吳德仁離合器式指南車的製作方法

2023-05-25 02:57:11

專利名稱：吳德仁離合器式指南車的製作方法
技術領域：
本專利屬恢復中國古代失傳機械技術領域，具體的說是吳德仁離合式指南車。
背景技術：
關於吳德仁指南車的歷史文獻有《宋史》志第102輿服一，原文:大觀元年，內侍省吳德仁又獻指南車、記裡鼓車之制，二車成，其年宗祀大禮始用之。其指南車身一丈一尺一寸五分，闊九尺五寸，深一丈九寸，車輪直徑五尺七寸，車轅一丈五寸。車箱上下為兩層，中設屏風，上安仙人一執仗，左右龜鶴各一，童子四各執纓立四角，上設關戾。臥輪一十三，各徑一尺八寸五分，圍五尺五寸五分，出齒三十二，齒間相去一寸八分。中心輪軸隨屏風貫下，下有輪一^h三，中至大平輪。其輪徑三尺八寸，圍一丈一尺四寸，出齒一百，齒間相去一寸二分五釐，通上左右起落。二小平輪，各有鐵墜子一，皆徑一尺一寸，圍三尺三寸，出齒 h七，齒間相去一寸九分。又左右附輪各一，徑一尺五寸五分，圍四尺六寸五分，出齒二十四，齒間相去二寸一分。左右疊輪各二，下輪各徑二尺一寸，圍六尺三寸，出齒三十二，齒間相去二寸一分；上疊輪各徑一尺二寸，圍三尺六寸，出齒三十二，齒間相去一寸一分。左右車腳上各立輪一，徑二尺二寸，圍六尺六寸，出齒三十二，齒間相去二寸二分五釐。左右後轅各小輪一，無齒，系竹{亶}並索在左右軸上，遇右轉使右轅小輪觸落右輪，若左轉使左轅小輪觸落左輪。行則仙童交而指南。車駕赤馬二，銅面，插羽，轚纓，攀胸鈴拂，緋絹屜，錦包尾。……」《宋書》志第八禮五，原文……指南車，其始周公所作，以送荒外遠使。地域平漫，迷於東西，造立此車，使常知南北。……範陽人祖衝之，有巧思，常謂宜更構造。宋順帝升明末，齊王為相，命造之焉。車成，使撫軍丹陽尹王僧虔、御史中丞劉休試之。其制甚精，百屈千回，未嘗移變。……」歷史上記載110年漢·張`逝，233年三國·馬鈞均製造過指南車;477年劉宋·祖衝之，有巧思，常謂宜更構造。相隔550年後燕肅在1027年做了五個有齒的齒輪構成的九輪指南車；1107年吳德仁改型成了指南準確的豪華型指南車。據中國專利200810181168.1摘要中說在中國第一個根據《宋史 與服志》的文字記述複製指南車的人是歷史學家王天幕，1959年由他設計的燕肅指南車收藏在中國歷史博物館，但是，不具備定位指南的功能。並且一直認為燕肅指南車與吳德仁指南車是相同的，沒有出現過符合文獻記載的吳德仁指南車。

發明內容
吳德仁以仙人等九個木偶迎合聖意，車身「闊九尺五寸」乃「九五至尊」之意，取「車輪直徑五尺七寸」得輪距一丈一尺四寸，車箱兩側各餘九寸五分；上層為陽，置九尊偶像，下層為陰，設九個齒輪。無處不顯現該指南車是皇帝儀仗專用的特製品。它的學術價值並不高於燕肅指南車，而今作為一項歷史發明雖仍有復原其原貌的價值，也有分析它研究過程的必要。可貴之處是大平輪齒數的加大，提高了指向精度，上下疊輪等的離合器是有別於燕肅離合器的創新。燕肅離合器是水平方向活動的離合器，吳德仁離合器是豎直方向活動的離合器，兩者是不同型的離合器。