机械工程
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机械工程(Mechanical Engineering)是一門涉及利用物理定律為機械系統作分析、設計、生產及維修的工程學科。這學科要求學員對应用力学、热学、物质与能量守恒等基礎科学原理有鞏固的認識，並利用這些知識去分析静态和动态物质系统，创造、设计实用的装置、设备、器材、器件、工具等。機械工程學的知識可應用於汽車、飛機、空調、建築、橋樑、工業儀器及機器等各個層面之上。
機械工程所處理的﹐是把能量及物料轉化成可使用的物品。從宏觀的角度來看﹐我們生活中所接觸的每一件物件﹐其製造過程均可說與機械工程有關。 機械工程是眾多工程學科中範圍最廣的一科。從業員需擁有富創造性的智力﹐充份明瞭各科學理論的原理，及對不同物品的需求和特點有充份認識。此外﹐他更須備有力求追上最新科技發展的意向。合資格的機械工程人員可從事不同行業的工作﹐包括製造﹑屋宇設備工程﹑發電站﹑海事﹑交通﹑環境保護﹑公共服務及學術機構等等。
任何現代產業和工程領域都需要應用機械﹐例如農業﹑林業﹑礦山等需要農業機械﹑林業機械﹑礦山機械﹔冶金和化學工業需要冶金機械﹑化工機械﹔紡織和食品加工工業需要紡織機械﹑食品加工機械﹔房屋建築和道路﹑橋梁﹑水利等工程需要工程機械﹔電力工業需要動力機械﹔交通運輸業需要各種車輛﹑船舶﹑飛機等﹔各種商品的計量﹑包裝﹑儲存﹑裝卸需要各種相應的工作機械。
就是人們的日常生活﹐也越來越多地應用各種機械了﹐如汽車﹑自行車﹑縫紉機﹑鐘錶﹑照相機﹑洗衣機﹑冰箱﹑空調機﹑吸塵器﹐等等。機械工程是以有關的自然科學和技術科學為理論基礎﹐結合在生產實踐中積累的技術經驗﹐研究和解決在開發﹑設計﹑製造﹑安裝﹑運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題的一門應用學科。
各個工程領域的發展都要求機械工程有與之相適應的發展﹐都需要機械工程提供所必需的機械。某些機械的發明和完善﹐又導致新的工程技術和新的產業的出現和發展﹐例如大型動力機械的製造成功﹐促成了電力系統的建立﹔機車的發明導致了鐵路工程和鐵路事業的興起﹔內燃機﹑燃氣輪機﹑火箭發動機等的發明和進步以及飛機和航天器的研製成功導致了航空﹑航天工程和航空﹑航天事業的興起﹔高壓設備(包括壓縮機﹑反應器﹑密封技術等)的發展導致了許多新型合成化學工程的成功。機械工程就是在各方面不斷提高的需求的壓力下獲得發展動力﹐同時又從各個學科和技術的進步中得到改進和創新的能力。
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[编辑] 機械工程的發展演進歷史
[编辑] 古代
人類成為“現代人”的標誌是製造工具。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後來出現的機械的先驅。從製造簡單工具演進到製造由多個零件﹑部件組成的現代機械﹐經歷了漫長的過程。 幾千年前﹐人類已創製了例如用於穀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﹐航行於江河的船及其槳﹑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。製造陶瓷器皿的陶車﹐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﹐並漸從人力鼓風發展到畜力和水力鼓風。
早在公元前﹐中國已在指南車上應用複雜的齒輪系統﹐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﹑圓錐齒輪和蝸杆傳動的記載。但是﹐關於齒輪傳動瞬時速比與齒形的關係和齒形曲線的選擇﹐直到17世紀之後方有理論闡述。手搖把和踏板機構是曲柄連杆機構的先驅﹐在各文明古國都有悠久歷史﹐但是曲柄連杆機構的形式﹑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世紀初才第一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﹐包括複雜的空間連杆機構的運動﹐並進而能按需要綜合出新的機構。
[编辑] 近代
15～16世紀以前﹐機械工程發展緩慢。但在以千年計的實踐中﹐在機械發展方面還是積累了相當多的經驗和技術知識﹐成為後來機械工程發展的重要潛力。17世紀以後﹐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。許多高才藝的機械匠師和有生產觀念的知識分子致力於改進各產業所需的工作機械和研製新的動力機械──蒸汽機。18世紀後期﹐蒸汽機的應用從採礦業推廣到紡織﹑麵粉﹑冶金等行業。製作機械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。機械製造工業開始形成﹐並在幾十年中成為一個重要產業。機械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。機械工程是促成18～19世紀的工業革命以及資本主義機械大生產的主要技術因素。 動力機械的發展 動力是發展生產的重要因素。17世紀後期﹐隨著各種機械的改進和發展﹐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機械。但當時已有一定規模的煤礦﹑錫礦﹑銅礦礦井中的地下水﹐仍只能用大量畜力來提昇和排除。 在這樣的生產需要下﹐18世紀初出現了紐科門﹐T.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﹐基本上只應用於煤礦。 1765年瓦特﹐J.發明了有分開的凝汽器的蒸汽機﹐降低了燃料消耗率。 1781年瓦特又創製出提供迴轉動力的蒸汽機﹐擴大了蒸汽機的應用範圍。蒸汽機的發明和發展﹐使礦業和工業生產﹑鐵路和航運都得以機械動力化。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﹐成為驅動各種工作機械的基本動力。生產的機械化已離不開電氣化﹐而電氣化則通過機械化才對生產發揮作用。 發電站初期應用蒸汽機為原動機。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力資源的大﹑小功率的水輪機﹐促進了電力供應系統的蓬勃發展。 19世紀後期發明的內燃機經過逐年改進﹐成為輕而小﹑效率高﹑易於操縱﹑並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機械﹐以後又用於汽車﹑移動機械(如拖拉機﹑挖掘機械等)和輪船﹐到20世紀中期開始用於鐵路機車。蒸汽機在汽輪機和內燃機的排擠下﹐已不再是重要的動力機械。內燃機和以後發明的燃氣輪機﹑噴氣發動機的發展﹐還是飛機﹑航天器等成功發展的基礎技術因素之一。
