寓中国古代机械于《机械设计基础》教学之中

任国强

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

寓中国古代机械于《机械设计基础》教学之中

任国强

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000）

《机械设计基础》课程中讲到的许多力学知识和原理，机构的组成和运动，常用的零部件选择和设计等基本上都可以在中国古代机械上找到最初的雏形，在课程中穿插中国古代机械的知识，将中国古代机械的发展和课程的知识体系进行有机融合来开展教学有利于培养学生的民族自尊心和自信心，培养其爱国主义情感，通过让其感受机械设计成果的美感，可以提高学生运用知识进行创新设计的能力。

中国古代机械；机械设计基础；教学

在我国古代，机械的发明设计者和制造者一般是统一的，他们的成果代表了当时我国甚至是世界的机械的设计水平，我国古代机械在机械原理、结构设计和动力应用等方面取得较高成就，在世界机械史上处于遥遥领先的地位，如记里鼓车、指南车、地动仪等，均有独到之处。其中不少成果还传播到了世界各地，对世界机械技术的进步起到了直接的促进作用。

《机械设计基础》课程是高职院校机械类、汽车类、机电类专业几乎都会涉及的一门专业技术基础课，目前，多数高职院校在改课程中主要是讲解一般机械中常用机构和通用零件的工作原理、组成、性能特点等内容。而对于在课程中穿插中国古代机械的知识和对人类文明的贡献等知识却讲解甚少，将中国古代机械的发展和课程的知识体系进行有机融合来开展教学的就更加少之又少。然而，我们今天在机械设计基础课程中讲到的许多力学知识和原理，机构的组成和运动，常用的零部件等基本上都可以在中国古代机械上找到最初的雏形，下面就从以下几个方面来分析如何将中国古代机械融入机械设计基础教学之中。

1 中国古代简单机械与机械设计基础教学

在绪论部分，机械设计基础一般会讲解机械、机器、机构等相关概念，尤其是第一个就会涉及到机械这个概念，这个时候，我们就可以引入中国古代关于机械的概念，既：古代常以“机”指弩上发箭的装置，即弩机。“械”在古代是指器械、器物等实物。这个时候可以举例如古代狩猎的一块石头、一根木棍，现代的一双筷子、一个扫帚等都属于简单机械，这样，就为学生建立了机械的简单感性认识。

在讲解平面连杆机构和带传动的时候，对于连杆、曲柄、偏心轮等概念和铰链四杆机构的基本形式及其演化，可以引入古代粮食加工机械中的“水击面罗”、在冶铸生产中使用的鼓风机械“水排”来说明在中国古代复杂连杆机构的应用。水排的组件包括卧式水轮(动力轮)、立轴(轮轴)、上卧轮、弦索(传动带)、旋鼓(偏心轮或凸轮)、掉枝(曲柄)、行桄(连杆)，还有攀耳(实则为摇转杆上两个突耳)、活动接头等。通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动。不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动，还运用了皮带传动。

《农书》中的水排

《农书》中的水击面罗

水碓

在此，也可以水排为例来引入讲解机器的概念、组成的，因为水排在结构上已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分，因此实际上可以看作是现代水轮机的前身，水排的出现标志着中国复杂机器的诞生。而且可以进一步说明它们是近代蒸汽机、内燃机中连杆机构的始祖，在近代工业兴起之时，它们都起了不可或缺的作用。

在讲解凸轮机构时，可以指出凸轮机构在古代也得到广泛应用，凸轮在古代是一种具有曲面周缘或凹槽的机件。古代水碓、机碓中，转动轴上装有数组拨杆，拨杆不仅与主轴一起转动，而且它拨动舂杆(即从动杆)，使舂杆往复上下跳动。这各组拨杆就起了凸轮作用。在记里鼓车、张衡创制的称为“转轮蓂荚”的天文仪器以及儿童玩耍的小风车上，都有类似的凸轮。

2 中国古代车辆与机械设计基础教学

在齿轮传动的讲解时，可以通过讲解齿轮在我国产生的年代和历史背景来引入，既：齿轮大量发现于战国、秦汉时期，一般用以改变传动或转动方向、速度及改变力矩。出土实物中，有战国齿轮陶范、汉代铁齿轮和青铜齿轮；从其形态种类言，有普通齿轮、棘轮和人字形齿轮，也有直齿轮和斜齿轮。齿轮被广泛用于磨、里程计、弓弩瞄准器和天文钟等方面，其中可以重点讲解中国人字齿轮的应用比法国雪铁龙申请专利的时间早1000多年。