輪系哨合關係分析從模數最小的開始，上疊輪山型齒，齒間相去一寸一分，大平輪星型，齒間相去一寸二分五釐，上疊輪上下移動與大平輪離合，齒間相去差一分五釐是古人測量方法只以造成物為準而沒有節圓的概念所致；上疊輪與下疊輪插合；小平輪山型齒，齒間相去一寸九分與下疊輪星型，齒間相去二寸一分，兩齒輪嚙合也是非節圓概念所致；小平輪山型，齒間相去一寸九分與附足子輪山型，齒間相去二寸一分，兩齒輪垂直變向，應當同為山型齒嚙合，在不執行指南工作時控制脫離。此處懷疑有測量失誤或記錄失誤，按照周長和齒數計算附足齒輪的齒間距應當是一寸九分四釐，小平輪齒間距也是一寸九分四釐；文獻記載「附足輪齒間相去二寸一分」有誤。上疊輪與車腳立輪的離合以上疊輪為準，車腳立輪齒間相去二寸二分五釐是因為它要固定在車體上，起作用的只是與上疊輪嚙合的內圈部分。上疊輪是一個既有旋轉又有軸向上下移動的運動件，這是吳德仁離合器的特徵。吳德仁的離合器式的指南車指向精度有所提高，關鍵是能夠做到一側驅動大平輪的同時另一側車輪被鎖定。各個齒輪的齒數可以按照文獻記錄數據，齒數的增加有利於精度的提高。齒數也可以略加改動，但必須有改動的理由。試改動如下附足齒輪24齒可行；大平輪100齒與24齒之比造成車輪直徑與輪距的比例為I比2. 0833，且100齒的分度困難不如把大平輪改為96齒，使車輪直徑與輪距的比例為I 2或2 3 ;小平輪17齒，減去一個齒可以方便分度，並不影響精度。32齒的上下疊輪和車腳立輪是兩套離合器。車腳立齒輪實質上是鎖定插孔，它被固定在車體上，它有齒而不旋轉不算齒輪；下疊輪32齒，是個雙作用齒輪，外圈星型齒與小平輪嚙合，內圈與上疊輪滑動嚙合；上疊齒輪是個特殊的「山」型齒輪32齒。頂面齒長一般，底面齒長有三個齒輪厚度，中心的有一長軸可上下移動，有三個停留高度，最高時齒輪頂面齒與大平輪嚙合；降低一個半齒輪厚度為脫離大平輪位置；最低時與車腳立齒輪插合停止車輪轉動。小平輪是山型齒輪，16齒，雙面齒，中心固定在一個可上下滑動的長軸上，上面齒長兩倍，，下面齒型正常，有二個停留高度，工作時小平輪在低位分別與附足齒輪、下疊輪嚙合。高位時脫離附足齒輪，用在不做指向時使用，以減少磨損。復原吳德仁指南車在於正確解讀那段模糊的文獻「中至大平輪。其輪徑三尺八寸，圍一丈一尺四寸，出齒一百，齒間相去一寸二分五釐，通上左右起落。」和「左右後轅各小輪一，無齒，系竹{亶}並索在左右軸上，遇右轉使右轅小輪觸落右輪，若左轉使左轅小輪觸落左輪。行則仙童交而指南。」第一句的前段易解，「通上左右起落」疑為「通上疊輪左右起落」，即為大平輪通過左右上疊輪的分別起落而有不同的旋轉方向。第二句是說小輪的位置和作用，小輪系竹{亶}的「{亶}」究竟指何物？若以後面「遇右轉使右轅小輪觸落右輪，若左轉使左轅小輪觸落左輪。」反演，此物近於蹺蹺板。但是有三個穩定狀態左高，相平，右高。右轉時目標是右方上疊輪下落，就是「使右轅(蹺蹺板右端)小輪觸(放)落右(上疊輪)輪」;移動小輪配合繩索(竹{亶})可以放大轉角位移量兩倍的發明是燕肅指南車開始的，吳德仁指南車繼續推廣到放大位距離移量兩倍的應用中。蹺蹺板鉗口設計把車轅觸動時的移動量放大了，蹺蹺板兩端的小輪又進一步放大兩倍距離，使車轅觸動蹺蹺板鉗口只需約2度轉角，蹺蹺板就旋轉約5度，兩端移動約三寸，上疊輪升降約六寸距離。