寓中國古代機械于《機械設計基礎》教學之中

任國強

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

寓中國古代機械于《機械設計基礎》教學之中

任國強

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000）

《機械設計基礎》課程中講到的許多力學知識和原理，機構的組成和運動，常用的零部件選擇和設計等基本上都可以在中國古代機械上找到最初的雛形，在課程中穿插中國古代機械的知識，將中國古代機械的發展和課程的知識體系進行有機融合來開展教學有利于培養學生的民族自尊心和自信心，培養其愛國主義情感，通過讓其感受機械設計成果的美感，可以提高學生運用知識進行創新設計的能力。

中國古代機械；機械設計基礎；教學

在我國古代，機械的發明設計者和制造者一般是統一的，他們的成果代表了當時我國甚至是世界的機械的設計水平，我國古代機械在機械原理、結構設計和動力應用等方面取得較高成就，在世界機械史上處于遙遙領先的地位，如記里鼓車、指南車、地動儀等，均有獨到之處。其中不少成果還傳播到了世界各地，對世界機械技術的進步起到了直接的促進作用。

《機械設計基礎》課程是高職院校機械類、汽車類、機電類專業幾乎都會涉及的一門專業技術基礎課，目前，多數高職院校在改課程中主要是講解一般機械中常用機構和通用零件的工作原理、組成、性能特點等內容。而對于在課程中穿插中國古代機械的知識和對人類文明的貢獻等知識卻講解甚少，將中國古代機械的發展和課程的知識體系進行有機融合來開展教學的就更加少之又少。然而，我們今天在機械設計基礎課程中講到的許多力學知識和原理，機構的組成和運動，常用的零部件等基本上都可以在中國古代機械上找到最初的雛形，下面就從以下幾個方面來分析如何將中國古代機械融入機械設計基礎教學之中。

1 中國古代簡單機械與機械設計基礎教學

在緒論部分，機械設計基礎一般會講解機械、機器、機構等相關概念，尤其是第一個就會涉及到機械這個概念，這個時候，我們就可以引入中國古代關于機械的概念，既：古代常以“機”指弩上發箭的裝置，即弩機。“械”在古代是指器械、器物等實物。這個時候可以舉例如古代狩獵的一塊石頭、一根木棍，現代的一雙筷子、一個掃帚等都屬于簡單機械，這樣，就為學生建立了機械的簡單感性認識。

在講解平面連桿機構和帶傳動的時候，對于連桿、曲柄、偏心輪等概念和鉸鏈四桿機構的基本形式及其演化，可以引入古代糧食加工機械中的“水擊面羅”、在冶鑄生產中使用的鼓風機械“水排”來說明在中國古代復雜連桿機構的應用。水排的組件包括臥式水輪(動力輪)、立軸(輪軸)、上臥輪、弦索(傳動帶)、旋鼓(偏心輪或凸輪)、掉枝(曲柄)、行桄(連桿)，還有攀耳(實則為搖轉桿上兩個突耳)、活動接頭等。通過曲柄連桿機構將回轉運動轉變為連桿的往復運動。不僅運用了主動輪、從動輪、曲柄、連桿等機構把圓周運動變為拉桿的直線往復運動，還運用了皮帶傳動。

《農書》中的水排

《農書》中的水擊面羅

水碓

在此，也可以水排為例來引入講解機器的概念、組成的，因為水排在結構上已具有了動力機構、傳動機構和工作機構三個主要部分，因此實際上可以看作是現代水輪機的前身，水排的出現標志著中國復雜機器的誕生。而且可以進一步說明它們是近代蒸汽機、內燃機中連桿機構的始祖，在近代工業興起之時，它們都起了不可或缺的作用。

在講解凸輪機構時，可以指出凸輪機構在古代也得到廣泛應用，凸輪在古代是一種具有曲面周緣或凹槽的機件。古代水碓、機碓中，轉動軸上裝有數組撥桿，撥桿不僅與主軸一起轉動，而且它撥動舂桿(即從動桿)，使舂桿往復上下跳動。這各組撥桿就起了凸輪作用。在記里鼓車、張衡創制的稱為“轉輪蓂莢”的天文儀器以及兒童玩耍的小風車上，都有類似的凸輪。

