนต์เช่นคำนวณแรงในลูกสูบ ความแข็งแรงของวัสดุจะถูกใช้เพื่อการเลือกวัสดุที่มีความเหมาะสม ส่วนกลศาสตร์ของไหลอาจจะถูกใช้เพื่อการวิเคราะห์ระบบระบาบอากาศ หรือระบบดูดอากาศเข้าเครื่องยนต์

จลนศาสตร์

จลนศาสตร์ (kinematics) เป็นการศึกษาการเคลื่อนไหวของวัตถุและระบบโดยไม่สนใจแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนไหว การเคลื่อนไหวของเครนหรือการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของลูกสูบเป็นตัวอย่างหนึ่งของระบบทางจลนศาสตร์อย่างง่าย เครนเป็นตัวอย่างของระบบเปิดทางจลนศาสตร์ ส่วนลูกสูบเป็นระบบปิดแบบโฟร์บาร์ลิงเกจ

วิศวกรจะใช้จลนศาสตร์ในการออกแบบและวิเคราะห์กลไก ซึ่งจลนศาสตร์นี้สามารถใช้คำนวณหาขอบเขตการเคลื่อนที่ของกลไก หรือออกแบบกลไกที่มีเพื่อตอบสนองการเคลื่อนที่ของกลไก

หุ่นยนต์และเครื่องกลไฟฟ้า

เครื่องกลไฟฟ้าเป็นศาสตร์ผสมระหว่างวิศวกรรมเครื่องกล, วิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมซอฟต์แวร์ ซึ่งพิจารณาได้ว่าการผสมผสานความรู้ทางไฟฟ้าและเครื่องกลนั้นเป็นระบบผสม (Hybrid system) ดังนั้นเครื่องยนต์จะสามารถเคลื่อนไหวได้ด้วยตัวเองจากการใช้มอเตอร์ไฟฟ้า, กลไกเซอร์โว หรืออุปกรณ์ทางไฟฟ้าอื่น ๆ ภายใต้การควบคุมของโปรแกรมพิเศษ ตัวอย่างง่าย ๆ ของเครื่องกลไฟฟ้าคือเครื่องอ่านซีดีรอม โดยระบบเชิงกลนั้นคือระบบชักถาดซีดีเข้า/ออก, การหมุนแผ่นซีดี และกลไกขยับหัวอ่านเลเซอร์ โดยที่ระบบทางไฟฟ้าจะทำการอ่านข้อมูลและแปลงสัญญาณ ส่วนซอฟต์แวร์ทำหน้าที่ควบคุมกระบวนการและสื่อสารระหว่างซีดีกับคอมพิวเตอร์

สำหรับวิศวกรรมหุ่นยนต์นั้นเป็นการประยุกต์ใช้เครื่องกลไฟฟ้าเพื่อการสร้างหุ่นยนต์ ซึ่งส่วนมากจะใช้ปฏิบัติงานที่อันตราย, ไม่พึงประสงค์ หรืองานซ้ำซากสำหรับมนุษย์ หุ่นยนต์เหล่านี้จะมีรูปร่างหรือขนาดอย่างไรก็ได้ แต่พวกมันล้วนถูกโปรแกรมและสามารถตอบสนองทางกายภาพต่อสิ่งเร้าได้ เพื่อการสร้างหุ่นยนต์ วิศวกรจะใช้คิเนมาติกส์เพื่อออกแบบขอบเขตการเคลื่อนไหว และกลศาสตร์เพื่อวิเคราะห์ความเค้นในหุ่นยนต์

หุ่นยนต์ถูกใช้มากในอุตสาหกรรม ซึ่งทำให้ต้นทุนแรงงานต่ำลง สามารถทำให้ผู้ประกอบการทำงานที่อันตรายเกินไป หรือซ้ำซากเกินไปสำหรับมนุษย์ได้อย่างคุ้มค่าและสามารถรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ได้ หลาย ๆ บรรษัทอาจจะใช้หุ่นยนต์ในขั้นตอนการประกอบชิ้นส่วน และบางโรงงานใช้หุ่นยนต์ในการทำงานทั้งหมดจนไม่ต้องใช้มนุษย์ในการทำงาน และนอกจากในโรงงานแล้ว หุ่นยนต์อาจจะถูกใช้ในการกู้ระเบิด, การสำรวจอวกาศ หรืองานอื่น ๆ นอกจากนี้หุ่นยนต์ก็สามารถทำงานบ้านได้