吳德仁指南車車轅13轉向時撥動蹺蹺板10中部向上設的蹺蹺板鉗形口 11，蹺蹺板傾斜，蹺蹺板兩端設小輪14，繩索9拴在小輪下方的車體上，向上經小輪反向固定在離合器的升降立柱8下部，左右託起滑板分別控制兩個豎直軸向離合器的上疊輪3升降；升者與大平輪4嚙合，降者與車腳立輪7接合，車輪被鎖定；左右相平時空旋。蹺蹺板後視圖看略呈「人」字形，分前後兩部分，後部為執行部分與離合齒輪組相平齊，它的兩端有小輪，蹺蹺板前部中間向上設蹺蹺板鉗口，接受單轅前部控制。因此蹺蹺板俯視呈「工」字形。工作過程簡述車右轉時車轅在車體上右轉，達到一定角度時觸動蹺蹺板鉗形口11，蹺蹺板開始動作，蹺蹺板左高右低，轉角約5度，左側上疊輪與大平輪嚙合；右側上疊輪向下與車腳立輪接合，右側車輪鎖定停轉，即「觸落右輪」;左車輪前行車右轉彎，大平輪左轉，仙人仍指南。上述過程中，上疊輪與大平輪嚙合只要齒形合理，嚙合會順利進行；另側上疊輪下齒與車腳立齒輪插合有等待的機率，此時繩索放鬆，待插合條件達到時自然動作。動態分析路面有小的坑坑窪窪，一側顛簸，車轅並不旋轉到觸發角度，故而對指向無影響；靈敏度可以用調整車轅前端與蹺蹺板鉗口的撥動間隙達到恰當程度；離合操作時出現一次等待狀態，最大出現360/24/4 = 3. 75度的指向誤差，但左右兩方可以抵消。在實際使用中，常以五輛指南車同行就能保證最終結果的可靠。吳德仁指南車的輪距與輪徑之比為二比一，上述部件顯得偏低。因此，設計了兩層齒輪，上層的十三個齒輪是和下層大平輪同軸的中心輪，山型32齒，它的前後左右各嚙合一個星型齒輪32齒(齒數可以改變)，每個星型齒輪向外再嚙合兩個山型輪32齒，中心輪豎軸頂站立指路仙人，外圍八個山型輪上分立四童子和龜、鶴各二。吳德仁指南車設計的車輪與單轅軸呈正等腰三角形分布，這種單轅活動軸牽引的方式有利於車輪跟隨轉向。車輪的鎖定使這種跟隨更加可靠，同時也減輕了鎖定車輪時齒輪間的衝擊力。吳德仁指南車文獻中存在疑問1.為提高指南車的指向精度加大大平輪齒輪的齒數和附足齒輪的齒數是關鍵，離合齒輪的齒數沒有必要增加到32齒。指南車的車輪直徑與輪距的比與大平輪和附足齒輪的齒數比有關，大平輪齒數/(2*附足齒輪齒數)=輪距/輪徑。即為96/(24*2) = 2，輪距11.4尺，輪徑5.7尺，顯得過寬，實為吳德仁為顯赫皇權追求的九五至尊，為了得到車廂九尺五寸，車輪與車廂兩側各相距九寸五分的九五之數而修改的作品，並無實用價值。實際有用的指南車應當是，把附足齒輪改成32齒，則96/(32*2)=1.5，輪距八尺，輪徑，5尺三寸三，整體比例協調。無需上層龜、鶴、童子湊足九個數。倒是應當設計霧天燈光指向的「八燈四隔板」指向器，以供霧天和黃昏、夜行時使用。2. 「二小平輪，各有鐵墜子一」被後人理解為小平輪升降離合，鐵墜子是怕小平輪自重不夠而加的配重。小平輪下方正對輪軸很難安放鐵墜子，故所繪圖1，圖2沒有鐵墜子。蹺蹺板自動恢復水平趨勢才是需要鐵墜子配重的所在。在改進型升降離合式指南車的圖3，圖4中可以理解鐵墜子的作用。鐵墜子只需一個，無需對稱為兩個。為了復原吳德仁指南車並使它具有指南功能，在圖1所示的結構上增加個如圖5的鐵墜子就算完美了。