機械加工技術的發展 工業革命以前﹐機械大都是木結構的﹐由木工用手工製成。金屬(主要是銅﹑鐵)僅用以製造儀器﹑鎖﹑鐘錶﹑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﹑機車等大型機械的發展﹐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。機械加工包括鑄造﹑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機械裝備的供應。 社會經濟的發展﹐對機械產品的需求猛增。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(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)的形成。
簡單的互換性零件和專業分工協作生產﹐在古代就已出現。在機械工程中﹐互換性最早體現在莫茲利﹐H.於1797年利用其創製的螺紋車床所生產的螺栓和螺帽。同時期﹐美國工程師E.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”。
18世紀以前﹐機械匠師全憑經驗﹑直覺和手藝進行機械製作﹐與科學幾乎不發生聯繫。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機械工程的基礎理論。 動力機械最先與當時的先進科學相結合。蒸汽機的發明人T.薩弗里﹑瓦特應用了物理學家D.帕潘和J.布萊克的理論。在蒸汽機實踐的基礎上﹐物理學家S.卡諾﹑W.J.M.蘭金和開爾文建立起一門新的科學──熱力學。內燃機的最重要的理論基礎是法國的A.E.B.de羅沙在1862年創立的﹐1876年奧托﹐N.A.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。
[编辑] 現代
在工業革命以前，大多數的工程項目都限於軍事及城市發展。從事軍事方面的工程師負責研制戰爭工具和系統；從事城市發展的工程師則負責建築和地面設施。在十九世紀早期的英國，機械工程師成為新興的行業，負責提供工業用機械和推動機械所需要的動力。在1818年，首個專業土木工程師組織成立，而機械工程師亦相繼於1847年成立組織。
20世紀初期﹐福特﹐H.在汽車製造上又創造了流水裝配線。大量生產技術加上泰勒﹐F.W.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像的高度。 20世紀中﹑後期﹐機械加工的主要特點是﹕不斷提高機床的加工速度和精度﹐減少對手工技藝的依賴﹔發展少無切削加工工藝﹔提高成形加工﹑切削加工和裝配的機械化和自動化程度。自動化從機械控制的自動化發展到電氣控制的自動化和計算機程序控制的完全自動化﹐直至無人車間和無人工廠﹔利用數字控制機床﹑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於大量生產的水平﹔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。
而世界上建立最早的機械工程學術團體是英國機械工程師學會(IME)﹐成立於1847年﹐第一任主席是鐵路機車發明家斯蒂芬森﹐G.。英國機械工程師學會的建立﹐標誌著機械工程已確立為一個獨立的學科﹐機械工程師被社會公認為受尊敬的職稱。
在此之前﹐從事機械製造﹑使用和修理的人﹐被稱為機器匠﹐社會地位不高。
隨著機械製造作為一個獨立的工業部門日益發展﹐各國機械工程師學會紛紛建立﹐這在很大程度上反映了機械工業初創階段﹐企業主和技術人員要求自由開展學術交流﹑維護共同利益﹑爭取提高社會地位的共同願望。
在西方﹐機械工程師學會和機械工程學科同時誕生﹐在推動學科發展﹑提高機械工程師社會地位方面起到了重要的作用。 英國機械工程師學會根據國家法律規定﹐有權考核工程師﹐並授予特許工程師稱號。
德國工程師學會(VDI)成立於1856年﹐主要活動範圍是機械工程。它在制訂指導性技術文件方面在全國處於領先地位。 美國機械工程師學會(ASME)成立於1880年。它承擔美國機械工業標準的制訂工作。 日本機械工程師學會(JSME)成立於1897年。 印度機械工程師學會成立於1920年。 中國機械工程學會成立於1936年。
各國機械工程師學會的主要活動大體相同﹐如組織學術討論會﹑協調科學研究任務﹑普及科學技術知識等。同時﹐各國的學會又根據各自社會和歷史背景的不同﹐發展各自的優勢﹐使各國的機械工程師學會又具有不同的特點。
在組織建制方面﹐各國機械工程學會經過不同的探索﹐一方面建立專業分會或專業委員會﹐開展專業性學術活動﹐另方面建立地區分支機構﹐組織地區性學術活動。這種組織結構逐步發展成為各國機械工程學會共同的特點和傳統。隨著機械化向各工業部門延伸﹐領域不斷擴大﹐各國機械工程學會多是歷史悠久﹑規模最大﹑會員最多﹑活動範圍最廣的學術團體。
20世紀以來﹐特別是第二次世界大戰以來﹐各國機械工程學術團體有了大規模的發展。國際學術交流也日益頻繁。機械工程的一些專業分支學科﹐紛紛建立世界性統一的學術團體﹐例如國際焊接學會(IIW)﹑國際鑄造學會(CIATF)﹑國際材料熱處理聯合會(IFHT)﹑國際機器理論與機構學聯合會(IFToMM)﹑國際壓力容器理事會(ICPV)﹑國際無損檢測理事會(ICNDT)﹑國際摩擦學理事會(ITC)﹑國際生產工程研究會(CIRP)等。
隨著機械工程學科各分支與相鄰專業學科互相滲透和綜合﹐還出現了一批國際性的工程學術團體﹐如1950年成立的國際技術協會聯盟(UITA)﹑1958年成立的世界工程組織聯合會(WFEO)等﹐參加的有近百個國家的工程組織﹐並取得聯合國教科文組織的支持。在這些國際工程組織中﹐機械工程學科和學術團體往往是一支中堅力量。
[编辑] 機械工程教育
機械工程是運用力學﹑液流﹑熱力學﹑電子﹑計算及物料性質的理論﹐以設計及製造各類型的機械製品及系統﹐如發動機﹑機器﹑儀器﹑消費品及機械﹑熱力﹑水力或傳熱系統。隨著科技的日新月異﹔電腦輔助設計及電腦輔助製造技術已廣泛地被採用。 一般來說﹐機械工程師會專注某一方面的工作﹐例如熱傳﹑水力﹑電機﹑電子機械﹐機械人製造﹑空氣調節﹑冷藏﹑升降機與電梯﹐或某類特定的製品如機器﹐推進系統﹑機械人及機動儀器等。
