機械工程的發展歷程
2010-08-06
機械工程的發展歷程人類成為"現代人"的標志就是制造工具。石器時代的各種石斧、石錘和木質、皮質的簡單粗糙的工具是后來出現的的先驅。從制造簡單工具演進到制造由多個零件、部件組成的現代，經歷了漫長的過程。
幾千年前，人類已創制了用于谷物脫殼和粉碎的臼和磨，用來提水的桔槔和轆轤，裝有輪子的車，航行于江河的船及槳、櫓、舵等。所用的動力，從人自身的體力，發展到利用畜力、水力和風力。所用材料從天然的石、木、土、皮革，發展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿的陶車，已是具有動力、傳動和工作三個部分的完整機械。
人類從石器時代進入青銅時代，再進而到鐵器時代，用以吹旺爐火的鼓風器的發展起了重要作用。有足夠強大的鼓風器，才能使冶金爐獲得足夠高的爐溫，才能從礦石中煉得金屬。在中國，公元前1000~前900年就已有了冶鑄用的鼓風器，并逐漸從人力鼓風發展到畜力和水力鼓風。
15~16世紀以前，工程發展緩慢。但在以千年計的實踐中，在發展方面還是積累了相當多的經驗和技術知識，成為后來工程發展的重要潛力。17世紀以后，資本主義在英、法和西歐諸國出現，商品生產開始成為社會的中心問題。
18世紀后期，蒸汽機的應用從采礦業推廣到紡織、面粉、冶金等行業。制作的主要材料逐漸從木材改用更為堅韌，但難以用手工加工的金屬。制造工業開始形成，并在幾十年中成為一個重要產業。
工程通過不斷擴大的實踐，從分散性的、主要依賴匠師們個人才智和手藝的一種技藝，逐漸發展成為一門有理論指導的、系統的和獨立的工程技術。工程是促成18~19世紀的工業革命，以及資本主義大生產的主要技術因素。
動力是發展生產的重要因素。17世紀后期，隨著各種的改進和發展，隨著
煤和金屬礦石的需要量的逐年增加，人們感到依靠人力和畜力不能將生產提高
到一個新的階段。
在英國，紡織、磨粉等產業越來越多地將工場設在河邊，利用水輪來驅動
工作。但當時的煤礦、錫礦、銅礦等礦井中的地下水，仍只能用大量畜力來提
升和排除。在這樣的生產需要下，18世紀初出現了紐科門的大氣式蒸汽機，用
以驅動礦井排水泵。但是這種蒸汽機的燃料消耗率很高，基本上只應用于煤礦。
1765年，瓦特發明了有分開的冷凝器的蒸汽機，降低了燃料消耗率。1781
年瓦特又創制出提供回轉動力的蒸汽機，擴大了蒸汽機的應用范圍。蒸汽機的
發明和發展，使礦業和工業生產、鐵路和航運都得以動力化。蒸汽機幾乎是19
世紀唯一的動力源，但蒸汽機及其鍋爐、凝汽器、冷卻水系統等體積龐大、笨重，應用很不方便。
19世紀末，電力供應系統和電動機開始發展和推廣。20世紀初，電動機已在工業生產中取代了蒸汽機，成為驅動各種工作的基本動力。生產的化已離不
開電氣化，而電氣化則通過化才對生產發揮作用。
發電站初期應用蒸汽機為原動力。20世紀初期，出現了高效率、高轉速、
大功率的汽輪機，也出現了適應各種水利資源的水輪機，促進了電力供應系統
的蓬勃發展。
19世紀后期發明的內燃機經過逐年改進，成為輕而小、效率高、易于操縱、并可隨時啟動的原動機。它先被用以驅動沒有電力供應的陸上工作，以后又用
于汽車、移動和輪船，到20世紀中期開始用于鐵路機車。蒸汽機在汽輪機和內燃機的排擠下，已不再是重要的動力。內燃機和以后發明的燃氣輪機、噴氣發
動機的發展，是飛機、航天器等成功發展的基礎技術因素之一。
工業革命以前，大都是木結構的，由木工用手工制成。金屬主要是銅、鐵
僅用以制造儀器、鎖、鐘表、泵和木結構機械上的小型零件。金屬加工主要靠
機匠的精工細作，以達到需要的精度。蒸汽機動力裝置的推廣，以及隨之出現
的礦山、冶金、輪船、機車等大型的發展，需要成形加工和切削加工的金屬零
件越來越多，越來越大，要求的精度也越來越高。應用的金屬材料從銅、鐵發展到以鋼為主。