實用型吳德仁離合式指南車的特徵是附足子輪改為32齒，上下疊輪合為一體改為24齒改稱升降輪,此輪上下面山形齒、外緣為星形齒；小平輪改為下面為山形，上面山形另加一輪面構成「鼠籠」型結構與上下輪嚙合，「鼠籠」高度與上下輪升降配合；小輪與升降立柱8的連接因附足子輪站位而改在降立柱8的前側面；附足子輪I驅動小平輪2，小平輪與升降輪3-2嚙合，並且升降輪可軸向滑動；車直行時車轅13不觸及蹺蹺板鉗形口 11，蹺蹺板10左右平衡，二小輪14等高，繩索9牽動左右升降立柱8等高，左右上疊輪15等高，左右各齒輪空轉，大平輪4靜止；當車轅推動蹺蹺板鉗形口時，蹺蹺板傾斜，上升方升降輪與大平輪4嚙合，中柱5跟隨轉動；下降方升降輪與車腳立輪7插合，該方車輪停；車轅回歸中間脫離蹺蹺板鉗形口時，蹺蹺板在鐵墜子16的作用下左右相平。不做指南工作時，小平輪的支架17以升降輪18的軸為圓心向外轉動約8度與附足子輪I脫離，同時把楔形木22插入限位橋21的橋涵內(見圖2)。蹺蹺板10有前後兩部分，俯視如「工」字形，前部車轅13在蹺蹺板鉗形口 11內觸動蹺蹺板，後部蹺蹺板兩端各有小輪15升降帶動升降立柱8。「八燈四隔板」指向器的結構是在中柱指路仙人下，按方位等距設八個燈，北高南低順勢傾斜；燈下東西南北設四隔板，隔板頂部由北燈水平到中柱，過中柱後分別斜下到東西南三燈；遠處霧天和黃昏、夜行時，觀察人所處方位不同，會有不同的燈光排列方式。處南方八燈全顯，東西方燈呈斜線，北方下三燈不見。


圖1吳德仁指南車後視圖車轅13撥動蹺蹺板10的蹺蹺板鉗形口 11，蹺蹺板繞蹺蹺板軸12傾斜，兩端小輪14升降成動滑輪結構，繩索9配合小輪拉動升降立柱8使上疊輪軸15倍距離升降；上升方上疊輪3升高與大平輪4嚙合，車輪的附足子輪I的轉動帶動小平輪2，小平輪帶動下疊輪6，下疊輪帶動上疊輪與大平輪嚙合，大平輪逆轉，中柱5逆轉；下降方上疊輪下降與車腳立輪7插合下疊輪停，小平輪停，附足子輪停，車輪停。圖2吳德仁指南車輪系俯視示意圖車轅13轉動，觸動蹺蹺板鉗形口 11，上疊輪3左右升降，大平輪4依嚙合方向轉動，小平輪2，下疊輪6，分左右方動或靜；車轅前部有限位橋21限定車轅轉角，不做指南工作時把二楔形木22塞入限位橋的橋涵內。圖3改型後的輪系後視圖附足子輪I驅動小平輪2，小平輪與升降輪3-2嚙合，並且升降輪可軸向滑動；車直行時車轅13不觸及蹺蹺板鉗形口 11，蹺蹺板10左右平衡，二小輪14等高，繩索9牽動左右升降立柱8等高，左右上疊輪15等高，左右各齒輪空轉，大平輪4靜止；當車轅推動蹺蹺板鉗形口時，蹺蹺板傾斜，上升方升降輪與大平輪嚙合，中柱5跟隨轉動；下降方升降輪與車腳立輪7插合，該方車輪停；車轅回歸中間脫離蹺蹺板鉗形口時，蹺蹺板在鐵墜子16的作用下左右相平。圖4改型後的輪系俯視圖車轅13居中，不觸動蹺蹺板鉗形口 11，升降輪3-2左右相平，大平輪4無嚙合，不轉動，小平輪2空轉。俯視圖無變化。圖5不指南時離合原理俯視圖不做指南工作時，小平輪的支架17以升降輪18的軸為圓心向外轉動約8度與附足子輪I脫離，同時把楔形木插入限位橋內。圖6蹺蹺板原理俯視圖蹺蹺板俯10視如「工」字形，車轅13在蹺蹺板鉗形口 11內觸動蹺蹺板，小輪15升降帶動升降立柱8。圖7整體側視及「八燈四隔板」指向器示意圖中柱指路人向下設八燈19四隔板20 ;蹺蹺板下有鐵墜子16。
具體實施方式
