關(guān)于“指南車”開展的情況報告

1、籤上給邑*心粵呦SHZ自動【化概J論NIV匚RSIT指南車班級：自動化1613姓名：孫佳鑫學號：13關(guān)于“指南車”開展的情況報告簡介：指南車又稱司南車，是中國古代用來指示方向的一種裝置。它與指南針利用地磁效應不同，它不用磁性。它是利用機械傳動系統(tǒng)來指明方向的一種機械裝置。其原理是，靠人力來帶動兩輪的指南車行走，依靠車內(nèi)的機械傳動系統(tǒng)來傳遞轉(zhuǎn)向時兩車輪的差動來帶動車上的指向木人與車轉(zhuǎn)向的方向相反角度相同，使車上的木人指示方向，不論車子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向指南車出發(fā)時設(shè)置木人指示的方向，“車雖回運而手常指南”。指南車是中國古代指示方向的一種車輛，也作為帝王的儀仗車輛。指南車起源很早，歷代曾幾

2、度失傳幾度重制，但均未留下具體結(jié)構(gòu)的資料，可能歷代的指南車結(jié)構(gòu)也不盡相同，直至宋代才有較完整的資料?，F(xiàn)代以來國內(nèi)外很多人嘗試復原指南車，有幾種指南車的復原結(jié)構(gòu)，一種指南車結(jié)構(gòu)采用兩輪的差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉(zhuǎn)動，帶動車上指向木人與指南車轉(zhuǎn)向角度相同方向相反，實現(xiàn)指向功能。這種復原結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單指向精確比較符合黃帝戰(zhàn)蚩尤時的科學技術(shù)水平和歷史記載。第二種指南車復原結(jié)構(gòu)，采用在兩個車輪上刻畫標記，通過標記來知道兩個車輪差動了多少從而來判斷方向，這種復原結(jié)構(gòu)的指南車行走時不能知道方向，需要車停下來觀察車輪的標記才能辨明方向，另外也不符合古籍中“車雖回運而手常指南”的記載。第三種指南車復原結(jié)構(gòu)類

3、型是采用自動離合裝置，它利用齒輪傳動系統(tǒng)和自動離合裝置來傳遞兩車輪之間的差動，實現(xiàn)指示方向，雖然結(jié)構(gòu)比較簡單，但存在使用條件嚴格，指向誤差大，實用性差的缺點。第四種是采用差速齒輪原理結(jié)構(gòu)的指南車，雖然指向精度稍好但結(jié)構(gòu)復雜，工藝要求高，不符合古代的科學技術(shù)水平，看起來更象是現(xiàn)代發(fā)明而不是古代技術(shù)的復原。以上的復原結(jié)構(gòu)中兩輪的差動使斜面軸向頂推的結(jié)構(gòu)更加符合黃帝戰(zhàn)蚩尤時人們掌握的科學技術(shù)水平和歷史記載，顯示了古代機械技術(shù)的卓越成就。機械式指南車也有它的缺點。因為所有機械指南車，都是以兩輪之間的“差動”來工作的，它希望兩輪與地面作純滾動，這是一種理想的數(shù)學模式，但在實際中會有地面的坑坑洼洼產(chǎn)生的顛

4、簸使車輪產(chǎn)生空轉(zhuǎn)產(chǎn)生誤差。但相信古人所掌握的其他辨別方向的方式例如看太陽看星星什么的與指南車指示方向應該是相輔相成的，歷史記載黃帝是在大霧中行軍應用的指南車，只要在大霧發(fā)生時的行軍距離內(nèi)哪種復原的指南車不發(fā)生大的誤差，應該就是在指向精度方面比較成功復原的指南車。大霧散去后古人可以用其他方式辨別方向。工作原理:JJ花曲衛(wèi)ai21/A昨-!521豈坐典婁峑圖一圖二圖三所述滾輪22在斜面2302上移動并繞車軸轉(zhuǎn)一周時，使套筒23軸向往復移動，通過杠桿5和連桿6帶動曲軸13旋轉(zhuǎn)一周，本實施例中，所述左、右車輪1、26著地點之間的距離等于車輪半徑的長度，指南車轉(zhuǎn)向正好轉(zhuǎn)到一周時，兩車輪的差動就正好使?jié)L輪

