CN103047977A - 燕肃离合器式指南车 - Google Patents

Abstract

按照文献《宋史》志第102舆服一，复原了燕肃指南车的功能，解读出两小轮放大车辕转动角度的重要作用，使离合速度加快一倍；同时设计了另侧车轮非强制锁定的可延迟原理；用简单的附件完成了无指南任务时的工况转换。证明燕肃指南车的设计是成功的，后人没有解析出它的原因是技术规范与现代的差异和流传资料过于简单。分析认为：随机误差的产生是可能的，又是可以左右相互抵消的，故而误差不大。燕肃指南车将能够实现准确定向的功能，证明离合式指南车是可行的历史发明。燕肃指南车与吴德仁指南车并非一物，它们的离合方式不同。

Description

燕肃离合器式指南车

技术领域

本专利属恢复中国古代失传机械技术领域，具体的说是燕肃离合式指南车。 

技术背景

关于燕肃指南车的历史文献有：《宋史》志第102舆服一，原文：“……指南车，一曰司南车。赤质，两箱画青龙、白虎，四面画花鸟，重台，勾阑，镂拱，四角垂香囊。上有仙人，车虽转而手常南指。一辕。凤首，驾四马。驾士旧十八人，太宗雍熙四年，增为三十人。……用独辕车，车箱外笼上有重构，立木仙人于上，引臂南指。用大小轮九，合齿一百二十。足轮二，高六尺，围一丈八尺。附足立子轮二，径二尺四寸，围七尺二寸，出齿各二十四，齿间相去三寸。辕端横木下立小轮二，其径三寸，铁轴贯之。左小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二；右小平轮一，其径一尺二寸，出齿十二。中心大平轮一，其径四尺八寸，围一丈四尺四寸，出齿四十八，齿间相去三寸。中立贯心轴一，高八尺，径三寸。上刻木为仙人，其车行，木人指南。若折而东，推辕右旋，附右足子轮顺转十二齿，击右小平轮一匝，触中心大平轮左旋四分之一，转十二齿，车东行，木人交而南指。若折而西，推辕左旋，附左足子轮随轮顺转十二齿，击左小平轮一匝，触中心大平轮右转四分之一，转十二齿，车正西行，木人交而南指。若欲北行，或东，或西，转亦如之。诏以其法下有司制之。 

历史上记载110年汉·张衡，233年三国·马钧均制造过指南车；477年刘宋·祖冲之，有巧思，常谓宜更构造。相隔550年后燕肃在1027年做了五个有齿的齿轮构成的九轮指南车；1107年吴德仁改型成了指南准确的豪华型指南车。 

张衡、马钧、祖冲之的指南车已经失传。后人试探恢复时，流下的只言片语也只有齿轮数量、总齿数、某些齿轮的尺寸齿数及附属部件，并无详细的说明和结构图形。现代齿轮要构成立体差速齿轮组必须伞形齿轮，制作平面差速齿轮组就需要内齿轮。古代棒状齿轮在伞形齿轮出现前已经发展成熟，虽然只有阳轮和阴轮两种基本齿轮，却可以实现平齿轮、伞齿轮和内齿轮的功能。完成平面传动、90度变向和内齿轮啮合。既可以构成立体差速齿轮组，更易于制作平面差速齿轮组。 

齿数合计120齿一直是复原指南车的根据。由简单到复杂，可以有五齿轮、七齿轮120齿和箱内七齿轮120齿的差速式指南车，目前三种平面差速齿轮构成的指南车都有仿制。或许这仅仅是现代人根据流传的有限资料去想象的结果，毕竟历史上有记载的技术文献太少，只有其功能，没有其结构。燕肃指南车仍保持了120齿的特点，原理却有了根本的改变，开始了机械离合器的发明。 

中国专利200810181168.1摘要中说：在中国第一个根据《宋史·與服志》的文字記述复制指南车的人是历史学家王天幕，1959年由他设计的燕肃指南车收藏在中国历史博物馆，但是，不具备定位指南的功能。中国专利200810181168.1所设计的《燕肃五行指南车》没有按照历史文献的记载，多处与文献不符把一个离合式指南车改回到了差速式指南车的初级阶段。如：文献记载小轮在横木下，历史学家王天幕把 小轮改在车架上；专利200810181168.1把小轮用在吊起轮系的设计作用不大；齿轮数量和每个齿轮的齿数与文献不同；辘轳和铁坠子在文献中没有记载。中国专利200810181168.1《燕肃五行指南车》与94208459.4《张衡指南车》轮系结构相似。 

