世界近代后期科技史-第18章
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果，终于制成了第一台实用的内燃机。他的发明与一台单缸卧式蒸汽机几乎
一样，仅仅以煤气代替蒸汽，用电火花将煤气点燃。这台发动机的功率只有
1—2马力，效率也只达到4％，但毕竟可以实用了。雷诺的发明本质上是一
台二冲程、无压缩、电点火的煤气机。优点是运转平稳、造价便宜、结实耐
用，吸引了不少客户，也吸引了许多优秀工程师和教授来访问他，人们开始
认真考虑用内燃机取代蒸汽机的可能性。
1862年，法国工程师罗沙对内燃机作了较深入的理论研究，他认为必须
尽可能提高燃气的初始压力，并使气体尽快膨胀至极限，才有可能提高内燃
机的效率。在这一理论基础上他首先提出了四冲程循环原理，成为后来各种
内燃机的理论基础。
还在1860年，一位德国商人奥古斯特·奥托 （1832—1891年，德国）
在获知雷诺的发明后也开始研制内燃机。他一开始就遇到如何控制煤气爆发
的冲击力问题，后来他采用了真空原理来解决这一难题。1876年，他研制成
功第一台单缸、4冲程煤气机，功率不足4马力，整台机件小巧紧凑，工作
平稳，热效率提高到12—14％。
奥托的四冲程内燃机具有很灵活的特性，它不仅外形可随意改变，而且
多缸可共用同一根轴作功，在燃料方面也不仅局限于煤气。因此，许多国家
都开始生产这种发动机，到19世纪末，全世界已拥有20万台这种发动机。
到90年代，输出功率已发展到200马力，热效率超过了20％。
煤气作为内燃机的燃料，存在难贮运、难于控制的弱点，所以很早人们
就开始寻找液体燃料以替代煤气。19世纪60年代，开始工业开采石油，最
初人们只会利用从石油中提炼出的煤油点灯，而把象汽油这类轻质油处理
掉。
1873年，奥地利人霍克首先发明了一种雾化器，能将煤油与压缩空气通
过喷嘴实现雾化混合，然后送入汽缸。同年，美国的布雷顿，发明了一种双
缸双动煤油机。
1875年，奥托—兰根发动机公司的技师迈巴赫在一台奥托发动机上用汽
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油作燃料试验。到80年代中期，他和戴姆勒发明了第一台汽油发动机，这台
发动机附有一个戴姆勒发明的表面汽化器，他们没有采用火花塞装置，而是
设计了一种白金管的明火点火装置。靠这一装置，发动机的转速达到每分钟
600—900转。
1885年，德国杰出的工程师本茨（1844—1929年，德国）研制成一台卧
式4冲程汽油机。他也采用了表面汽化器，并利用废气的热量使汽油汽化。
本茨采用了较先进的电火花塞技术，他让感应线圈和蓄电池组成高压系统，
实现了发动机汽缸内的高电压火花放电，这种技术既安全又不易调整。
在火车出现后，人们开始努力研制出一种真正取代马车的轻便机动车。
最早的汽车是使用蒸汽机的车辆，1829年，英国的詹姆斯用蒸汽机制做
了一辆不需要铁轨的车辆，这种车一路上发出隆隆的声响，用浓烟污染着环
境，而且在后来的使用中事故不断发生。即使是这样，伦敦还在1883年开办
了公共交通公司，拥有10辆蒸汽汽车为市民服务。
内燃机出现后，人们自然想到利用这种轻便的发动机来驱动车辆。1826
英国人塞缪尔·布朗曾建造过一台4马力的煤气机，用它驱动过一辆车。1845
年，英国人汤姆逊发明了充汽轮胎，安装在蒸汽汽车上，使噪声大大降低，
也改善了汽车的行驶状态。60年代中期，奥地利的马库斯第一次把一台汽油
机安装在一辆手推车上，有人认为这是第一台真正的汽车。
1885年，本茨研制出一种三轮汽车。这种车使用单缸汽油机驱动，通过
一根皮带带动车轮转动，调节皮带的松紧可以起到离合器和变速器的作用。
汽车的转向是通过齿轮、齿条机构控制前轮的方向来实现的。这种三轮汽车
经过不断改进于1888年开始进入市场，很快便受到使用者的欢迎，90年代
开始成批生产。
（3）船舶革命
海上贸易给欧洲工业国带来了巨大的利益，为了通商需要和争夺海上霸
权，西方各国竞相建造船舰，努力发展航海技术。19世纪后，由于蒸汽机技
术日臻完善和钢铁工业的发展，开始了用蒸汽机做船舶动力和用钢铁造船的
新时代，从而开始了船舶革命。
1785年，约翰·菲奇（美国）首先在波托马克河上试验蒸汽轮船，他发
明了一种机械桨，由蒸汽机带动划船。次年，英国人威廉赛明顿也建造了两
侧有机械桨轮的蒸汽船。但他们的发明没有引起重视。
蒸汽轮船在 19世纪得到迅速发展。1803，欧洲游历的罗伯特·富尔顿