機械工程的工作對象是動態的機械。它的工作情況會發生很大的變化。這種變化有時是隨機的而不可預見﹔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﹐機械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﹐都偏於保守。結果﹐製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﹐設計計算從兩個方面不斷提高了精確度﹕在材料強度方面﹐從早期按靜強度除以安全係數(考慮一切不精確性和分散性因素的經驗係數)的粗糙計算﹐提高到考慮材料的疲勞(19世紀後半期)﹔從一律按材料的無限疲勞壽命進行設計﹐改為按照實際要求的壽命進行有限壽命設計(20世紀前半期)﹔從認為材料原則上不能有裂紋﹐發展到以斷裂力學理論為依據﹐考慮裂紋材料的強度和壽命。在機械結構的力學分析方面﹐從應用經驗公式和簡化的力學分析來確定各種受力和力矩﹐發展到應用複雜的力學分析和數學計算方法。進入20世紀﹐又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﹐在發現應力過高過低時﹐便可能作出必要的調整。20世紀後半葉﹐人們開始應用有限元法和電子計算機的迅速可靠的數值計算﹐對複雜的機械及其零件﹑構件進行力﹑力矩﹑應力﹑應變等的分析和計算。對於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機械設計﹐或者按機械的實際情況(實際的質量﹑實際的使用條件等)科學地判斷其可靠度和壽命。但在許多機械工程工作中﹐仍還應用一些經驗方法﹑經驗公式和經驗係數等﹐不過其中的科學成分在不斷增加﹐經驗成分則不斷減少。
[编辑] 機械工程學科分支
機械的種類繁多﹐可以按幾個不同方面分為各種類別﹐如﹕ 按功能可分為動力機械﹑物料搬運機械﹑粉碎機械等﹔ 按服務的產業可分為農業機械﹑礦山機械﹑紡織機械等﹔ 按工作原理可分為熱力機械﹑流體機械﹑仿生機械等。
相同的工作原理﹐相同的功能或服務於同一產業的機械有相同的問題和特點﹐因此機械工程就有幾種不同的分支學科體系。另外﹐全部機械在其研究﹑開發﹑設計﹑製造﹑運用等過程中都要經過幾個工作性質不同的階段﹐按這些不同階段﹐機械工程又可劃分為互相銜接﹑互相配合的幾個分支系統﹐如機械科研﹑機械設計﹑機械製造﹑機械運用和維修等。這些按不同方面分成的多種分支學科系統互相交叉﹐互相重疊﹐從而使機械工程可能分化成上百個分支學科。 例如按功能分的動力機械﹐它與按工作原理分的熱力機械﹑流體機械﹑透平機械﹑往復機械﹑蒸汽動力裝置﹑核動力裝置﹑內燃機﹑燃氣輪機﹐以及與按行業分的中心電站設備﹑工業動力裝置﹑鐵路機車﹑船舶輪機工程﹑汽車工程等有複雜的交叉和重疊關係。船用汽輪機是動力機械﹐也是熱力機械﹑流體機械和透平機械﹐它屬於船舶動力裝置﹑蒸汽動力裝置﹐可能也屬於核動力裝置。驅動時鐘用的發條和重錘裝置是動力機械﹐但不是熱力機械﹑流體機械﹑透平機械或往復機械。其他分支之間也有類似的重疊﹑交叉關係。
分析這種複雜關係﹐研究機械工程最合理的分支系統﹐有一定的知識意義﹐但沒有很大的實用價值。
[编辑] 機械工程的服務領域和工作內容
[编辑] 服務領域
機械工程的服務領域廣闊而多面﹐凡是使用機械﹑工具﹐以至能源和材料生產的部門﹐無不需要機械工程的服務。概括說來﹐現代機械工程有五大服務領域。 1.研製和提供能量轉換機械﹐包括將熱能﹑化學能﹑原子能﹑電能﹑流體壓力能和天然機械能轉換為適合於應用的機械能的各種動力機械﹐以及將機械能轉換為所需要的其他能量(電能﹑熱能﹑流體壓力能﹑勢能等)的能量變換機械。 2.研製和提供用以生產各種產品的機械﹐包括應用於第一產業的農﹑林﹑牧﹑漁業機械和礦山機械﹐以及應用於第二產業的各種重工業機械和輕工業機械。 3.研製和提供從事各種服務的機械﹐包括交通運輸機械﹑物料搬運機械﹑辦公機械﹑醫療器械﹑通風﹑採暖和空調設備﹑除塵﹑淨化﹑消聲等環境保護設備等。 4.研製和提供家庭和個人生活中應用的機械﹐如洗衣機﹑冰箱﹑鐘錶﹑照相機﹑運動器械等。 5.研製和提供各種機械武器。
[编辑] 工作內容
不論服務於哪一領域﹐機械工程的工作內容基本相同﹐按其工作性質可分為六個方面。
1.建立和發展可以實際地和直接地應用於機械工程的工程理論基礎。這方面主要有﹕研究力和運動的工程力學和流體力學﹔研究金屬和非金屬材料的性能及其應用的工程材料學﹔研究材料在外力作用下的應力﹑應變等的材料力學﹔研究熱能的產生﹑傳導和轉換的燃燒學﹑傳熱學和熱力學﹔研究摩擦﹑磨損和潤滑的摩擦學﹔研究機械中各構件間的相對運動的機構學﹔研究各類有獨立功能的機械元件的工作原理﹑結構﹑設計和計算的機械原理和機械零件學﹔研究金屬和非金屬的成形和切削加工的金屬工藝學和非金屬工藝學等。 2.研究﹑設計和發展新的機械產品﹐不斷改進現有機械產品和生產新一代機械產品﹐以適應當前和將來的需要。這方面包括﹕調研和預測社會對機械產品的新的要求﹔探索應用機械工程和其他工程技術中出現的新理論﹑新技術﹑新材料﹑新工藝﹐進行必要的新產品試驗﹑試製﹑改進﹑評價﹑鑑定和定型﹔分析正在試用的和正式使用的機械存在的缺點﹑問題和失效情況﹐並尋求解決措施。 3.機械產品的生產。包括﹕生產設施的規劃和實現﹔生產計畫的制訂和生產調度﹔編制和貫徹製造工藝﹔設計和製造工具﹑模具﹔確定勞動定額和材料定額﹔組織加工﹑裝配﹑試車和包裝發運﹔對產品質量進行有效的控制。 4.機械製造企業的經營和管理。機械一般是由許多各有獨特的成形﹑加工過程的精密零件組裝而成的複雜的製品﹐生產批量有單件和小批﹐也有中批﹑大批﹐直至大量生產﹐銷售對象遍及全部產業和個人﹑家庭﹐而且銷售量在社會經濟狀況的影響下可能出現很大的波動。因此﹐機械製造企業的管理和經營特別複雜和困難。企業的生產管理﹑規劃和經營等的研究也多是肇始於機械工業。生產工程﹑工業工程等在成為獨立學科之前﹐都曾是機械工程的分支。 5.機械產品的應用。這方面包括選擇﹑訂購﹑驗收﹑安裝﹑調整﹑操作﹑維護﹑修理和改造各產業所使用的機械和成套機械裝備﹐以保證機械產品在長期使用中的可靠性和經濟性。 6.研究機械產品在製造過程中﹐尤其是在使用中所產生的環境污染和自然資源過度耗費方面的問題及其處理措施。這是現代機械工程的一項特別重要的任務﹐而且其重要性與日俱增。
[编辑] 基礎理論
在美國，機械工程學的課程受到ABET的監管，以保證畢業生對有關項目有最起碼的認知。所以，雖然各家院校所提供的課程內容有異，但一般的機械工程學課程都至少包含以下各個基本科目[1][2]：
