寓中國(guó)古代機(jī)械于《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)之中

任國(guó)強(qiáng)

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

寓中國(guó)古代機(jī)械于《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》教學(xué)之中

任國(guó)強(qiáng)

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000）

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程中講到的許多力學(xué)知識(shí)和原理，機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)，常用的零部件選擇和設(shè)計(jì)等基本上都可以在中國(guó)古代機(jī)械上找到最初的雛形，在課程中穿插中國(guó)古代機(jī)械的知識(shí)，將中國(guó)古代機(jī)械的發(fā)展和課程的知識(shí)體系進(jìn)行有機(jī)融合來(lái)開(kāi)展教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的民族自尊心和自信心，培養(yǎng)其愛(ài)國(guó)主義情感，通過(guò)讓其感受機(jī)械設(shè)計(jì)成果的美感，可以提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

中國(guó)古代機(jī)械；機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；教學(xué)

在我國(guó)古代，機(jī)械的發(fā)明設(shè)計(jì)者和制造者一般是統(tǒng)一的，他們的成果代表了當(dāng)時(shí)我國(guó)甚至是世界的機(jī)械的設(shè)計(jì)水平，我國(guó)古代機(jī)械在機(jī)械原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力應(yīng)用等方面取得較高成就，在世界機(jī)械史上處于遙遙領(lǐng)先的地位，如記里鼓車、指南車、地動(dòng)儀等，均有獨(dú)到之處。其中不少成果還傳播到了世界各地，對(duì)世界機(jī)械技術(shù)的進(jìn)步起到了直接的促進(jìn)作用。

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程是高職院校機(jī)械類、汽車類、機(jī)電類專業(yè)幾乎都會(huì)涉及的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課，目前，多數(shù)高職院校在改課程中主要是講解一般機(jī)械中常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、組成、性能特點(diǎn)等內(nèi)容。而對(duì)于在課程中穿插中國(guó)古代機(jī)械的知識(shí)和對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)等知識(shí)卻講解甚少，將中國(guó)古代機(jī)械的發(fā)展和課程的知識(shí)體系進(jìn)行有機(jī)融合來(lái)開(kāi)展教學(xué)的就更加少之又少。然而，我們今天在機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程中講到的許多力學(xué)知識(shí)和原理，機(jī)構(gòu)的組成和運(yùn)動(dòng)，常用的零部件等基本上都可以在中國(guó)古代機(jī)械上找到最初的雛形，下面就從以下幾個(gè)方面來(lái)分析如何將中國(guó)古代機(jī)械融入機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)之中。

1 中國(guó)古代簡(jiǎn)單機(jī)械與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)

在緒論部分，機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一般會(huì)講解機(jī)械、機(jī)器、機(jī)構(gòu)等相關(guān)概念，尤其是第一個(gè)就會(huì)涉及到機(jī)械這個(gè)概念，這個(gè)時(shí)候，我們就可以引入中國(guó)古代關(guān)于機(jī)械的概念，既：古代常以“機(jī)”指弩上發(fā)箭的裝置，即弩機(jī)?！靶怠痹诠糯侵钙餍?、器物等實(shí)物。這個(gè)時(shí)候可以舉例如古代狩獵的一塊石頭、一根木棍，現(xiàn)代的一雙筷子、一個(gè)掃帚等都屬于簡(jiǎn)單機(jī)械，這樣，就為學(xué)生建立了機(jī)械的簡(jiǎn)單感性認(rèn)識(shí)。

在講解平面連桿機(jī)構(gòu)和帶傳動(dòng)的時(shí)候，對(duì)于連桿、曲柄、偏心輪等概念和鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的基本形式及其演化，可以引入古代糧食加工機(jī)械中的“水擊面羅”、在冶鑄生產(chǎn)中使用的鼓風(fēng)機(jī)械“水排”來(lái)說(shuō)明在中國(guó)古代復(fù)雜連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。水排的組件包括臥式水輪(動(dòng)力輪)、立軸(輪軸)、上臥輪、弦索(傳動(dòng)帶)、旋鼓(偏心輪或凸輪)、掉枝(曲柄)、行桄(連桿)，還有攀耳(實(shí)則為搖轉(zhuǎn)桿上兩個(gè)突耳)、活動(dòng)接頭等。通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。不僅運(yùn)用了主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、曲柄、連桿等機(jī)構(gòu)把圓周運(yùn)動(dòng)變?yōu)槔瓧U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，還運(yùn)用了皮帶傳動(dòng)。