发明内容

大家都说差动齿轮式指南车的指向精度高。但是，在路面不平的条件下未必精确，尤其是一侧车轮遇到坑洼多时车轮转角大于另侧，路面宽度小于轮距时相会出现这种情况，当于向另一侧转弯。虽然车行方向未变，指向却有变化，出现误差。离合器式指南车虽然有离合器非顺利啮合产生的误差，但是可以克服路面坑洼的干扰。两者相比离合式指南车仍有应用价值，这就是燕肃发明离合式指南车的缘由。 

燕箫五行指南车并非差动齿轮原理而是离合器原理，燕箫五行指南车采用差动齿轮系的证据不足，也没有足够的证据说明它的结构就简单到直接用可转动的单辕后部去拉动绳索，从而否定它的可行性。当然，如果按照历史学家王天幕的设计，的确有缓缓转弯会出现车转“仙人”随车而转的误差。本发明的目的是在不变动燕肃指南车记载的前提下使它同样具有可靠的指向性能。 

文献中特别要注意的是“辕端横木下立小轮二，其径三寸，铁轴贯之。”和“若折而东，推辕右旋，附右足子轮顺转十二齿，击右小平轮一匝，触中心大平轮左旋四分之一，转十二齿，车东行，木人交而南指。”两句。第一句说，车辕的后端有一根横木，下面设立小轮二，铁轴贯穿在小轮圆心。第二句中用“击”或“触”形容两种不同的动作，说明小平轮与附足子轮是离合关系与中心大平轮是啮合关系。另外“推辕右旋”的“辕”字若指车辕前部，则应为推辕左旋，才能达到“附右足子轮顺转十二齿，击右小平轮一匝，触中心大平轮左旋(应为右旋)四分之一，转十二齿”。这里的错误，疑为文字之误。《宋史》志第102舆服一，原文定稿于吴德仁造好指南车之后，并非燕肃的原稿。对照吴德仁指南车相应一段的描述：“遇右转使右辕小轮触落右轮，若左转使左辕小轮触落左轮”。不难发现两者的相似之处。编撰者没见过燕肃指南车，更不懂得它的原理，只从吴德仁指南车的描述中认定两者有“异”而按后者文字“修正”的结果。 

附足子轮是固定在车轮上的，车轮直径六尺，轮距也是六尺。中心大平轮节圆直径四尺八寸，轮型为星状阳轮，小平轮与中心大平轮啮合，轮型应当为山状阴轮。车轮的轮辐数为二十四，辐间向内伸出二十四个山形齿，齿的长度较大。车轮承载全车的重量，轮辐和轮辋必须有一定厚度，加上附足子轮与小平轮的啮合面应与轮辐内侧面有一定距离，小平轮半径六寸，推算出啮合时小平轮中心距车体中线距离为：30-1-2-6＝21寸；大平轮与小平轮中心距为24+6＝30寸；得出大平轮中心距车轴为(30^2-21^2)^0.5＝21.4寸；左右小平轮夹角小于80度，车轮偏后与牵引点具有很好的自动纠偏性能。啮合点与大平轮心距为(21.4^2+29^2)^0.5＝36.04寸。周长226.2寸，每度0.62832寸。啮合到脱离3寸需转角度4.77度，设为5度。不作为角度10度，总转角20度，这对于车辕来说明显编人， 因此用辕端横木和三寸小轮配合绳索起到放大辕端转角的作用才是燕肃指南车的设计要领。燕肃离合器式指南车的特征是：中心大平轮5与左、右二小平轮12啮合，二小平轮的支架23、车辕8及中心大平轮的旋转轴同在一竖直旋转中心11上，辕横木9下设的小轮7左右各一，铁轴贯之；支架上与小轮接触区为一段前弧形板6，小轮与支架的前弧形板端面接近，绳索10由支架前弧形板端面外端，沿弧形面向内，绕过小轮180度反向，沿切线方向固定在车体上，左右两套对称；此结构相当于差速齿轮组的有限局部，小轮充当了行星齿轮的作用，切线方向的一段绳索在小角度内取代了大内齿轮的作用，绳索把复杂的齿轮简化了，设计简洁精妙。车辕转动10度，小平轮支架转动20度。实质上相当于有限范围内的角度倍增器。需要设定“不作为角度”，角度过大会出现缓转时的误差，角度过小交换频繁易磨损和出现故障。如何设定需根据实验敲定或设计可调机构；以上是根据文献推理的结果。单单有这些结构并不能达到正确指南的目标，需要在啮合一侧“附足子轮”的同时(可以稍有差迟)停止另一侧车轮的转动。故必须在左、右车轮分设止动机构。把横木等设在前部，可使小平轮支架等前后平衡，设在后部节省空间。具体制作时推敲。 