- 靜力學及動力學 (statics and dynamics)；
- 固體力學及材料強度學 (solid mechanics and strength of materials)；
- 量度及儀器 (instrumentation and measurement)；
- 熱力學、熱傳學、能量轉換、冷凍原理及空氣調節學（thermodynamics, heat transfer, energy conversion, and refrigeration/air conditioning）；
- 流體力學及流體動力學 （fluid mechanics/fluid dynamics）；
- 機構設計 （mechanism design, including kinematics and dynamics）；
- 製造技術或過程 （manufacturing technology or processes）；
- 液氣壓學（hydraulics & pneumatics）；
- 工程設計（engineering design）
- 機電整合及控制理論（mechatronics and/or control theory）；
- 工程繪圖、電腦輔助設計（CAD）、電腦輔助製造（CAM）、固體塑模（Solid Modelling）
至於在大中華地區，機械工程學普遍包括以下各個範疇：
[编辑] Subdisciplines
The field of mechanical engineering can be thought of as a collection of many mechanical disciplines. Several of these subdisciplines which are typically taught at the undergraduate level are listed below, with a brief explanation and the most common application of each. Some of these subdisciplines are unique to mechanical engineering, while others belong to mechanical engineering and one or more other disciplines. Most work that a mechanical engineer does uses skills and techniques from several of these subdisciplines, as well as specialized subdisciplines. Specialized subdisciplines as defined here are usually the subject of graduate more than undergraduate research. Several specialized subdisciplines are discussed at the end of this section 機械工程可以看作是所有機械相關的集合。以下是機械工程系大部分的課程，附有簡短的解說和常見的應用說明。其中有些是機械工程才有的特色。機械工程師多是運用學自這些和其他更專業的課程的方法和技巧。更專業的課程是指研究所的課程，將在這單元的最後討論。
[编辑] 力學
力學 ，以常識來說是關於力及他們對於物質的影響。典型的工程力學在物體承受已知力（也稱為負載）或應力時，常被用來分析與預測加速度及變形（包含彈性變形與塑性變形）。 力學底下的分支包含了
- 靜力學, 研究物體於不移動情形下承受已知負載的學問。
- 動力學 （亦稱為力動學）(or kinetics), 研究力如何影響運動中物體的學問。
- 材料力學, 研究不同材料在承受不同種類的應力時如何變形的學問。
- 流體力學, 研究流體如何反應出力的學問。注意到流體力學可以被更進一步分成流體靜力學與流體動力學，並且它是連體力學底下的分支。流體力學於工程上的應用稱為液壓學。
- 連體力學 is a method of applying mechanics that assumes that objects are continuous. It is contrasted by discrete mechanics.
Uses
Mechanical engineers typically use mechanics in the design or analysis phases of engineering. If the engineering project were the design of a vehicle, statics might be employed to design the frame of the vehicle, to evaluate where the stresses will be most intense. Dynamics might be used when designing the car's engine, to evaluate the forces in the pistons and cams as the engine cycles. Mechanics of materials might be used to choose an appropriate material for the frame or engine. Fluid mechanics might be used to design a ventilation system for the vehicle (see HVAC), or to design the intake system for the engine.
[编辑] 運動學
運動學是在不考慮作用力的情況下對物體運動進行的研習。 The movement of a crane and the oscillations of a piston in an engine are both simple kinematic systems. The crane is a type of open kinematic chain, while the piston is part of a closed four bar linkage.
應用