2 中國古代車輛與機械設計基礎教學

在齒輪傳動的講解時，可以通過講解齒輪在我國產生的年代和歷史背景來引入，既：齒輪大量發現于戰國、秦漢時期，一般用以改變傳動或轉動方向、速度及改變力矩。出土實物中，有戰國齒輪陶范、漢代鐵齒輪和青銅齒輪；從其形態種類言，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、弓弩瞄準器和天文鐘等方面，其中可以重點講解中國人字齒輪的應用比法國雪鐵龍申請專利的時間早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，可以講中國古代四大發明之一的指南車和記里鼓車作為這部分內容的引入。在指南車中，除兩個沿地面滾動的足輪(即車輪)外，尚有大小不同的7個齒輪。《宋史·輿服志》分別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。由齒數、轉動數，并保證木人指南的目的，可見古人掌握了關于齒輪匹配的力學知識和控制齒輪離合的方法，在指南車中也充分應用了齒輪系中的差動輪系。

指南車

記里鼓車

記里鼓車又名記道車、大章車。它是利用車輪帶動大小不同的一組齒輪，使車輪走滿一里時，其中一個齒輪剛好轉動一圈，該輪軸撥動車上木人打鼓或擊鐘，報告行程。記里鼓車是減速齒輪系的典型。它也是現代出租車、計速器的重要祖先。它的報告里數的設計，也是近代所有機械鐘表中報時木偶的始祖。

前面所述的機械是在連續運動和往復運動之間作變換的機械，而中國古代的計時機械卻能將連續運動均勻地分割為等時運動，包含了復雜的齒輪系統和間隙遠動機構，它的創制為近代機器生產中的自動機械提供了先例和相關的原理，對近代科學的興起曾產生重大影響。

3 中國古代農業機械與機械設計基礎教學

在鏈傳動這部分，可以以中國古代農業機械龍骨水車和水運儀象中的天梯為例進行引入。在中國商代的馬具上已開始出現青銅鏈條，鏈條作為裝飾也出現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。

《天工開物》中的踏車

蘇頌所制水運儀象臺中的天梯

東漢時畢嵐率先發明翻車（龍骨水車），用以引水。其結構是以木反為槽，尾部浸入水流中，有小輪軸一（從動鏈輪）。另一端有小輪軸（主動鏈輪），固定于堤岸的木架上，繞在輪上的翻板就是傳動鏈。用時踩動拐木（曲柄），使大輪軸轉動，帶動槽內板葉刮水上行，傾灌于地勢較高的田中。根據其工作原理和運動關系，可以看作是一種鏈傳動，因此，翻車是鏈傳動的一種特例。到了宋代，蘇頌制造的水運儀象臺上，出現了一種“天梯”，實際上是一種鐵鏈條，下橫軸通過“天梯”帶動上橫軸，從而形成了真正的鏈傳動。

4 結束語

中國的機械技術在相當長的歷史時期內居世界先進行列，這些杰出的機械發明，對中國的物質文化和社會經濟發展起到了重要的促進作用，對人類技術文明的進步做出了重大貢獻。盡管中國古代機械的產品大都已成為歷史的陳跡，但我們的前人在創造機械中所表現出的思想與智慧，提出問題，分析問題與解決問題的方法，為我們今天機械設計提供了歷史借鑒，大量的古代機械設計資料和文獻是我們今天取之不盡，用之不竭的歷史資源與文化資源。

通過分析各種典型機械的工作原理和應用，使我們能對機械有感性的認識；通過分析機械中富含的人生哲理來陶冶我們的情操；通過分析機械與人的關系來幫助其健康成長來培養我們的創新意識；通過分析機械與人生的共性來幫助我們培養自我的人生規劃、審美情操以及良好的人際關系。在課程的教學過程中始終穿插愛國主義教育，增加學生的民族自豪感。

［1］劉仙洲.中國機械工程發明史（第一編）[M].北京：科學出版社，1962.

［2］路甬祥，胡維佳.中國古代科學技術史綱——技術卷[M].沈陽:遼寧教育出版社，1996:251-318.

［3］陸敬嚴.中國古代機械文明史[M].上海：同濟大學出版社，2012.

責任編輯：張隆輝

G642.3

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1672-2094(2014)04-0144-02

2014-04-03

任國強（1975-），四川南充人，四川職業技術學院汽車工程系副教授。