（1765—1815年，美国）见到蒸汽船舶的试验并对此产生了兴趣。是年，他
建造了一艘蒸汽船在塞纳河试航，但没有成功，他向拿破仑建议用蒸汽机驱
动战舰也未被采纳。1807年，他回国建成一艘蒸汽船，蒸汽机功率为20马
力，带动两侧的轮桨。这艘轮船叫“克勒蒙特”号，全长45米，宽4米，装
有高大的烟囱，它的奇特的外形受到看热闹的人们的嘲笑，他们把它叫做“富
尔顿傻瓜”号。但是在试航中，它沿哈德逊河逆流而上，32个小时内航行了
240公里。试航的成功彻底改变了公众的舆论。从此，在内河航行的轮船迅
速地发展起来。同年，美国的约翰·史蒂文森建造了带轮桨的海轮，首次完
成了海上试航。1819年，美国的蒸汽轮船完成了横渡大西洋的航行，但是这
艘“萨凡纳”号实质上仍是一条机帆船。此后，轮船得到不断改进，到 40
年代，轮船功率已达到400—700马力，横渡大西洋已屡见不鲜了。
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轮船两侧的轮桨 （明轮）机构在使用中很快就暴露了缺点，特别是在有
风浪的情况下，两侧轮桨划水的力量常常失去一致性，以致船只很难操纵。
到19世纪30年代，螺旋桨推进器发明后，明轮便渐渐被淘汰了。
最早的螺旋桨推进器试验始于18世纪末，最初的螺旋桨进器很可能受到
阿基米德螺旋汲水器的影响，都做成一根很长的螺旋形杆。1829年，澳大利
亚的约瑟夫·莱塞尔等人就做过类似的工作。但他们都没有获得成功。
1837年，英国海军部以2万镑奖金悬赏替代明轮的推进方案，结果有两
位发明家获奖。一位是瑞典发明家约翰·埃立克，他发明的螺旋桨推进器是
由二个转动方向相反的螺旋桨组成，结果证明这一推进器可以使船快速行
进，但海军部却并不满意。另一位发明家史密斯 （1808—1874，英国）。史
密斯最初的方案是用一根象巨型木螺钉似的锥形螺旋桨做推进器，在伦敦附
近的一条河上进行反复试验的过程中，这个木制锥形螺旋桨因受力太大突然
折断，出人意料的是轮船反而因此走得更快了。史密斯由此悟出长螺旋桨并
不适合做推进器，他把方案改为带有二个桨叶的螺旋桨，结果它的推进性能
优良，试验船的平均时速达到15公里。这一方案得到英国海军的认可，并为
当时最大的蒸汽机船“大不列颠号”采用。
螺旋桨问世后，由于当时蒸汽机转速太低，不适合螺旋桨运动的要求，
另外螺旋桨的防水密封轴承也不易解决。因此，对螺旋桨的使用存在着很大
争议，一些大型海船为了可靠，往往风帆、明轮、、螺旋桨同时采用。1845
年，英国海军部举行了一次别开生面的试验，他们让两艘吨位相同（800吨），
蒸汽机功率（200马力）相同的军舰做拔河比赛，其中“阿莱克脱”号安装
明轮而“拉脱拉”号安装螺旋桨。比赛开始，双方开足马力各向相反方向拉
对方，结果，安装螺旋桨的“拉脱拉”号牵着对手，以每小时5公里速度前
进。此后，明轮和螺旋桨还有过多次“交锋”，人们终于确认螺旋桨是一种
更优越的推进器。
19世纪20年代，由于发明了可爆炸的炮弹，各国战舰纷纷在船舰外层
保裹上铁甲，另一方面远洋轮船的吨位日渐庞大，木材很难满足强度的要求，
于是造船工程师开始探索使用金属材料代替木材造船。
1818年，英国首先建成一艘铁壳驳船，打消了人们担心浮力不够的疑
虑。3年后，第一艘全部用铁造的蒸汽船建成，并完成了横渡英吉利海峡的
航行。1843年，完全用铁建造、安装了螺旋桨的“大不列颠”号蒸汽船下水。
经过长期考验，人们开始确信铁船的优越性。到60年代铁船的成本与木船已
相差无几，但当时钢的冶炼技术尚不完善，钢材不是太软就是太脆，不宜用
于造船。70年代后，由于平炉炼钢法可以提供大量优质钢材，从而使钢材在
造船中逐步取代铁。1877年，钢质船壳的“爱丽丝”号下水，它标志着钢材
造船的新纪元。钢制船壳仅是铁壳船厚度的4/5，用钢造船不仅节省材料、
减少了工时，还提高了船只的强度。
到1875年，蒸汽机由于应用了多级膨胀技术，功率达到一万马力以上，
每马力耗煤量节省一半，19世纪末，由于内燃机和汽轮机开始在船舶上应
用，使船舶革命自此进入了新阶段。
2。机械制造技术的进步
（1）车床的改进
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亨利·莫斯莱（1771—1831年，英国）在机械加工工艺及车床制造方面
做出了杰出的贡献，他为英国培养出了一代杰出的机械工程师，因而被誉为
英国“机床之父”。1800年，他制成一台小型的螺纹车床，最终加工成长2
米、偏差仅有1。6毫米的黄铜丝杠，使用这样一根精密的丝杠可以制造更精