加工包括鍛造、鍛壓、鈑金工、焊接、熱處理等技術及其裝備，以及切削加工技術和機床、刀具、量具等，得到迅速發展，保證了各產業發展生產所需的裝備的供應。
社會經濟的發展，對產品的需求猛增。生產批量的增大和精密加工技術的進展，促進了大量生產方法的形成，如零件互換性生產、專業分工和協作、流水加工線和流水裝配線等。
簡單的互換性零件和專業分工協作生產，在古代就已出現。在工程中，互換性最早體現在莫茨利于1797年利用其創制的螺紋車床所生產的螺栓和螺帽。同時期，美國工程師惠特尼用互換性生產方法生產火槍，顯示了互換性的可行性和優越性。這種生產方法在美國逐漸推廣，形成了所謂"美國生產方法"。
20世紀初期，福特在汽車制造上又創造了流水裝配線。大量生產技術加上泰勒在19世紀末創立的科學管理方法，使汽車和其他大批量生產的機械產品的生產效率很快達到了過去無法想象的高度。
20世紀中、后期，加工的主要特點是：不斷提高機床的加工速度和精度，減少對手工技藝的依賴；提高成形加工、切削加工和裝配的化和自動化程度；利用數控機床、加工中心、成組技術等，發展柔性加工系統，使中小批量、多品種生產的生產效率提高到近于大量生產的水平；研究和改進難加工的新型金屬和非金屬材料的成形和切削加工技術。
18世紀以前，匠師全憑經驗、直覺和手藝進行制作，與科學幾乎不發生聯系。到18~19世紀，在新興的資本主義經濟的促進下，掌握科學知識的人士開始注意生產，而直接進行生產的匠師則開始學習科學文化知識，他們之間的交流和互相啟發取得很大的成果。在這個過程中，逐漸形成一整套圍繞工程的基礎理論。
動力最先與當時的先進科學相結合。蒸汽機的發明人薩弗里、瓦特，應用了物理學家帕潘和布萊克的
理論；在蒸汽機實踐的基礎上，物理學家卡諾、蘭
金和開爾文建立起一門新的科學--熱力學。內燃機的理論基礎是法國的羅沙在1862年創立的；1876年奧托應用羅沙的理論，徹底改進了他原來創造的粗陋笨重、噪聲大、熱效率低的內燃機而奠定了內燃機的地位。其他如汽輪機、燃氣
輪機、水輪機等都在理論指導下得到發展，而理論也在實踐中得到改進和提高。
早在公元前，中國已在指南車上應用復雜的齒輪系統，在被中香爐中應用
了能永保水平位置的十字轉架等機件。古希臘已有圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿
傳動的記載。但是，關于齒輪傳動瞬時速比與齒形的關系和齒形曲線的選擇，
直到17世紀之后方有理論闡述。
手搖把和踏板機構是曲柄連桿機構的先驅，在各文明古國都有悠久歷史，
但是曲柄連桿機構的形式、運動和動力的確切分析和綜合，則是近代機構學的
成就。機構學作為一個專門學科，遲至19世紀初才首次列入高等工程學院巴黎的工藝學院的課程。通
過理論研究，人們方能精確地分析各種機構，包括復雜
的空間連桿機構的運動，并進而能按需要綜合出新的機構。
工程的工作對象是動態的，它的工作情況會發生很大的變化。這種變化有
時是隨機而不可預見；實際應用的材料也不完全均勻，可能存有各種缺陷；加
工精度有一定的偏差，等等。
與以靜態結構為工作對象的土木工程相比，工程中各種問題更難以用理論
精確解決。因此，早期的機械工程只運用簡單的理論概念，結合實踐經驗進行
工作。設計計算多依靠經驗公式；為保證安全，都偏于保守，結果制成的機械
笨重而龐大，成本高，生產率低，能量消耗很大。
從18世紀起，新理論的不斷誕生，以及數學方法的發展，使設計計算的精確度不斷的提高。進入20世紀，出現各種實驗應力分析方法，人們已能用實驗方法測出模型和實物上各部位的應力。
20世紀后半葉，有限元法和電子計算機的廣泛應用，使得對復雜的機械及
其零件、構件進行力、力矩、應力等的分析和計算成為可能。對于掌握有充分
的實踐或實驗資料的機械或其元件，已經可以運用統計技術，按照要求的可靠度，科學地進行設計。
