机械工程简史前言

我的专著《机械工程史》刚刚由清华大学出版社出版。如果有学校开设“机械工程简史”这门选修课，它应该是一本可用的教师参考书。这本《机械工程简史》的篇幅小了一半，是作为学生用书而编写的。

多年来，学界同人普遍认为，应对学生加强科技史方面的教育，加强人文素质方面的培养。我很赞同这种意见。学习一些科技发展史，有利于培养文理渗透、理工结合的人才。我主张为机械类专业的本科生开设“机械工程史”的选修课（学时8~16）或讲座（学时4~8）。这件事目前做起来的难度主要是没有教材。现在，只有个别学校开设了机械史的选修课或讲座。我期望本书的出版能有助于把机械史的教育在稍大的规模上开展起来。

本书编写的宗旨和思路已经在绪论中表达清楚。我特别注意不能就科技论科技，而要把机械工程的发展放到社会的发展、经济的发展和整个科技进步的大背景下加以论述。

和专著《机械工程史》比较，本书删去了两章（毛坯生产、机械工程教育）；并在各章中都删减了一些内容，所涉及的事件、人物也都减少了一些。《机械工程史》当然是支撑这本教材的最重要的参考书。本书只在后面列出了最重要的参考文献。读者要对一些史实做进一步了解，则可阅读《机械工程史》，并进一步查阅文献。

书后附录A给出了书中所出现的人物的列表，尽可能地列出了其生卒年、国籍。人物依其姓的字母顺序排列。政治界、宗教界、文学艺术界人士不出现在这几个人名表中，而直接在正文中列出其姓的原文（对俄文的姓给出其对应的英文）。

本书一般是依照时间顺序分成几个阶段来叙述史实的，但个别地方为出于叙述的完整性等原因，并不严格地遵照这一原则。

机械工程史选修课教材的撰写在中国还是首次尝试，错误和不当之处肯定不少，欢迎大家提出宝贵的修改意见。

张策

2015年4月于天津大学新园村

本书讲述机械工程的发展历史,是为本、专科生和研究生的选修课（或讲座）编写的学生用书。本书以介绍机械发明、机械科学与技术的发展为主线，也涉及到机械工业的发展。本书将机械的发展分为三个时代介绍：古代（远古至欧洲文艺复兴）、近代（主要包括两次工业革命）和当代（第二次世界大战以后）。本书既注意讲清科技本身的发展，也要揭示出科技背后的推动力： 经济的发展、国防事业和人类科学探索活动的需求；揭示出科技与社会、科技与自然的关系。

第1章概论

1．1机械发展的历史分期

1．1．1古代(公元前5000年左右至欧洲文艺复兴)

1．1．2近代(文艺复兴至第二次工业革命结束)

1．1．3当代(19世纪末的新物理学革命以来)