การวิเคราะห์โครงสร้าง

การวิเคราะห์เชิงโครงสร้างเป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมเครื่องกล (และวิศวกรรมโยธา) เพื่อตรวจสอบว่าเป้าหมายนั้นพังเพราะเหตุใดและทำไม ความเสียหายเชิงโครงสร้างโดยทั่วไปแล้วจะเกิดขึ้นได้สองลักษณะใหญ่คือความเสียหายสถิตย์ (Static Failure) และความเสียหายล้า (Fatigue Failure) ความเสียหายเชิงโครงสร้างสถิตย์เกิดขึ้นเมื่อเป้าหมายที่ถูกพิจารณานั้นแตกหักหรือเปลี่ยนรูปแบบพลาสติก (Plastic Deforming) ขึ้นอยู่กับเกณฑ์พิจารณา (ในบางกรณี การเปลี่ยนรูปนั้นสามารถยอมรับได้ จึงไม่ถือว่าเกิดความเสียหาย) สำหรับความเสียหายล้าคือความเสียหายที่เกิดขึ้นจากการรับภาระที่มีการเปลี่ยนแปลงขนาดอยู่ตลอดเวลาซ้ำไปซ้ำมาเป็นวงรอบหลาย ๆ รอบ สาเหตุของความเสียหายล้านี้เกิดความไม่สมบูรณ์แบบของวัสดุ เช่นเกิดการแตกหักในระดับไมโครบนผิวของวัสดุซึ่งจะค่อย ๆ ทวีความเสียหายมากขึ้นเรื่อย ๆ ในแต่ละรอบการทำงานจนกระทั่งรอยแตกหักนั้นกว่างมากพอที่จะถือได้ว่าเสียหายอย่างที่สุด (Ultimate Failure)

การเขียนแบบ

การเขียนแบบคือการที่วิศวกรเครื่องกลเขียนแบบเพื่อแนะนำชิ้นส่วนผลิตภัณฑ์ซึ่งให้รายละเอียดมิติที่จำเป็นต้องแจ้งให้ผู้ผลิตทราบ ตลอดจนการระบุหมายเหตุ, รายการวัสดุที่ต้องใช้และข้อมูลที่จำเป็นอื่น ๆ แบบที่เขียนนี้อาจจะเขียนด้วยมือหรือคอมพิวเตอร์ก็ได้ วิศวกรหรือช่างที่มีหน้าที่ในการเขียนแบบนี้จะถูกเรียกว่าช่างเขียนแบบ ในอตีตการเขียนแบบจะเป็นการเขียนภาพสองมิติ แต่โปรแกรมcomputer-aided design (CAD) ทำให้ช่างเขียนแบบสามารถเขียนภาพสามมิติได้

ข้อแนะนำในการผลิตนี้จำต้องป้อนเข้าสู่เครื่องจักรที่จำเป็น ไม่ว่าจะเป็นการป้อนข้อมูลโดยทั่วไปหรือผ่านการใช้โปรแกรม computer-aided manufacturing (CAM) หรือโปรแกรมผสม CAD/CAM โดยทางเลือกแล้ววิศวกรอาจจะทำการผลิตชิ้นส่วนโดยอาศัยแบบที่ได้รับมา แต่การประยุกต์ใช้เครื่องCNC (computer numerically controlled) นั้นได้รับความนิยมใช้มากขึ้นเช่นกัน ในเบื้องต้นวิศวกรยังผลิตชิ้นส่วนด้วยมนุษย์ในงานหรือกระบวนการที่การใช้เครื่องจักรไม่ให้ผลตอบแทนที่คุ้มค่าเชิงเศรษฐศาสตร์เช่นการพ่นสีเคลือบผิว หรือ การขัดผิว

การเขียนแบบถูกใช้แทบจะทุกสาขาทางวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมสาขาอื่นและสถาปัตยกรรม แบบจำลองสามมิติที่ถูกเขียนด้วย CAD โดยมากอาจจะถูกประยุกต์ใช้ในโปรแกรม finite element analysis (FEA) และ computational fluid dynamics (CFD) อีกด้วย

อุณหพลศาสตร์หรือวิทยาศาสตร์ความร้อน

อุณหพลศาสตร์คือวิทยาศาสตร์ประยุกต์ที่ถูกใช้ในวิศวกรรมหลายสาขารวมไปถึงวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมเคมี อธิบายอย่างง่ายที่สุดเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์ก็คือศาตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับพลังงานและการเปลี่ยนรูปของพลังงานภายในระบบ สำหรับในทางวิศวกรรมแล้ว จะสนใจการเปลี่ยนรูปของพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งเป็นหลัก ตัวอย่างเช่นเครื่องยนต์รถยนต์ที่เปลี่ยนแปลงพลังงานเคมี (เอนทัลพี) ในน้ำมันไปเป็นความร้อน และพลังงานกลตามลำดับเพื่อการขับเคลื่อนล้อรถ

หลักการทางอุณหพลศาสตร์ถูกใช้มากในทางวิศวกรรมเครื่องกลในด้านการถ่ายเทความร้อน, thermofluids และการอนุรักษ์พลังงาน วิศวกรเครื่องกลใช้ความรู้ทางด้านนี้เพื่อการออกแบบเครื่องยนต์, โรงต้นกำลัง, ระบบความร้อน-ถ่ายเทอากาศ-การปรับอากาศ, อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน, อุปกรณ์ระบายความร้อน, ตู้เย็น, ฉนวนความร้อน ฯลฯ