Mechanical engineers typically use kinematics in the design and analysis of mechanisms. Kinematics can be used to find the possible range of motion for a given mechanism, or, working in reverse, can be used to design a mechanism that has a desired range of motion.
[编辑] 機電整合與機器人學
Mechatronics is an interdisciplinary branch of mechanical engineering, electrical engineering and software engineering that is concerned with integrating electrical and mechanical engineering to create hybrid systems. In this way, machines can be automated through the use of electric motors, servo-mechanisms, and other electrical systems in conjunction with special software. A common example of a mechatronics system is a CD-ROM drive. Mechanical systems open and close the drive, spin the CD and move the laser, while an optical system reads the data on the CD and converts it to bits. Integrated software controls the process and communicates the contents of the CD to the computer.
Uses
Mechatronics is currently used in the following areas of engineering:
- Automation, and in the area of robotics.
- Servo-Mechanics
- Sensing and Control Systems
- Automotive engineering, in the design of subsystems such as anti-lock braking systems
- Computer engineering, in the design of mechanisms such as hard drives, CD-ROM drives, etc.
Robotics is the application of mechatronics to create robots, which perform tasks that are dangerous, unpleasant, or repetitive. These robots may be of any shape and size, but all are a) preprogrammed and b) interact physically with the world. To create a robot, an engineer typically employs kinematics (to determine the robot's range of motion) and mechanics (to determine the stresses within the robot).
Uses
Robots are used extensively in Industrial engineering. They allow businesses to save money on labor and perform tasks that are either too dangerous or too precise for humans to perform them economically. Many companies employ assembly lines of robots, and some factories are so reboticized that they can run by themselves. Outside the factory, robots have been employed in bomb disposal, space exploration, and many other fields. Robots are also sold residentially (see Roomba).
[编辑] 結構分析
結構分析或失效理論是機械工程領域的一個分支，它對於檢驗物體失效與否以及如何發生提供了貢獻。結構失效有兩種情況會發生：靜態失效與疲勞失效。 Static structural failure occurs when, upon being loaded (having a force applied) the object being analyzed either breaks or is deformed plastically, depending on the criterion for failure. Fatigue failure occurs when an object fails after a number of repeated loading and unloading cycles. Fatigue failure occurs because of imperfections in the object. A microscopic crack on the surface of the object is one type of imperfection, and it will grow slightly with each cycle (propagation) until the crack is large enough to cause failure.
