专利名称：吴德仁离合器式指南车的制作方法
技术领域：
本专利属恢复中国古代失传机械技术领域，具体的说是吴德仁离合式指南车。
背景技术：
关于吴德仁指南车的历史文献有《宋史》志第102舆服一，原文:大观元年，内侍省吴德仁又献指南车、记里鼓车之制，二车成，其年宗祀大礼始用之。其指南车身一丈一尺一寸五分，阔九尺五寸，深一丈九寸，车轮直径五尺七寸，车辕一丈五寸。车箱上下为两层，中设屏风，上安仙人一执仗，左右龟鹤各一，童子四各执缨立四角，上设关戾。卧轮一十三，各径一尺八寸五分，围五尺五寸五分，出齿三十二，齿间相去一寸八分。中心轮轴随屏风贯下，下有轮一^h三，中至大平轮。其轮径三尺八寸，围一丈一尺四寸，出齿一百，齿间相去一寸二分五厘，通上左右起落。二小平轮，各有铁坠子一，皆径一尺一寸，围三尺三寸，出齿 h七，齿间相去一寸九分。又左右附轮各一，径一尺五寸五分，围四尺六寸五分，出齿二十四，齿间相去二寸一分。左右叠轮各二，下轮各径二尺一寸，围六尺三寸，出齿三十二，齿间相去二寸一分；上叠轮各径一尺二寸，围三尺六寸，出齿三十二，齿间相去一寸一分。左右车脚上各立轮一，径二尺二寸，围六尺六寸，出齿三十二，齿间相去二寸二分五厘。左右后辕各小轮一，无齿，系竹{亶}并索在左右轴上，遇右转使右辕小轮触落右轮，若左转使左辕小轮触落左轮。行则仙童交而指南。车驾赤马二，铜面，插羽，轚缨，攀胸铃拂，绯絹屉，锦包尾。……”《宋书》志第八礼五，原文……指南车，其始周公所作，以送荒外远使。地域平漫，迷于东西，造立此车，使常知南北。……范阳人祖冲之，有巧思，常谓宜更构造。宋顺帝升明末，齐王为相，命造之焉。车成，使抚军丹阳尹王僧虔、御史中丞刘休试之。其制甚精，百屈千回，未尝移变。……”历史上记载110年汉·张`逝，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。据中国专利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。并且一直认为燕肃指南车与吴德仁指南车是相同的，没有出现过符合文献记载的吴德仁指南车。
发明内容
吴德仁以仙人等九个木偶迎合圣意，车身“阔九尺五寸”乃“九五至尊”之意，取“车轮直径五尺七寸”得轮距一丈一尺四寸，车箱两侧各余九寸五分；上层为阳，置九尊偶像，下层为阴，设九个齿轮。无处不显现该指南车是皇帝仪仗专用的特制品。它的学术价值并不高于燕肃指南车，而今作为一项历史发明虽仍有复原其原貌的价值，也有分析它研究过程的必要。可贵之处是大平轮齿数的加大，提高了指向精度，上下叠轮等的离合器是有别于燕肃离合器的创新。燕肃离合器是水平方向活动的离合器，吴德仁离合器是竖直方向活动的离合器，两者是不同型的离合器。轮系哨合关系分析从模数最小的开始，上叠轮山型齿，齿间相去一寸一分，大平轮星型，齿间相去一寸二分五厘，上叠轮上下移动与大平轮离合，齿间相去差一分五厘是古人测量方法只以造成物为准而没有节圆的概念所致；上叠轮与下叠轮插合；小平轮山型齿，齿间相去一寸九分与下叠轮星型，齿间相去二寸一分，两齿轮啮合也是非节圆概念所致；小平轮山型，齿间相去一寸九分与附足子轮山型，齿间相去二寸一分，两齿轮垂直变向，应当同为山型齿啮合，在不执行指南工作时控制脱离。此处怀疑有测量失误或记录失误，按照周长和齿数计算附足齿轮的齿间距应当是一寸九分四厘，小平轮齿间距也是一寸九分四厘；文献记载“附足轮齿间相去二寸一分”有误。上叠轮与车脚立轮的离合以上叠轮为准，车脚立轮齿间相去二寸二分五厘是因为它要固定在车体上，起作用的只是与上叠轮啮合的内圈部分。上叠轮是一个既有旋转又有轴向上下移动的运动件，这是吴德仁离合器的特征。吴德仁的离合器式的指南车指向精度有所提高，关键是能够做到一侧驱动大平轮的同时另一侧车轮被锁定。各个齿轮的齿数可以按照文献记录数据，齿数的增加有利于精度的提高。齿数也可以略加改动，但必须有改动的理由。