停止一侧车轮转动最佳的设阻点是轮辐的远端，位置在后端与车轴同高处。左右两个锁轮杆轴19在车轮后部，左右两轴后端接近车轮的轮辐4后端，长锁轮杆14平伸向内侧，轴的外斜下方设锁轮杆外段18，借助长锁轮杆的重量，锁轮杆外段可嵌入轮辐间，达到停止车轮前进的作用。抬起长木杆释放车轮由凸轮构成的解锁机构是在长锁轮杆14下面设交叉横杆16，此横杠连接在外斜下方纵向凸轮轴15上，轴的另一端设一凸轮17；左右两组对称。凸轮17受控于后弧形板13下平面，当车辕转角在“不作为角度”范围直行时，后弧形板13迫使左右两个凸轮保持外旋，左右长锁轮杆14被交叉横杆16托住；车左转时后弧形板13右移，左侧凸轮17内旋，左交叉横杆16下降，左长锁轮杆14下降，左锁轮杆下端18可嵌入轮辐间，车轮停止；反向亦然。若此时短木杆被轮辐阻挡则暂时无动作，一旦车轮旋过此轮辐即刻阻止车轮的前进。 

小平轮与附足子轮的离合由小平轮的旋转避免撞击损坏，车轮的止动设计为如上的非强制动作是必须的。出现一次不及时止动，会造成约3.75度的误差，出现几率小于50％。左右误差可以抵消。而且小平轮与附足子轮的啮合过程也会有相似的误差，会造成约-3.75度的误差，出现几率小于50％。只要随机发生而非人为影响，燕肃指南车的误差不会大于7.5度。 

燕肃沿用古代流传的数据，发明了木质齿轮离合器的雏形，是一个进步。但拘泥于古代数据，虽然达到指南目标，却未达指向精确的要求。 

车体前部有限制车辕8摆动转角的“桥型”限位木26，不做指南用时可插入两个楔形木块27固定车辕。变成不须指南时的运行状态。 

本文小平轮及小轮绳索等是根据文献复原。车轮的止动等是根据吴德仁指南车有类似机构而对 燕肃指南车的合理推论设计。如果当年燕肃指南车没有达到指南的功能，也不会有文献传世，燕肃也会和郭善明一样被鸩杀之。现代人否认燕肃指南车的功能，是否亦有鸩杀燕肃之功效？如果在中国的博物馆内存放展出的燕肃指南车不能复原它的功能，而仅仅是个外形，应当予以纠正。 

本设计按照文献复原燕肃指南车的功能，解读出两小轮放大车辕转动角度的重要作用，使离合速度加快一倍；同时设计了另侧车轮非强制锁定的可延迟原理；用简单的附件完成了无指南任务时的工况转换。证明燕肃指南车的设计是成功的，后人没有解析出它的原因是技术规范与现代的差异和流传资料过于简单。分析认为：随机误差的产生是可能的，又是可以左右相互抵消的，故而误差不大。燕肃指南车将能够实现准确定向的功能，证明离合式指南车是可行的历史发明。燕肃指南车与吴德仁指南车并非一物，它们的离合方式不同。 

附图说明

图1燕肃指南车轮系图：大平轮5星型48齿，二小平轮12山形12齿，二附足子轮2山形24齿，合计120齿。转向时另侧小平轮和附足子轮啮合。二足轮直径六尺，轮距六尺，绳索10从前弧形板6外端绕小轮7半周固定在车厢上。转向侧车轮后部锁轮杆外段18锁定车轮。“桥型”限位木26限定车辕以旋转中心11为中心旋转的转向角度，避免损坏齿轮。 