山西出土的最古老齿轮

东汉初年人字齿轮

在齿轮系和离合器这两部分讲解时，可以讲中国古代四大发明之一的指南车和记里鼓车作为这部分内容的引入。在指南车中，除两个沿地面滚动的足轮(即车轮)外，尚有大小不同的7个齿轮。《宋史·舆服志》分别记载了这些齿轮的直径或圆周以及其中一些齿轮的齿距与齿数。由齿数、转动数，并保证木人指南的目的，可见古人掌握了关于齿轮匹配的力学知识和控制齿轮离合的方法，在指南车中也充分应用了齿轮系中的差动轮系。

指南车

记里鼓车

记里鼓车又名记道车、大章车。它是利用车轮带动大小不同的一组齿轮，使车轮走满一里时，其中一个齿轮刚好转动一圈，该轮轴拨动车上木人打鼓或击钟，报告行程。记里鼓车是减速齿轮系的典型。它也是现代出租车、计速器的重要祖先。它的报告里数的设计，也是近代所有机械钟表中报时木偶的始祖。

前面所述的机械是在连续运动和往复运动之间作变换的机械，而中国古代的计时机械却能将连续运动均匀地分割为等时运动，包含了复杂的齿轮系统和间隙远动机构，它的创制为近代机器生产中的自动机械提供了先例和相关的原理，对近代科学的兴起曾产生重大影响。

3 中国古代农业机械与机械设计基础教学

在链传动这部分，可以以中国古代农业机械龙骨水车和水运仪象中的天梯为例进行引入。在中国商代的马具上已开始出现青铜链条，链条作为装饰也出现在其他青铜器和玉器上，在西安出土的秦铜车马上，也有十分精美的金属链条。

《天工开物》中的踏车

苏颂所制水运仪象台中的天梯

东汉时毕岚率先发明翻车（龙骨水车），用以引水。其结构是以木反为槽，尾部浸入水流中，有小轮轴一（从动链轮）。另一端有小轮轴（主动链轮），固定于堤岸的木架上，绕在轮上的翻板就是传动链。用时踩动拐木（曲柄），使大轮轴转动，带动槽内板叶刮水上行，倾灌于地势较高的田中。根据其工作原理和运动关系，可以看作是一种链传动，因此，翻车是链传动的一种特例。到了宋代，苏颂制造的水运仪象台上，出现了一种“天梯”，实际上是一种铁链条，下横轴通过“天梯”带动上横轴，从而形成了真正的链传动。

4 结束语

中国的机械技术在相当长的历史时期内居世界先进行列，这些杰出的机械发明，对中国的物质文化和社会经济发展起到了重要的促进作用，对人类技术文明的进步做出了重大贡献。尽管中国古代机械的产品大都已成为历史的陈迹，但我们的前人在创造机械中所表现出的思想与智慧，提出问题，分析问题与解决问题的方法，为我们今天机械设计提供了历史借鉴，大量的古代机械设计资料和文献是我们今天取之不尽，用之不竭的历史资源与文化资源。

通过分析各种典型机械的工作原理和应用，使我们能对机械有感性的认识；通过分析机械中富含的人生哲理来陶冶我们的情操；通过分析机械与人的关系来帮助其健康成长来培养我们的创新意识；通过分析机械与人生的共性来帮助我们培养自我的人生规划、审美情操以及良好的人际关系。在课程的教学过程中始终穿插爱国主义教育，增加学生的民族自豪感。

［1］刘仙洲.中国机械工程发明史（第一编）[M].北京：科学出版社，1962.

［2］路甬祥，胡维佳.中国古代科学技术史纲——技术卷[M].沈阳:辽宁教育出版社，1996:251-318.

［3］陆敬严.中国古代机械文明史[M].上海：同济大学出版社，2012.

责任编辑：张隆辉

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1672-2094(2014)04-0144-02

2014-04-03

任国强（1975-），四川南充人，四川职业技术学院汽车工程系副教授。