Failure is not simply defined as when a part breaks, however; it is defined as when a part does not operate as intended. Some systems, such as the perforated top sections of some plastic bags, are designed to break. If these systems do not break, failure analysis might be employed to determine the cause.
Uses
Structural analysis is often used by mechanical engineers after a failure has occurred, or when designing to prevent failure. Engineers may use various books and handbooks such as those published by ASM [1] to aid them in determining the type of failure and possible causes.
Structural analysis may be used the office when designing hardware, in the field to analyze failed parts, or in laboratories where parts might undergo controlled failure tests.
[编辑] 熱力學與熱科學
Thermodynamics is an applied science used in several branches of engineering; including Mechanical Engineering, and Chemical Engineering. At its simplest, thermodynamics is the study of energy, its use and transformation through a system. Typically, engineering thermodynamics is concerned with changing energy from one form to another. As an example, automotive engines, convert chemical energy/enthalpy, from the stored energy in molecules, into heat and then into mechanical work that eventually turns the wheels.
Uses
Thermodynamics principles are used by mechanical engineers in the fields of heat transfer, thermofluids, and energy conversion. Mechanical engineers use thermo-science to design engines and power plants, heating, ventilation, and air-conditioning (HVAC) systems, heat exchangers, heat sinks, radiators, refrigeration, insulation, and others.
[编辑] 成型
Drafting or technical drawing is the means by which mechanical engineers create instructions for manufacturing parts. A technical drawing can be a computer model or hand-drawn schematic showing all the dimensions necessary to manufacture a part, as well as assembly notes, a list of required materials, and other pertinent information. A U.S. mechanical engineer or skilled worker who creates technical drawings may be referred to as a drafter or draftsman (or, more correctly, draftsperson). Drafting has historically been a two-dimensional process, but recent Computer-Aided Drafting (CAD) programs have begun to allow the designer to create in three dimensions.
Instructions for manufacturing a part must be fed to the necessary machinery, either manually, through programmed instructions, or through the use of a Computer-Aided Manufacturing (CAM) or combined CAD/CAM program. Optionally, an engineer may also manually manufacture a part using the technical drawings, but this is becoming an increasing rarity, except in the areas of applied spray coatings, finishes, and other processes that cannot economically be done by a machine.
Uses
Drafting is used in nearly every subdiscipline of mechanical engineering, and by many other branches of engineering and architecture. Three-dimensional models created using CAD software are also commonly used in Finite element analysis (FEA) and Computational fluid dynamics (CFD).
[编辑] 研究领域
The following is a list of some additional subdisciplines and topics within mechanical engineering. These topics may be considered specialized because they are not typically part of undergraduate mechanical engineering requirements, or require training beyond an undergraduate level to be useful.