1．1．4科学革命、技术革命和工业革命

1．2自然、社会、科学和技术间的几个重要关系

1．2．1社会、科技和自然

1．2．2科技发展背后的推动力

1．2．3经济、科技的发展和整个社会的发展、变革密不可分

1．2．4自然科学基础与相关科技领域的作用

1．3为什么要学习一些科技发展史？

1．3．1扩大知识面要从横向和纵向两个方向进行

1．3．2回溯历史，了解社会，理工结合，文理渗透

1．3．3回溯历史，激发创新精神

第2章古代机械的发展

2．1概述

2．1．1古代人类使用工具的三个时代

2．1．2古代机械发展的三个主要区域

2．1．3中国的辉煌与落伍

2．1．4欧洲发展中的曲折

2．2各种古代机械发展简介

2．2．1简单机械

2．2．2鼓风器

2．2．3舟与车

2．2．4农业机械

2．2．5纺织机械

2．2．6计时器与天文仪器

2．2．7起重机械

2．2．8兵器

2．2．9礼仪与娱乐性机械

2．2．10各种机构与传动

2．3古代的机械制造技术

2．3．1铸造技术

2．3．2锻造和其他压力加工技术

2．3．3焊接技术

2．3．4切削加工技术

2．4关于古代机械的几个问题

2．4．1古代机械的动力

2．4．2依靠直觉和灵感的巧妙创造

2．4．3古代与现代相通

2．4．4关于中国古代科技的两个深层次问题

第3章工业革命前欧洲社会和科技的进步

3．1文艺复兴至工业革命期间的社会发展

3．1．1资本主义生产方式的出现

3．1．2地理大发现

3．1．3文艺复兴运动

3．1．4宗教改革运动

3．1．5启蒙运动

3．1．6资产阶级革命

3．2文艺复兴至工业革命前欧洲的机械科学技术

3．2．1列奥纳多·达·芬奇

3．2．2力学和机械理论的若干进展

3．2．3工业革命前的机械技术

3．3经典力学的创立和发展

3．3．1天文学的突破和科学精神的解放

3．3．2经典力学创立之前的理论准备

3．3．3经典力学的创立

3．3．4经典力学的局限性

3．4微积分理论与微分方程理论的建立

3．4．1微积分理论的建立

3．4．2微分方程理论的建立和发展

第4章第一次工业革命

4．1第一次工业革命发展概况

4．1．1英国发生工业革命的背景

4．1．2第一次工业革命概述

4．2蒸汽机的发明和交通运输革命

4．2．1瓦特改进和发明蒸汽机

4．2．2蒸汽机发明的划时代意义

4．3第一次工业革命中的机械发明

4．3．1蒸汽动力的广泛应用

4．3．2纺织和缝纫机械

4．3．3工程机械与矿山机械

4．3．4农业机械

4．3．5流体机械

4．3．6武器

4．3．7信息机械

4．4近代机械制造业的诞生和早期发展

4．4．1瓦特时代机械加工的状况

4．4．2机床的改进和发明

4．4．3互换性生产的出现

4．4．4标准化的开端

4．5永动机问题的理论解决

第5章第二次工业革命

5．1第二次工业革命发展概况

5．1．1第二次工业革命的历史背景

5．1．2电气时代

5．1．3钢铁时代

5．1．4第二次工业革命期间机械发展概况

5．1．5第二次工业革命的特点

5．2内燃机的发明和新的交通运输革命

5．2．1内燃机的发明和进步

5．2．2汽车的发明和早期发展

5．2．3飞机的发明和早期发展

5．2．4交通工具方面的其他变革

5．3第二次工业革命期间的机械发明

5．3．1动力机械

5．3．2矿山机械

5．3．3工程机械

5．3．4泵和压缩机

5．3．5信息机械

5．3．6武器

5．3．7其他机械

5．4第二次工业革命期间的机械制造业

5．4．1机床的发展

5．4．2刀具材料的进步和切削速度的提高

5．4．3测量水平的提高

5．4．4泰勒的科学管理制度

5．4．5福特首创的大批量生产模式

5．4．6标准化、系列化的发展

5．5机械产品发展的若干趋势

5．5．1机械和运载工具的高速化和大功率化

5．5．2机械的精密化

5．5．3机械的轻量化

5．5．4机械的半自动化

第6章工业革命期间力学的进一步发展

6．1分析力学

6．2连续介质力学

6.2.1固体力学

6．2．2流体力学

第7章近代机械工程学科的诞生和发展

7．1机械工程学科的诞生

7．1．1机构学的诞生

7．1．2机械工程师学会的成立

7．2近代机构学学科的发展

7．2．1机构学的德国学派和俄苏学派

7．2．2连杆机构的应用和理论

7．2．3凸轮机构的演进、分析与设计

7．3机械振动理论与应用的发展

7．4近代的机械动力学

7．4．1机械动力学分析方法的形成

7．4．2转子动力学研究的起步

7．4．3关于机构动力平衡的研究

7．5机械传动与液压传动的演进

7．5．1机械传动的演进

7．5．2流体传动的出现和发展

7．6近代的机械设计学科

7．6．1机械设计发展的几个阶段

7．6．2画法几何学诞生

7．6．3机械设计从应用力学中独立出来

7．6．4近代的机械结构强度学

7．6．5主要机械零件设计方法的形成

7．7近代的机械制造学科

7．7．1概述

7．7．2关于金属切削理论的研究

7．7．3提高机械加工精度的理论与技术

第8章第三次技术革命概貌

8．1第三次技术革命的科学基础

8．1．1新的物理学革命

8．1．2信息论、控制论和系统论的诞生

8．1．3非线性科学的诞生和发展

8．2第三次技术革命的背景和概貌

8．2．1第三次技术革命的背景

8．2．2第三次技术革命的概貌

8．2．3第三次技术革命的特点

8．3第三次技术革命的主要内容

8．3．1概述

8．3．2信息技术

8．3．3新材料技术