《農(nóng)書》中的水排

《農(nóng)書》中的水擊面羅

水碓

在此，也可以水排為例來(lái)引入講解機(jī)器的概念、組成的，因?yàn)樗旁诮Y(jié)構(gòu)上已具有了動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部分，因此實(shí)際上可以看作是現(xiàn)代水輪機(jī)的前身，水排的出現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)復(fù)雜機(jī)器的誕生。而且可以進(jìn)一步說(shuō)明它們是近代蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)中連桿機(jī)構(gòu)的始祖，在近代工業(yè)興起之時(shí)，它們都起了不可或缺的作用。

在講解凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)，可以指出凸輪機(jī)構(gòu)在古代也得到廣泛應(yīng)用，凸輪在古代是一種具有曲面周緣或凹槽的機(jī)件。古代水碓、機(jī)碓中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸上裝有數(shù)組撥桿，撥桿不僅與主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而且它撥動(dòng)舂桿(即從動(dòng)桿)，使舂桿往復(fù)上下跳動(dòng)。這各組撥桿就起了凸輪作用。在記里鼓車、張衡創(chuàng)制的稱為“轉(zhuǎn)輪蓂莢”的天文儀器以及兒童玩耍的小風(fēng)車上，都有類似的凸輪。

2 中國(guó)古代車輛與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)

在齒輪傳動(dòng)的講解時(shí)，可以通過(guò)講解齒輪在我國(guó)產(chǎn)生的年代和歷史背景來(lái)引入，既：齒輪大量發(fā)現(xiàn)于戰(zhàn)國(guó)、秦漢時(shí)期，一般用以改變傳動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)方向、速度及改變力矩。出土實(shí)物中，有戰(zhàn)國(guó)齒輪陶范、漢代鐵齒輪和青銅齒輪；從其形態(tài)種類言，有普通齒輪、棘輪和人字形齒輪，也有直齒輪和斜齒輪。齒輪被廣泛用于磨、里程計(jì)、弓弩瞄準(zhǔn)器和天文鐘等方面，其中可以重點(diǎn)講解中國(guó)人字齒輪的應(yīng)用比法國(guó)雪鐵龍申請(qǐng)專利的時(shí)間早1000多年。

山西出土的最古老齒輪

東漢初年人字齒輪

在齒輪系和離合器這兩部分講解時(shí)，可以講中國(guó)古代四大發(fā)明之一的指南車和記里鼓車作為這部分內(nèi)容的引入。在指南車中，除兩個(gè)沿地面滾動(dòng)的足輪(即車輪)外，尚有大小不同的7個(gè)齒輪?！端问贰ぽ浄尽贩謩e記載了這些齒輪的直徑或圓周以及其中一些齒輪的齒距與齒數(shù)。由齒數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)，并保證木人指南的目的，可見(jiàn)古人掌握了關(guān)于齒輪匹配的力學(xué)知識(shí)和控制齒輪離合的方法，在指南車中也充分應(yīng)用了齒輪系中的差動(dòng)輪系。

指南車

記里鼓車

記里鼓車又名記道車、大章車。它是利用車輪帶動(dòng)大小不同的一組齒輪，使車輪走滿一里時(shí)，其中一個(gè)齒輪剛好轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，該輪軸撥動(dòng)車上木人打鼓或擊鐘，報(bào)告行程。記里鼓車是減速齒輪系的典型。它也是現(xiàn)代出租車、計(jì)速器的重要祖先。它的報(bào)告里數(shù)的設(shè)計(jì)，也是近代所有機(jī)械鐘表中報(bào)時(shí)木偶的始祖。