- 聲學工程（Acoustical Engineering）
- 航太工程 (Aerospace Engineering)
- 替代能源（Alternative Energy）
- 車輛工程 (Automotive Engineering)
- 生物工程 (Biomedical Engineering)
- 電腦輔助工程（Computer-Aided Engineering）
- 冷暖空調 （Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC)）
- 奈米技術 (Nanotechnology)
- 核子工程 (Nuclear Engineering)
- 配管（Piping）
- 發電廠（Power Generation）
- Engineering Based Programming
- 機械人學 (Robotics)*
- *Robotics is also listed as a general subdiscipline, but because of the breadth of the subject it may require many years of advanced training to be useful to a particular field.
[编辑] 機械工程的進步
[编辑] 精密機械(precision machinery)
精密機械是高科技製造業的基礎，兩者互動密切，相輔相成。精密機械工業的推動，可加速高科技產業升級，全面調整經濟結構；高科技產業的發展，又可相對擴大對精密機械的市場需求，帶動機械業成長茁壯。 精密機械技術包含了NC 工具機，超精密加工技術，奈米加工技術，新精密機械技術...等領域。
[编辑] 重點技術簡介
以目前現有的重點精密機械發展，來了解整個精密機械領域。
工具機技術
以技術角度而言，未來工具機產業將以發展高速切削、硬切削技術為主，而高速切削加工機之主要技術發展項目應以高速主軸及高速進給技術為主。在進給系統高速化方面，未來線性馬達之應用應會普及化，故應加速協助業者進行高速切削工具機相關技術之研發。在複合化工具機方面，可分為混合機構式多軸工具機技術與車銑複合工具機技術兩類，混合機構式多軸工具機具有五軸之功能，未來應可取代五軸加工機之部份市場；而車銑複合加工機其主要之關鍵技術在於主軸式多向加工伺服刀塔技術，它結合高速主軸與B軸設計，增加車床Y軸結構，以提供車削中心複合曲面加工。
半導體製程設備技術
我國半導體工業在過去十餘年來蓬勃發展，已為半導體工業相關技術紮根，也帶來資訊相關產業的進步與發展。而今由於全球通訊產業日正當中，已有多家國內業者投入所需之Ⅲ-Ⅴ族半導體關鍵高速及高頻元件生製造。 目前Ⅲ-Ⅴ族半導體晶圓廠量產技術尚在萌芽階段，生產製程與設備尚有很大的改善空間。台灣砷化鎵產業聚落已儼然成型，且為全球唯一投入砷化鎵晶圓代工的地區，依各業者規劃的產能計算，不僅可拿下近5成的晶圓製造市場，並有機會延續矽晶圓發展模式，再創台灣另一個半導體產業高峰。
新興產業機械技術 通訊產業為國內當前重點發展的科技產業，隨著國際光通訊投資熱潮的帶動，近幾年來國內投資或轉型投入光通訊產業的廠家更是積極熱烈。根據IEK的統計分析，2000年國內光通訊產業的產值達100億台幣左右，較1999年成長50﹪。而同時間全世界的產值約為330億美元，我國光通訊產業的產值只佔全世界產值的1﹪不到，因此我國光通訊產業的未來發展空間還非常寬廣。 射出成形是一種材料與製程高度依存的整合性製造技術，相關硬體包含成形設備、模具及周邊系統，主要應用在橡塑膠高分子材料及高分子基複合材料之產品製作，近三年於輕金屬及金屬基複合材料的應用也被開發出來，但其技術仍處於萌芽與推廣初期。我國精密射出成形機械產業技術現階段之發展重點，應以配合國內新興產業發展現況之需求，積極發展高速射出成形機、電氣式射出成形機、潔淨室射出成形機及鎂合金流變成形機等產品技術，以應用於3C產業或醫療器材等高潔淨高精度需求之零組件生產。
[编辑] 研究現況
精密工具機技術實驗室 追求產業高效能化與綠色環保工具機技術，帶領業界邁入高速切削設備與加工領域，研究範圍包括發展高速切削工具機技術、新式綠色環保切削加工研究、複合化加工設備技術等三大項目，拉大與新興工業國家之產品技術差距。
半導體製程設備技術實驗室 以Ⅲ-Ⅴ族半導體製程所需之構裝設備與半導體關鍵組件為研發重點，提高供應國內半導體廠進行新製程研發能力，培植國內半導體生產設備及組件相關工業，建立設備自主技術，減少進口依賴，促進半導體產業持續發展，提高其國際競爭力。
新興產業機械技術實驗室 以協助產業轉型與升級為目的，引領業界邁入光通訊元件構裝及精密射出成形製程設備技術領域，並導入潔淨化技術，建立光通訊元件製程與構裝設備、高潔淨射出成形設備及輕金屬射出成形製程設備等技術，以因應產業需求。
The process of mechanical engineering is optimization: engineers strive to optimize cost, increase productivity, durability, safety, and overall usefulness of objects. This process can be as simple as the design of a chair for comfort or as complex as the optimization of a turbocharged engine for speed. It can be as small as the cutting of a nano-sized gear or as large as the assembly of a supertanker used to carry oil around the world.
[编辑] 參考文獻
[编辑] 未來展望
機械工程與人類的生存環境是息息相關的。
工程技術的發展在提高人類物質文明和生活水平的同時﹐也對自然環境起了破壞作用。
20世紀中期以來﹐暴露出來的嚴重問題有兩個方面﹕資源(其中最嚴重的是能源)的大量消耗和環境的嚴重污染。
能源方面﹐在近期改進核裂變動力裝置﹑發展太陽能﹑地熱﹑潮汐能﹑海水溫差能等﹐可以減少對非再生的化石能源的依賴。從長遠的觀點看﹐核聚變是很有希望的和幾乎無窮盡的未來能源。以核物理學的現在和將來的成就為基礎﹐機械工程與其他工程技術一起﹐在21世紀中完成核聚變動力裝置的開發和推廣可能徹底解決世界的能源問題。使用這種新能源可同時消除對大氣的二氧化碳污染。
地殼中和海水中的金屬礦藏的蘊藏量極為豐富。只要改進採礦和選礦的工藝和提高採﹑選礦機械的性能﹐以降低可以經濟利用的礦石品位﹐並充分回收金屬廢料﹐在有足夠的能量供應的條件下﹐金屬材料資源不愁匱乏。
在煤﹑石油﹑天然氣等不再被大量地用作燃料而主要作為合成材料的原料之後﹐非金屬材料的供應也可得到長遠的保證。
化學工程﹑冶金工程等生產流程中所產生的廢氣﹑廢水等環境污染源﹐通過改進流程﹑增加淨化機械和設施並提高其淨化效率﹐在技術上是能夠加以消除的。
機械工程一向以增加生產﹑提高勞動生產率﹑提高生產的經濟性﹐即以提高人類的近期利益為目標來研製和發展新的機械產品。在未來的時代﹐新產品的研製將以降低資源消耗﹐發展潔淨的再生能源﹐治理﹑減輕以至消除環境污染作為超經濟的目標任務。
[编辑] 機械工程與人工智能