8．4与机械工程相关的数学、力学的新进步

8．4．1数值计算方法的巨大进步

8．4．2振动理论的新进展

8．4．3多体动力学的诞生

第9章第三次技术革命中的机械工程概述

9．1新时期的机械工程概述

9．1．1新时期推动机械工程发展的四大因素

9．1．2新时期机械工程的全面大发展

9．2新时期机械产品发展的总趋向

9．2．1机械和运载工具进一步的高速化和大功率化

9．2．2对机械的精密化要求提高到更高的水平

9．2．3对机械的可靠性要求提高到更高的水平

9．2．4对机械和运载工具轻量化的要求更为迫切

9．2．5追求产品的性能价格比

9．2．6降低机器对环境的不良影响

9．2．7机器应安全、舒适、宜人

9．2．8产品的多样化与个性化

9．3新时期机械的重大发明与改进

9．3．1机电一体化产品

9．3．2机器人

9．3．3高速铁路车辆

9．3．4盾构隧道掘进机

9．4机械制造业几个重点领域的迅速发展

9．4．1汽车工业

9．4．2航空航天工业

9．4．3大型发电设备制造业

9．4．4IC制造业

9．4．5机床制造业

9．5关于复杂机电系统

第10章新时期机械学理论的发展

10．1机构学

10．1．1新时期机构学发展概况

10．1．2机构运动学

10．1．3新的机构类型

10．1．4机构动力学

10．2机械传动学

10．2．1齿轮强度计算标准的建立

10．2．2齿轮动力学与减振降噪的研究

10．2．3新型啮合传动的发展

10．2．4其他机械传动

10．3机器人学

10．3．1机器人机构学

10．3．2机器人动力学

10．4机械动力学

10．4．1概述

10．4．2机械动力学分析模型

10．4．3动力学建模的精细化

10．4．4动力学分析与仿真的发展

10．4．5机械动力学在横向形成几个分支领域

10．5机械强度学

10．5．1疲劳设计方法的建立

10．5．2断裂力学的发展

10．5．3智能结构与健康监测

10．6摩擦学

10．6．1近代关于摩擦、磨损和润滑的研究

10．6．2当代的摩擦学研究

10．7微机械学

10．7．1MEMS的技术革命历程

10．7．2MEMS的应用前景

10．7．3关于微机械系统的研究

10．8流体传动与控制

第11章新时期机械设计的全新面貌

11．1新时期机械设计概述

11．1．1新时期机械设计的全面大发展

11．1．2设计理论和方法学

11．2机械创新设计的理论和方法

11．2．1创造学在美国的诞生和发展

11．2．2苏联的TRIZ理论和方法

11．2．3机械创新设计

11．2．4反求设计

11．2．5仿生设计

11．3计算机图形学和计算机辅助设计

11．3．1计算机图形学

11．3．2计算机辅助设计

11．4保证产品主要性能的现代设计方法

11．4．1优化设计

11．4．2可靠性设计

11．4．3保值设计

11．5动态设计与振动控制

11．5．1静态设计与动态设计

11．5．2动态设计方法的发展

11．5．3振动控制技术的发展

第12章新时期机械制造的全新面貌

12．1新时期机械制造概述

12．1．1新时期对机械制造技术提出的新挑战

12．1．2新时期机械制造技术发展的总趋向

12．2自动化——先进制造技术发展的主线

12．2．1数控加工和数控机床的诞生和发展

12．2．2工艺编制技术的进步

12．2．3CAD/CAPP/CAM的集成

12．2．4柔性制造系统

12．2．5机器人在制造中的应用

12．3切削加工技术的进步

12．3．1刀具材料的新进步

12．3．2高速切削技术

12．3．3精密与超精密加工技术

12．3．4难加工材料的加工技术

12．3．5干式加工技术

12．3．6关于加工振动控制的理论与实践

12．3．7与切削加工的进步相适应的机床技术

12．4特种加工技术的出现和发展

12．5增量制造技术

12．6绿色制造技术

12．6．1绿色制造——从认识到行动

12．6．2绿色制造技术的内容

12．6．3再制造技术

12．7企业活动的信息化、智能化和网络化

12．7．1计算机集成制造系统

12．7．2制造活动的网络化

第13章近当代中国的机械工程

13．1洋务运动中的机械工程

13．1．1鸦片战争以前西方机械技术的传入

13．1．2洋务运动概况

13．1．3中国近代机械工业的诞生

13．1．4中国近代高等工程教育的诞生

13．1．5洋务运动的失败

13．2民国时期的机械工程

13．2．1民国时期的机械工业

13．2．2民国时期的机械工程教育与研究

13．2．3中国机械工程学会的成立

13．3当代中国的机械工程(改革开放以前)

13．3．1新中国成立后的机械工业与机械科技

13．3．2新中国成立后的高等机械工程教育

13．3．3文化大革命中的机械工业和教育

13．4当代中国的机械工程(改革开放以来)

13．4．1改革开放以来中国机械工业的跨越式发展

13．4．2改革开放以来中国的机械科学与技术

13．4．3改革开放以来中国的高等机械工程教育

附录A人名表

参考文献2100433B

机械工程及其自动化以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合生产实践中的技术经验，研究和解决在开发、设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的全部理论和实际问题的应用学科。机械是现代社会进行生产和服务的五大要素（人、资金、能源、材料和机械）之一，并参与能量和材料的生产。