密的车床。这样到1810年，他终于研制出了优秀的车床。莫斯莱经过前后几
十年的努力，终于使车床成为商品广泛出售，这种车床是全金属的，刀架沿
丝杠给进，还装有可变换齿轮的分度盘。由于这台车床的刀具由手动变为机
械给进，使螺纹的加工更精密；变换齿轮可以改变丝杠和工件的转速，因而
能生产出不同螺距的螺纹。他还将刀架加宽，提高了强度。稍后，又发明了
装有螺钉的卡盘，使工件装御十分方便。莫斯莱的车床已具有现代车床的基
本结构，特别是用齿轮实现变速的思想，对所有种类的机床的发展都起了巨
大的作用，直到今天这类装置仍为多数机床采用。
莫斯莱的弟子惠梯沃斯（1803—1887年，英国）也是一位杰出的机床设
计师。他为了制造“真正的金属平面”，发明了刮刀刮研的方法，这种方法
至今仍用于精密机床制造，他在长期的机械加工工作中认识到，绝对精确是
任何人做不到的。他于是提出以允许误差的概念来替代纯粹的绝对精确的思
想，从而使加工和测量发生了革命性的变化。
他还提出了“端面系统”测量的概念和方法，采用端面块规作精密测量。
1855年，他研制出测长机，使测量精度达到百万分之一，这一成就使他成为
现代精密测量和加工技术的奠基人。
在机床结构上他发明了光杆和导轨，采用对开螺母与丝杆啮合的方法设
计出新的给进、离合结构；为了使滑鞍手动快速返回，他又改进设计使丝杆
起了齿条的作用。
在车床床身制造工艺上，他提出铸造空箱体和小件拼铸大件的方法，从
而减小了铸件的变形，保证了铸件的质量。
1855年，美国人斯顿发明了转台车床，他借助于军舰炮台转台的原理，
在刀架上装有几种刀具，使原来每一道工序更换一次刀具的过程，变成只要
转动一次刀具转台就行了。
从1850年起，机械制造业转入兴盛时期。为了完成大批量零件的生产、
加工和装配，人们对加工工艺、工具作了更广泛深入的研究。
1851年，考克夸尔海特（法国）测量了钻削时切除单位体积金属需做的
功。此后，人们开始研究切削的机制，直到90年代才逐步形成了切削理论。
为了提高刀具的质量，马谢特 （1811—1891年）发现工具钢中适当加入锰、
钒、钨等元素可以得到高速工具钢。20世纪初，人们才确定了高速钢的最佳
的组份。
与此同时，测量仪器也有显著进步。1851年，机械师布朗（1810—1816
年，美国）发明了游标卡尺，精度达到0。025毫米。游标卡尺的出现是测量
仪器的重大突破，它对简化测量程序、提高产品精度、发展互换式生产方法
有着重大意义。1867年，布朗又发明了三角厚钣测量器，1877年，制成了量
程是1英寸的千分尺。
（2）刨床、铣床、磨床及特殊机床
莫斯莱的车床不能完全满足19世纪初蒸汽机和纺织机械的加工需要，那
时许多零件仍靠手工生产。19世纪50年代后，随着生产的发展，各种机械
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产品的品种和产量增加很快，这促使人们去研制适应生产特殊要求的机床，
这一时期出现了刨、铣、钻、磨以及一些专用机床都相继出现了。
1818年，英国技师惠特尼（1765—1825年）为制造枪械发明了一种机床，
它借助刀具作旋转切削，而不是象普通车床那样，刀具作给进切削，工件作
旋转运动。英国人把这种机床取名叫铣床。由于铣床复杂，成本高，很长时
期在英国得不到推广。1829年，在英国还出现了专做六角螺母的铣床。但是，
铣床在美国受到了重视。1862年，美国人布朗发明了万能铣床，其特点在于
有一个能上、下、左、右移动的工作台，滑板和旋转支架，可以使工件做各
种运动。这样一台铣床不仅可以加工形状复杂的麻花钻，还可以为齿轮及各
种形状的工件加工。万能铣床的出现立即引起了轰动。同年，贝曼特研制出
垂直靠模铣床，可以完成复杂沟槽和断面的加工，它特别适合锻模模具的刻
模工作。仿型铣也是铣床的重要发展。
铣床的发展对齿轮的生产和质量提出了更高要求，剑桥大学教授R。维利
斯（1800—1875年，英国）创造了渐开线齿轮理论。1854年，布朗发明了一
种制造渐开线齿轮的专用刀具，自此实现了新齿轮的批量生产，并淘汰了摆
线齿轮。80年代末，出现了滚齿机，成为加工齿轮的专用高效机床。
1814—1825年，英国的技师洛巴次和库列门托等人模仿木工刨平木材的
动作，首先研制刨床。由于金属比木材坚韧，刨床的刨刀必须更窄，并保持
在一个平面上切削。1825年，他们制造出一台原始的刨床，刨刀是通过链条
借助人力做切削运动的。1839年，英国一位叫霍特玛的技师对刨床作了重要