图2燕肃指南车各部件名称示意图。车轮由轮辋1，附足子轮2，轮毂3，轮辐4构成；车辕8的辕横木9下有小轮7，绳索10自前弧形板6外端沿弧面绕小轮半周返回车厢侧壁；前弧形板和后弧形板及左右小平轮12均在旋转支架上，支架以旋转中心11为心在绳索的带动下摆动约20度；大平轮5与小平轮始终保持啮合；后弧形板13控制凸轮，凸轮外旋时，凸轮轴15带动交叉横杆16使长锁轮杆14抬高，锁轮杆轴19外旋，锁轮杆外段内旋，车轮可转动；后弧形板离开凸轮17时，凸轮轴内旋，交叉横杆下落，长锁轮杆下落，锁轮杆外段18嵌入轮辐之间，车轮停止。 

图3燕肃指南车轮系及车轮止动后后视图。小平轮12和前后弧形板同在支架23上，支架上有小平轮轴承21；轮轴横木25两端做圆为车轴20，车毂3装在车轴上；立贯心轴22在中心轴基座轴承24上。支架的轴孔套装中心轴基座上，车辕8轴孔也套在中心轴基座上。图中绘有大平轮5，小平轮，附足子轮2。图中右侧车轮未被锁定，凸轮17被后弧形板13控制凸轮外旋，交叉横杆16托起长锁轮杆，锁轮杆外段离开轮辐4。左侧后弧形板离开凸轮，凸轮内旋，凸轮轴15内旋，交叉横杆下降，锁轮杆轴19内侧长锁轮杆14下降，锁轮杆轴内旋，锁轮杆外段18外旋卡住轮辐，车轮锁定。 

图4燕肃指南车车辕的限位图。车体前部设一个“桥型”限位木26，限定车辕的摆动范围。不需要指南时用两个楔形木27从车辕两侧塞入“桥涵”内固定。可停止指南功能，减少机构的磨损。 

图5是整体侧视示意图。显示各部件的前后位置及高度。图中零件编号与其它图对应，不再赘述。 

图6车轮锁定的三种状态图。图中上部为车右转，右侧凸轮轴15内旋，右锁轮杆外段锁定右轮辐4，左侧锁轮杆外段18离开轮辐；中部为直行左右凸轮17均外旋，左右交叉横杆16抬起长锁轮杆14；下部为左转，后弧形板13右摆，右锁轮杆轴19外旋，左锁轮杆轴内旋，左侧锁轮杆外段锁定轮辐。 

具体实施方式

燕肃所处时期铁制器具已经发达，但还没有现代的渐开线齿轮。制作仿古指南车一定要按照古法加工倒没必要，但不可超出当时的技术能力把现代技术强加在复制品上。指南车虽然早于指南针，但指南针是中国的四大发明之一。用指南针验证指南车的性能是可信的，所以在指南车上放一个罗盘用以比对是可行的。 

指南车已经失去了实际应用的价值，它的复原仅以证明历史上我国科技的成果为目的。只在博物馆等场所作展示之用，作小模型等可以供鉴赏，在旅游景点也可展销。 

Claims (3)

1.燕肃离合器式指南车的特征是：中心大平轮5与左、右二小平轮12啮合，二小平轮的支架23、车辕8及中心大平轮的旋转轴同在一竖直旋转中心11上，辕横木9下设的小轮7左右各一，铁轴贯之；支架上与小轮接触区为一段前弧形板6，小轮与支架的前弧形板端面接近，绳索10由支架前弧形板端面外端，沿弧形面向内，绕过小轮180度反向，沿切线方向固定在车体上，左右两套对称；在左、右车轮分设止动机构。

2.根据权利要求1所述的燕肃离合器式指南车的锁定车轮机构，其特征是：左右两个锁轮杆轴19在车轮后部，左右两轴后端接近车轮的轮辐4后端，长锁轮杆14平伸向内侧，轴的外斜下方设锁轮杆外段18，借助长锁轮杆的重量，锁轮杆外段可嵌入轮辐间；由凸轮构成的解锁机构是在长锁轮杆14下面设交叉横杆16，此横杠连接在外斜下方纵向凸轮轴15上，轴的另一端设一凸轮17；凸轮17受控于后弧形板13下平面；直行时，后弧形板13迫使左右两个凸轮保持外旋，左右长锁轮杆14被交叉横杆16托住；车左转时后弧形板13右移，左侧凸轮17内旋，左交叉横杆16下降，左长锁轮杆14下降，左锁轮杆下端18可嵌入轮辐间，车轮停止；反向亦然。

3.根据权利要求1所述的燕肃离合器式指南车的特征是：车体前部有限制车辕8摆动转角的“桥型”限位木26，可插入两个楔形木块27固定车辕。

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