试改动如下附足齿轮24齿可行；大平轮100齿与24齿之比造成车轮直径与轮距的比例为I比2. 0833，且100齿的分度困难不如把大平轮改为96齿，使车轮直径与轮距的比例为I 2或2 3 ;小平轮17齿，减去一个齿可以方便分度，并不影响精度。32齿的上下叠轮和车脚立轮是两套离合器。车脚立齿轮实质上是锁定插孔，它被固定在车体上，它有齿而不旋转不算齿轮；下叠轮32齿，是个双作用齿轮，外圈星型齿与小平轮啮合，内圈与上叠轮滑动啮合；上叠齿轮是个特殊的“山”型齿轮32齿。顶面齿长一般，底面齿长有三个齿轮厚度，中心的有一长轴可上下移动，有三个停留高度，最高时齿轮顶面齿与大平轮啮合；降低一个半齿轮厚度为脱离大平轮位置；最低时与车脚立齿轮插合停止车轮转动。小平轮是山型齿轮，16齿，双面齿，中心固定在一个可上下滑动的长轴上，上面齿长两倍，，下面齿型正常，有二个停留高度，工作时小平轮在低位分别与附足齿轮、下叠轮啮合。高位时脱离附足齿轮，用在不做指向时使用，以减少磨损。复原吴德仁指南车在于正确解读那段模糊的文献“中至大平轮。其轮径三尺八寸，围一丈一尺四寸，出齿一百，齿间相去一寸二分五厘，通上左右起落。”和“左右后辕各小轮一，无齿，系竹{亶}并索在左右轴上，遇右转使右辕小轮触落右轮，若左转使左辕小轮触落左轮。行则仙童交而指南。”第一句的前段易解，“通上左右起落”疑为“通上叠轮左右起落”，即为大平轮通过左右上叠轮的分别起落而有不同的旋转方向。第二句是说小轮的位置和作用，小轮系竹{亶}的“{亶}”究竟指何物？若以后面“遇右转使右辕小轮触落右轮，若左转使左辕小轮触落左轮。”反演，此物近于跷跷板。但是有三个稳定状态左高，相平，右高。右转时目标是右方上叠轮下落，就是“使右辕(跷跷板右端)小轮触(放)落右(上叠轮)轮”;移动小轮配合绳索(竹{亶})可以放大转角位移量两倍的发明是燕肃指南车开始的，吴德仁指南车继续推广到放大位距离移量两倍的应用中。跷跷板钳口设计把车辕触动时的移动量放大了，跷跷板两端的小轮又进一步放大两倍距离，使车辕触动跷跷板钳口只需约2度转角，跷跷板就旋转约5度，两端移动约三寸，上叠轮升降约六寸距离。吴德仁指南车车辕13转向时拨动跷跷板10中部向上设的跷跷板钳形口 11，跷跷板倾斜，跷跷板两端设小轮14，绳索9拴在小轮下方的车体上，向上经小轮反向固定在离合器的升降立柱8下部，左右托起滑板分别控制两个竖直轴向离合器的上叠轮3升降；升者与大平轮4啮合，降者与车脚立轮7接合，车轮被锁定；左右相平时空旋。跷跷板后视图看略呈“人”字形，分前后两部分，后部为执行部分与离合齿轮组相平齐，它的两端有小轮，跷跷板前部中间向上设跷跷板钳口，接受单辕前部控制。因此跷跷板俯视呈“工”字形。工作过程简述车右转时车辕在车体上右转，达到一定角度时触动跷跷板钳形口11，跷跷板开始动作，跷跷板左高右低，转角约5度，左侧上叠轮与大平轮啮合；右侧上叠轮向下与车脚立轮接合，右侧车轮锁定停转，即“触落右轮”;左车轮前行车右转弯，大平轮左转，仙人仍指南。上述过程中，上叠轮与大平轮啮合只要齿形合理，啮合会顺利进行；另侧上叠轮下齿与车脚立齿轮插合有等待的机率，此时绳索放松，待插合条件达到时自然动作。动态分析路面有小的坑坑洼洼，一侧颠簸，车辕并不旋转到触发角度，故而对指向无影响；灵敏度可以用调整车辕前端与跷跷板钳口的拨动间隙达到恰当程度；离合操作时出现一次等待状态，最大出现360/24/4 = 3. 75度的指向误差，但左右两方可以抵消。在实际使用中，常以五辆指南车同行就能保证最终结果的可靠。吴德仁指南车的轮距与轮径之比为二比一，上述部件显得偏低。因此，设计了两层齿轮，上层的十三个齿轮是和下层大平轮同轴的中心轮，山型32齿，它的前后左右各啮合一个星型齿轮32齿(齿数可以改变)，每个星型齿轮向外再啮合两个山型轮32齿，中心轮竖轴顶站立指路仙人，外围八个山型轮上分立四童子和龟、鹤各二。