5、22繞車軸轉(zhuǎn)一周，使套筒23軸向往復移動，通過杠桿5和連桿6的傳動使曲軸13正好旋轉(zhuǎn)一周。這樣指南車轉(zhuǎn)向的角度與曲軸13帶動指向物12轉(zhuǎn)動的角度相同，方向相反，保證了仿古指南車在運動過程中其預先設(shè)定的指示方向不變。如圖一利用推桿28推動指南車向右轉(zhuǎn)動時，推桿28內(nèi)端帶動弓狀體17逆時針旋轉(zhuǎn)，至弓狀體17與限位柱1131接觸，指南車向右轉(zhuǎn)動過程中，通過杠桿5、連桿6的傳動，曲軸13由初始狀態(tài)（曲軸的彎曲段指向車后壁）順時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中由開始接觸柔性弓弦16至擠壓柔性弓弦16、最后在到達止點位置（如圖2、圖3,到達右止點位置）時，柔性弓弦16釋放彈力使曲軸13順利通過止點位置，防止卡住。如圖二

6、圖三出現(xiàn)時間關(guān)于指南車的出現(xiàn)時間，有四種說法：一、西晉崔豹所著古今注及志林等古籍說黃帝與蚩尤作戰(zhàn)時，蚩尤作大霧，黃帝造指南車為士兵領(lǐng)路。二、古今注及鬼谷子等古籍說周公（即周武王弟）作指南車，是因“越裳氏”來進貢，迷失了歸路，周公造“五乘”指南車，為他們引路。三、劉仙洲在所著中國機械工程發(fā)明史（第一編）中說指南車的發(fā)明應以古籍西京雜記記載為據(jù)，定為西漢。四、王振鐸在所著科技考古論壇中說“創(chuàng)造指南車者，當以三國時馬鈞為可信”，并引魏略所記來加以證明。如何看待以上四種說法呢？根據(jù)現(xiàn)有考古資料認為中國磁鐵的發(fā)現(xiàn)時間為公元前三世紀所以記載中最早的黃帝或周公造指南車不可能是采用磁鐵指極性原理的結(jié)構(gòu)。另據(jù)現(xiàn)

7、有考古資料為據(jù)可知，中國齒輪出現(xiàn)的時間，在戰(zhàn)國到西漢之間，所以記載中最早的黃帝或周公造指南車不可能是采用齒輪的結(jié)構(gòu)。所以我們來看看指南車復原研究以來有沒有不用齒輪結(jié)構(gòu)還能符合史書中記載的“車雖回運而手常指南”的指南車復原結(jié)構(gòu)呢？斜面頂推結(jié)構(gòu)的指南車結(jié)構(gòu)簡單沒有用齒輪，應用斜面，杠桿、曲軸、等技術(shù)是五千年前黃帝時代人們可以掌握的技術(shù)，而且更加符合歷史記載的黃帝指南車的一些線索。斜面頂推式指南車的內(nèi)部機械傳動比例可以很輕易的通過實驗試出來，古人在生產(chǎn)實踐中會發(fā)現(xiàn)同樣大小的兩車輪，當兩車輪間的車軸長一些時，以一輪不動為圓心，車原地轉(zhuǎn)向一圈時，另一輪轉(zhuǎn)了二圈。當兩車輪間的車軸比上次短一些時，以一輪不動

8、為圓心，車原地轉(zhuǎn)向一圈時，另一輪轉(zhuǎn)了一圈多。這樣幾次實踐就可以知道，當兩輪間的軸長是車輪直徑的一半時，以一輪不動為圓心，車原地轉(zhuǎn)向一圈時，另一輪轉(zhuǎn)了一圈。也就是這個車轉(zhuǎn)向一圈，兩輪間的差動正好一圈。這樣的車轉(zhuǎn)向一圈使斜面探頭在斜面上轉(zhuǎn)一圈，推動斜面套筒軸向一個往復，這樣一比量這個往復的行程就可以確定曲軸的半徑。這個往復使曲軸轉(zhuǎn)一圈，這樣車轉(zhuǎn)向一圈帶動曲軸也轉(zhuǎn)一圈，它們轉(zhuǎn)向的方向相反，這樣保證了無論車怎么轉(zhuǎn)向木人始終指向原來的方向。所以斜面頂推式指南車不用計算，通過簡單少量的實驗，就可以知道傳動的比例，是五千年前的古人可以有能力做出的指南車。另一種在兩車輪上刻畫標記來知道兩輪差動了多少的復原結(jié)構(gòu)