機械工程是傳統的工程技術。機械可以完成人用雙手和雙目以及雙足雙耳直接完成和不能直接完成的工作﹐而且完成得更快﹑更好。現代機械工程創造出越來越精巧和越來越複雜的機械和機械裝置﹐使過去的許多幻想成為現實。人類現在已能上遊天空和宇宙﹐下潛大洋深層﹐遠窺百億光年﹐近察細胞和分子。新興的電子計算機硬﹑軟件科學使人類開始有了加強並部分代替人腦的科技手段﹐這就是人工智能。這一新的發展已經顯示出巨大的影響﹐而在未來年代它還將不斷地創造出人們無法想像的奇蹟。
人類智慧的增長並不減少雙手的作用﹐相反地卻要求手作更多﹑更精巧﹑更複雜的工作﹐從而更促進手的功能。手的實踐反過來又促進人腦的智慧。在人類的整個進化過程中﹐以及在每個人的成長過程中﹐腦與手是互相促進和平行進化的。人工智能與機械工程之間的關係近似於腦與手之間的關係。其區別僅在於人工智能的硬件還需要利用機械製造出來。過去﹐各種機械離不開人的操作和控制﹐其反應速度和操作精度受到進化很慢的人腦和神經系統的限制。人工智能消除了這個限制。機械工程可以充分利用這個新出現的巨大可能性。計算機科學與機械工程之間的互相促進﹐平行前進﹐將使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發展。
[编辑] 機械工程的專業化和綜合化
19世紀時﹐機械工程的知識總量還很有限﹐在歐洲的大學院校中它一般還與土木工程綜合為一個學科﹐被稱為民用工程﹐19世紀下半葉才逐漸成為一個獨立學科。
進入20世紀﹐隨著機械工程技術的發展和知識總量的增長﹐機械工程開始分解﹐陸續出現了專業化的分支學科。這種分解的趨勢在20世紀中期﹐即在第二次世界大戰結束的前後期間達到了最高峰。由於機械工程的知識總量已擴大到遠非一個人所能全部掌握﹐一定的專業化是必不可少的。
但是過度的專業化造成知識過分分割﹐視野狹窄﹐不能統觀和統籌稍大規模的工程的全貌和全局﹐並且縮小技術交流的範圍﹐阻礙新技術的出現和技術整體的進步﹐對外界條件變化(新技術﹑新材料和新產品的出現﹑新的環境保護法規﹑原材料和能源供應及價格的變動﹐以及個人的工作調動﹑職務提昇等)的適應能力很差。
封閉性專業的專家們掌握的知識過狹﹐考慮問題過專﹐在協同工作時配合協調困難﹐也不利於繼續自學提高。因此自20世紀中﹑後期開始﹐又出現了綜合的趨勢。人們更多地注意了基礎理論﹐拓寬專業領域﹐合併分化過細的專業。
綜合→專業分化→再綜合的反復循環﹐是知識發展的合理的和必經的過程。但是﹐綜合的恢復﹐不能是現有專業的簡單合併﹐而是在更高一級上的綜合﹐其目的是為了能更好地發揮專業知識作用。不同專業的專家們各具有精湛的專業知識﹐又具有足夠的綜合知識來認識﹑理解其他學科的問題和工程整體的面貌﹐才能形成互相協同工作的有力集體。正確地而不是教條主義地處理知識的綜合與專業的關係﹐是新的技術革命時代中培養機械工程人才的主要課題。
綜合與專業是多層次的。在機械工程內部有綜合與專業的矛盾﹔在全面的工程技術中也同樣有綜合和專業問題。在人類的全部知識中﹐包括社會科學﹑自然科學和工程技術﹐也有處於更高一層﹑更宏觀的綜合與專業問題。
[编辑] Tools and Work
Template:Expand-section Modern analysis and design processes in mechanical engineering are aided by various computational tools including FEA, CFD, and CAD/CAM. These modern processes facilitate engineers to model (create a 3D object in a computer), analyze the quality of design etc, before a prototype is created. By this the invention and experimenting with new designs becomes very easy and can be done without any money invested in tooling and prototypes. Simple models can be free and instantaneous, but complicated models, like those describing the mechanics of living tissue, can require years to develop, and the actual computation can be very processor intensive, requiring powerful computers and a lot of cycle time. -->
[编辑] 參考文獻
- 《中 國 大 百 科 全 書 》中國大百科全書出版社編輯部編 中國大百科全書出版社出版發行
[编辑] 參考
- ↑ University of Tulsa Required ME Courses - http://www.me.utulsa.edu/Undergraduate.html - Accessed 19 June 2006
- ↑ Harvard Mechanical Engineering Page - http://www.deas.harvard.edu/undergradstudy/engineeringsciences/mechanical/index.html - Accessed 19 June 2006
Format used for web citations: Title - http://link - Notes. Accessed Date.
[编辑] 參看
[编辑] Wikibooks
[编辑] 相關期刊
- Experimental Heat Transfer[2]
- Heat Transfer Engineering[3]
- International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics [4]
- International Journal of Optomechatronics[5]
- Machining Science and Technology[6]
- Materials and Manufacturing Processes[7]
- Mechanics Based Design of Structures and Machines[8]
- Mechanics of Advanced Materials and Structures[9]
- Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering[10]
- Numerical Heat Transfer, Part A[11]
- Numerical Heat Transfer, Part B[12]
- Tribology Transactions[13]
[编辑] 專業團體
- 香港工程師學會 (Hong Kong Institute of Engineering, HKIE)
- ASME (American Society of Mechanical Engineers)
- Pi Tau Sigma (Mechanical Engineering Honor Society)
[编辑] 延伸閱讀
- Burstall, Aubrey F. (1965). A History of Mechanical Engineering. The MIT Press. ISBN 0-262-52001-X.
[编辑] 外部連結
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