石器时代人类制造和使用的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单工具是后来出现的机械的先驱。

几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用于提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力由人力发展到畜力、风力和水力。所用材料由天然的石、木、土、皮革等发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷。制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作3个部分的完整机械 。鼓风器对人类社会发展起了重要作用。强大的鼓风器使冶金炉获得足够高的炉温，得从矿石中炼取金属。西周时期，中国就已有了冶铸用的鼓风器。15～16世纪以前，机械工程发展缓慢。17世纪以后，资本主义商品经济在英、法等国迅速发展，许多人致力于改进各产业所需要的工作机械和研制新的动力机械——蒸汽机。18世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉和冶金等行业。制作机械的主要材料逐渐从木材改为金属。机械制造工业开始形成，并逐渐成为重要产业。机械工程从分散性的、主要依赖匠师个人才智和手艺的技艺发展成为有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成18～19世纪的工业革命和资本主义机械大生产的主要技术因素。

动力机械的发展

17世纪后期，随着机械的改进，煤和金属矿石需求量的增加，只依靠人力和畜力已不能适应生产提高的要求，于是在18世纪初出现了T.纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。1765年，J.瓦特发明了有分开凝汽器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。1781年，瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，促进矿业和工业生产、铁路和搬运机械动力化。几乎成为19世纪唯一的动力源。但蒸汽机及其锅炉、凝汽器和冷却水系统等体积庞大、笨重，应用不便。19世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。20世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。发电站初期应用蒸汽机为原动机；20世纪初，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水力资源的大、小功率的水轮机。19世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵并可随时启动的原动机。内燃机最初用于驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械（如拖拉机、挖掘机械等）和轮船，20世纪中期开始用于铁路机车。内燃机和以后发明的燃气轮机和喷气发动机，还是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。 机械加工技术的发展

工业革命以前，机械大都是由木工手工制成的木结构，金属（主要是钢和铁）仅用以制造仪器、钟表、锁、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精工细作以达到需要的精度。随着蒸汽机的广泛使用以及随之出现的矿山、冶金、轮船和机车等大型机械的发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，所用金属材料由铜、铁发展到以钢为主。机械加工（包括铸造、锻压、焊接、热处理等技术及其设备以及切削加工技术和机床、刀具、量具等）迅速发展，从而保证了发展生产所需要的各种机械装备供应。同时，随着生产批量的增大和精密加工技术的发展，也促进了大量生产方法（零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等）的形成。

机械工程基础理论的发展

18世纪以前，机械匠师全凭个人经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎无关。直到18～19世纪才逐渐形成围绕机械工程的基础理论。动力机械最先与科学相结合，如蒸汽机的发明人T.萨弗里和瓦特应用物理学家D.帕潘和J.布莱克的理论，物理学家S.卡诺、W.J.M.兰金和开尔文在蒸汽机实践的基础上建立起一门新的学科——热力学等。19世纪初，研究机械中机构结构和运动等的机构学第一次列为高等工程学院（巴黎的工艺学院）的课程。从19世纪后半期起已开始设计计算考虑材料的疲劳。随后断裂力学、实验应力分析、有限元法、数理统计、电子计算机等相继被用在设计计算中。

《全国高职高专艺术设计类专业规划教材·设计简史》主要内容为：关于设计历史的书，或史料详尽，不易把握设计发展的整体脉络；或过于简化，缺少分析，对设计实践的指导作用较弱。所以，我们尝试在梳理设计的观念沿革、风格演进的主要咏络时，对代表人物、经典作品进行分析、对比，发掘史实的现实意义，于是诞生了这本《设计简史》。

《设计简史》尽力删繁就简、宏微兼顾，虽只是简史，但设计历史框架基本完整。内容上力图述其精要，各章节环环紧扣，线索清晰，同时突破以往仅专注于产品设计史的局面，适时增加平面设计史、环境设计史、多媒体设计史等；形式上力图使文本的可读性与图片的可视性互动。

《设计简史》可供高职高专院校及本科设计类各专业师生使用，也可作设计师和有意了解设计问题的广大读者的参考书。通过理论分析与案例解读，相信《设计简史》会对读者的设计实践与理论水平的提升有所裨益。

关于设计历史的书，或史料详尽不易把握设计发展的整体脉络；或过于简化，缺少分析，对设计实践的指导作用较弱。所以，我们尝试着梳理设计的观念沿革、风格演进的主要脉络时，对代表人物、经典作品进行分析、对比，发掘史实的现实意义，于是诞生了这本《设计简史》。本书尽力删繁就简、宏微兼顾，虽只是简史，但设计历史框架基本完整。内容上力图述其精要，各章节环环紧扣，线索清晰，同时突破以往仅专注于产品设计史的局面，适时增加平面设计史、环境设计史、多媒体设计史等；形式上力图使文本的可读性与图片的可视性互动。本书可供高等院校专、本科设计类各专业师生使用，也可作设计师和有意了解设计的广大读者的参考书。通过理论分析与案例解读，相信本书会对读者的设计实践与理论水平的提升有所裨益。