9、的指南車，也比較簡單也符合黃帝戰(zhàn)蚩尤時的科學技術(shù)水平，但是車上沒有指向木人行走時不能知道方向，不盡符合歷史記載的黃帝指南車有指向木人能時刻知道方向。黃帝和周公指南車的后世朝代也有許多關(guān)于指南車的記載。據(jù)史書記載，東漢張衡（公元78-139年）、三國時代魏國的馬鈞、南齊的祖沖之都曾制造過指南車。宋史中記載了宋代兩種指南車，對指南車的具體結(jié)構(gòu)和各齒輪大小和齒數(shù)都有詳細記載?？芍未闹改宪嚳隙ㄊ驱X輪傳動系統(tǒng)，依靠機械傳動系統(tǒng)的定向性。還有兩種應用齒輪的指南車復原結(jié)構(gòu)類型：一種利用齒輪傳動系統(tǒng)和自動離合裝置，一種是采用差速齒輪原理結(jié)構(gòu)的指南車。這兩種復原結(jié)構(gòu)的指南車，復原的只可能是齒輪出現(xiàn)以后的朝代

10、所記載的指南車。研究制作折南舉歷複圖晁2.工輪J.小半輪4沖心人卩輪$.賃心丫軸6.4做7.V*l8.漸輪9.竝廉在使用時先人為地進行調(diào)整，使木仙人的手指向正南。若馬拖著轅直走，則左右兩個小平輪都懸空，車輪小齒輪和車中大平輪不發(fā)生嚙合傳動，因此木人不轉(zhuǎn)，當然也不會改變指向。若車子向左拐彎，則車轅的前端也必向左，而其后端則必偏右。車轅的這種變化，會使系在車轅上的吊懸兩小平輪的繩子發(fā)生相應的松緊，從而把左邊的小平輪向上拉，但仍使它懸空；而右邊的小平輪則借鐵墜子及其本身的重量往下落，從而造成了車輪小齒輪和大平輪的嚙合傳動。若車子向左轉(zhuǎn)90度，則在轉(zhuǎn)彎時，左輪不動，右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就

11、轉(zhuǎn)半周（即轉(zhuǎn)過12個齒），經(jīng)過小平輪傳動到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動12個齒，即1/4周（也即90度），這樣木仙人在和車一起左轉(zhuǎn)90度的同時，又由于齒輪的嚙合傳動右轉(zhuǎn)了90度，其結(jié)果等于沒有轉(zhuǎn)動，所以它的指向仍然不變。車子向右拐彎的情況或其他運動情況的結(jié)果可以類推。總之任車子怎么轉(zhuǎn)動，木仙人總能保持它的指向不變。燕肅的指南車是一輛雙輪獨轅車，車上立一木人，伸臂指南。車中，除兩個沿地面滾動的足輪（即車輪）外，尚有大小不同的7個齒輪。宋史輿服志分別記載了這些齒輪的直徑或圓周以及其中一些齒輪的齒距與齒數(shù)。由齒數(shù)、轉(zhuǎn)動數(shù)，并保證木人指南的目的，可見古人掌握了關(guān)于齒輪匹配的力學知識和控制齒輪離合