依據《宋史》志第102輿服一所記載的內容，分析推理得出吳德仁指南車的結構。認為吳德仁指南車是離合式指南車，它與燕肅指南車的不同點是燕肅離合器是水平轉動離合，吳德仁離合器是軸向位移離合。吳德仁指南車為皇帝專用而設計，並不實用。經研究改變了不合理數據，仍以原型為樣板增加了實用的部件，使吳德仁指南車能夠正確的完成指南的作用，改變目前指南車不指南的局面。宜用在中國古代科技成果展出場所。製作小型模型可供鑑賞，有在旅遊景點出售供遊人收藏，達到弘揚民族科技文化的作用。
權利要求
1.吳德仁指南車是離合式指南車，其特徵是車轅13轉向時撥動蹺蹺板10中部向上設的蹺蹺板鉗形ロ 11，蹺蹺板傾斜，蹺蹺板兩端設小輪14，繩索9拴在小輪下方的車體上，向上經小輪反向固定在離合器的升降立柱8下部，左右託起滑板分別控制兩個豎直軸向離合器的上疊輪3升降；升者與大平輪4嚙合，降者與車腳立輪7接合，車輪被鎖定；左右相平時空旋。
2.實用型吳德仁離合式指南車的特徵是附足子輪改為32齒，上下疊輪合為一體改為24齒改稱升降輪，此輪上下面山形齒、外緣為星形齒；小平輪改為下面為山形，上面山形另加一輪面構成「鼠籠」型結構與上下輪嚙合，「鼠籠」高度與上下輪升降配合；小輪與升降立柱8的連接因附足子輪站位而改在降立柱8的前側面；附足子輪I驅動小平輪2，小平輪與升降輪3-2嚙合，並且升降輪可軸向滑動；車直行時車轅13不觸及蹺蹺板鉗形ロ 11，蹺蹺板10左右平衡，ニ小輪14等高，繩索9牽動左右升降立柱8等高，左右上疊輪15等高，左右各齒輪空轉，大平輪4靜止；當車轅推動蹺蹺板鉗形ロ時，蹺蹺板傾斜，上升方升降輪與大平輪4嚙合，中柱5跟隨轉動；下降方升降輪與車腳立輪7插合，該方車輪停；車轅回歸中間脫離蹺蹺板鉗形ロ時，蹺蹺板在鐵墜子16的作用下左右相平。
3.根據權利要求2所述實用型吳德仁離合式指南車不做指南工作時的特徵是小平輪的支架17以升降輪18的軸為圓心向外轉動約8度與附足子輪I脫離，同時把楔形木22插入限位橋21的橋涵內。
4.根據權利要求2所述實用型吳德仁離合式指南車，其特徵是蹺蹺板10有前後兩部分，俯視如「エ」字形，前部車轅13在蹺蹺板鉗形ロ 11內觸動蹺蹺板，後部蹺蹺板兩端各有小輪15升降帶動升降立柱8。
5.根據權利要求2所述實用型吳德仁離合式指南車，指向器的特徵是在中柱指路仙人下，按方位等距設八個燈，北高南低順勢傾斜；燈下東西南北設四隔板，隔板頂部由北燈水平到中柱，過中柱後分別斜下到東西南三燈；遠處霧天和黃昏、夜行時，觀察人所處方位不同，會有不同的燈光排列方式。
全文摘要
依據《宋史》志第102輿服一所記載的內容，分析推理得出吳德仁指南車的結構。認為吳德仁指南車是離合式指南車，它與燕肅指南車的不同點是燕肅離合器是水平轉動離合，吳德仁離合器是軸向位移離合。吳德仁指南車為皇帝專用而設計，並不實用。經研究改變了不合理數據，仍以原型為樣板增加了實用的部件，使吳德仁指南車能夠正確的完成指南的作用，改變目前指南車不指南的局面。宜用在中國古代科技成果展出場所。製作小型模型可供鑑賞，有在旅遊景點出售供遊人收藏，達到弘揚民族科技文化的作用。
文檔編號G01C17/00GK103047976SQ201110322060
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月15日 優先權日2011年10月15日
發明者齊運生 申請人:齊運生