前面所述的機(jī)械是在連續(xù)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)之間作變換的機(jī)械，而中國(guó)古代的計(jì)時(shí)機(jī)械卻能將連續(xù)運(yùn)動(dòng)均勻地分割為等時(shí)運(yùn)動(dòng)，包含了復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)和間隙遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它的創(chuàng)制為近代機(jī)器生產(chǎn)中的自動(dòng)機(jī)械提供了先例和相關(guān)的原理，對(duì)近代科學(xué)的興起曾產(chǎn)生重大影響。

3 中國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械與機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教學(xué)

在鏈傳動(dòng)這部分，可以以中國(guó)古代農(nóng)業(yè)機(jī)械龍骨水車和水運(yùn)儀象中的天梯為例進(jìn)行引入。在中國(guó)商代的馬具上已開(kāi)始出現(xiàn)青銅鏈條，鏈條作為裝飾也出現(xiàn)在其他青銅器和玉器上，在西安出土的秦銅車馬上，也有十分精美的金屬鏈條。

《天工開(kāi)物》中的踏車

蘇頌所制水運(yùn)儀象臺(tái)中的天梯

東漢時(shí)畢嵐率先發(fā)明翻車（龍骨水車），用以引水。其結(jié)構(gòu)是以木反為槽，尾部浸入水流中，有小輪軸一（從動(dòng)鏈輪）。另一端有小輪軸（主動(dòng)鏈輪），固定于堤岸的木架上，繞在輪上的翻板就是傳動(dòng)鏈。用時(shí)踩動(dòng)拐木（曲柄），使大輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)槽內(nèi)板葉刮水上行，傾灌于地勢(shì)較高的田中。根據(jù)其工作原理和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可以看作是一種鏈傳動(dòng)，因此，翻車是鏈傳動(dòng)的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運(yùn)儀象臺(tái)上，出現(xiàn)了一種“天梯”，實(shí)際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過(guò)“天梯”帶動(dòng)上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)的機(jī)械技術(shù)在相當(dāng)長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)居世界先進(jìn)行列，這些杰出的機(jī)械發(fā)明，對(duì)中國(guó)的物質(zhì)文化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用，對(duì)人類技術(shù)文明的進(jìn)步做出了重大貢獻(xiàn)。盡管中國(guó)古代機(jī)械的產(chǎn)品大都已成為歷史的陳?ài)E，但我們的前人在創(chuàng)造機(jī)械中所表現(xiàn)出的思想與智慧，提出問(wèn)題，分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的方法，為我們今天機(jī)械設(shè)計(jì)提供了歷史借鑒，大量的古代機(jī)械設(shè)計(jì)資料和文獻(xiàn)是我們今天取之不盡，用之不竭的歷史資源與文化資源。

通過(guò)分析各種典型機(jī)械的工作原理和應(yīng)用，使我們能對(duì)機(jī)械有感性的認(rèn)識(shí)；通過(guò)分析機(jī)械中富含的人生哲理來(lái)陶冶我們的情操；通過(guò)分析機(jī)械與人的關(guān)系來(lái)幫助其健康成長(zhǎng)來(lái)培養(yǎng)我們的創(chuàng)新意識(shí)；通過(guò)分析機(jī)械與人生的共性來(lái)幫助我們培養(yǎng)自我的人生規(guī)劃、審美情操以及良好的人際關(guān)系。在課程的教學(xué)過(guò)程中始終穿插愛(ài)國(guó)主義教育，增加學(xué)生的民族自豪感。

［1］劉仙洲.中國(guó)機(jī)械工程發(fā)明史（第一編）[M].北京：科學(xué)出版社，1962.

［2］路甬祥，胡維佳.中國(guó)古代科學(xué)技術(shù)史綱——技術(shù)卷[M].沈陽(yáng):遼寧教育出版社，1996:251-318.

［3］陸敬嚴(yán).中國(guó)古代機(jī)械文明史[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2012.

責(zé)任編輯：張隆輝

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1672-2094(2014)04-0144-02

2014-04-03

任國(guó)強(qiáng)（1975-），四川南充人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系副教授。