12、的方法。車輪轉(zhuǎn)動，帶動附于其上的垂直齒輪（稱附輪或附立足子輪），該附輪又使與其嚙合的小平輪轉(zhuǎn)動，小平輪帶動中心大平輪。指南木人的立軸就裝在大平輪中心。當車轉(zhuǎn)彎時，只要操作車上離合裝置，即竹繩、滑輪（分別居于車左或車右的小輪）和鐵墜子，就可以控制大平輪的轉(zhuǎn)動，從而使木人指向不變，例如，當車向右轉(zhuǎn)彎，則其前轅向右，后轅必向左。此時只要將繞過滑輪的后轅端繩索提起，使左小平輪下落，從而與大平輪離開；同時使右小平輪上升，從而與大平輪嚙合，大平輪就隨右小平輪而逆轉(zhuǎn)。由于各個齒輪匹配合理，車輪轉(zhuǎn)向的弧度與大平輪逆轉(zhuǎn)弧度相同，故木人指向不變。其后，吳德仁鑒于燕肅所制的指南車不能轉(zhuǎn)大彎，否則指向就失靈這一大缺點

13、，重新設(shè)計制作指南車。吳德仁指南車基本原理與燕肅一致，只是在附設(shè)裝置方面較為復雜。他的車分上下兩層。上層除木人指南外，繞木人還有二只龜、四只鶴和四個童子。上層13個相互嚙合的齒輪就是為它們設(shè)的。下層的齒輪裝置與結(jié)構(gòu)如前所述，是他發(fā)明了繩輪離合裝置,以保證車轉(zhuǎn)大彎也不影響木人指向。近代，對指南車的研究，受到了國內(nèi)外學術(shù)界的廣泛重視，提出了指南車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種猜想，其中有英國學者郎基斯特（GLanchester）提出的差動輪系機構(gòu)。大英博物館中的指南車就是按他的猜想復原制作的。李約瑟博士在對指南車的差動齒輪作詳細研究后指出：無論如何，指南車是人類歷史上第一架有共協(xié)穩(wěn)定的機械（homoeostati

14、cmachine）；當駕車人與車輛成一整體看待時，它就是第一部摹控機械。發(fā)明應用：指南車出現(xiàn)以后，許多朝代都有關(guān)于指南車的記載，從中可知此后歷代都有指南車?；实墼诼≈貓龊喜攀褂?，皇帝的儀仗隊中常不可少。南齊書中還記述了一件有趣的事，南北朝的劉宋平定關(guān)中后，得到一具指南車，做為戰(zhàn)利品，但只有外殼，而沒有內(nèi)部的零件。于是皇帝出行時，讓人躲在車內(nèi)操縱，可見有沒有指南車關(guān)系到皇帝的尊嚴與體面，很為重要。指南車的使用直到宋代，按宋史記載可以知道北宋時肯定有指南車在宋朝國都南遷后，屢經(jīng)戰(zhàn)亂，無心也無力顧及指南車了。宋后，建立了元朝，少數(shù)民族統(tǒng)治中國，并不重視漢族以往的傳統(tǒng)，未見再研制指南車了，便從此絕跡。

15、因為是皇帝所用，所以指南車的規(guī)格很高，車身高大，裝飾華美，還雕刻著金龍、仙人。行走時前呼后擁，所用“駕士”相當多，如金史就說有十二人駕駛，而宋史則說原有“駕士”十八人，后增至三十人。宋史中還記載著，后魏時曾有馬岳造指南車，“垂成”之時，被人毒殺。這些都體現(xiàn)了當時對指南車的高度重視。從古籍記載還可以看出，由于指南車的崇高地位與特殊作用，一般前朝滅亡之后，指南車也隨之毀壞。這種屢廢屢制的局面，造成歷史上研制過指南車的人相當多根據(jù)記載能搞清姓名、時間的就有十五人之多。所研制的指南車之外形應有繼承性，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)應各不相同，也可能大有出入，因為指南車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)常被認為是重要機密，避免讓人知道，這也許是歷史上很少古籍記載指南車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因。各代指南車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所不同，甚至有較大不同，或者根本不同都是完全可能的。詳細記載：指南車是古代一種指示方向的車輛，也作為帝王的儀仗車輛。指南車的發(fā)明較早。據(jù)傳說西周時就已發(fā)明，但最早的確切記載是在三國時期。有歷史典籍顯示三國時馬鈞是第一個成功地制造指南車的人。從三國時開始，歷代史書幾乎都有指南車的記載，但是都比較簡略。直至宋代