吴德仁指南车设计的车轮与单辕轴呈正等腰三角形分布，这种单辕活动轴牵引的方式有利于车轮跟随转向。车轮的锁定使这种跟随更加可靠，同时也减轻了锁定车轮时齿轮间的冲击力。吴德仁指南车文献中存在疑问1.为提高指南车的指向精度加大大平轮齿轮的齿数和附足齿轮的齿数是关键，离合齿轮的齿数没有必要增加到32齿。指南车的车轮直径与轮距的比与大平轮和附足齿轮的齿数比有关，大平轮齿数/(2*附足齿轮齿数)=轮距/轮径。即为96/(24*2) = 2，轮距11.4尺，轮径5.7尺，显得过宽，实为吴德仁为显赫皇权追求的九五至尊，为了得到车厢九尺五寸，车轮与车厢两侧各相距九寸五分的九五之数而修改的作品，并无实用价值。实际有用的指南车应当是，把附足齿轮改成32齿，则96/(32*2)=1.5，轮距八尺，轮径，5尺三寸三，整体比例协调。无需上层龟、鹤、童子凑足九个数。倒是应当设计雾天灯光指向的“八灯四隔板”指向器，以供雾天和黄昏、夜行时使用。2. “二小平轮，各有铁坠子一”被后人理解为小平轮升降离合，铁坠子是怕小平轮自重不够而加的配重。小平轮下方正对轮轴很难安放铁坠子，故所绘图1，图2没有铁坠子。跷跷板自动恢复水平趋势才是需要铁坠子配重的所在。在改进型升降离合式指南车的图3，图4中可以理解铁坠子的作用。铁坠子只需一个，无需对称为两个。为了复原吴德仁指南车并使它具有指南功能，在图1所示的结构上增加个如图5的铁坠子就算完美了。实用型吴德仁离合式指南车的特征是附足子轮改为32齿，上下叠轮合为一体改为24齿改称升降轮,此轮上下面山形齿、外缘为星形齿；小平轮改为下面为山形，上面山形另加一轮面构成“鼠笼”型结构与上下轮啮合，“鼠笼”高度与上下轮升降配合；小轮与升降立柱8的连接因附足子轮站位而改在降立柱8的前侧面；附足子轮I驱动小平轮2，小平轮与升降轮3-2啮合，并且升降轮可轴向滑动；车直行时车辕13不触及跷跷板钳形口 11，跷跷板10左右平衡，二小轮14等高，绳索9牵动左右升降立柱8等高，左右上叠轮15等高，左右各齿轮空转，大平轮4静止；当车辕推动跷跷板钳形口时，跷跷板倾斜，上升方升降轮与大平轮4啮合，中柱5跟随转动；下降方升降轮与车脚立轮7插合，该方车轮停；车辕回归中间脱离跷跷板钳形口时，跷跷板在铁坠子16的作用下左右相平。不做指南工作时，小平轮的支架17以升降轮18的轴为圆心向外转动约8度与附足子轮I脱离，同时把楔形木22插入限位桥21的桥涵内(见图2)。跷跷板10有前后两部分，俯视如“工”字形，前部车辕13在跷跷板钳形口 11内触动跷跷板，后部跷跷板两端各有小轮15升降带动升降立柱8。“八灯四隔板”指向器的结构是在中柱指路仙人下，按方位等距设八个灯，北高南低顺势倾斜；灯下东西南北设四隔板，隔板顶部由北灯水平到中柱，过中柱后分别斜下到东西南三灯；远处雾天和黄昏、夜行时，观察人所处方位不同，会有不同的灯光排列方式。处南方八灯全显，东西方灯呈斜线，北方下三灯不见。
图1吴德仁指南车后视图车辕13拨动跷跷板10的跷跷板钳形口 11，跷跷板绕跷跷板轴12倾斜，两端小轮14升降成动滑轮结构，绳索9配合小轮拉动升降立柱8使上叠轮轴15倍距离升降；上升方上叠轮3升高与大平轮4啮合，车轮的附足子轮I的转动带动小平轮2，小平轮带动下叠轮6，下叠轮带动上叠轮与大平轮啮合，大平轮逆转，中柱5逆转；下降方上叠轮下降与车脚立轮7插合下叠轮停，小平轮停，附足子轮停，车轮停。图2吴德仁指南车轮系俯视示意图车辕13转动，触动跷跷板钳形口 11，上叠轮3左右升降，大平轮4依啮合方向转动，小平轮2，下叠轮6，分左右方动或静；车辕前部有限位桥21限定车辕转角，不做指南工作时把二楔形木22塞入限位桥的桥涵内。图3改型后的轮系后视图附足子轮I驱动小平轮2，小平轮与升降轮3-2啮合，并且升降轮可轴向滑动；车直行时车辕13不触及跷跷板钳形口 11，跷跷板10左右平衡，二小轮14等高，绳索9牵动左右升降立柱8等高，左右上叠轮15等高，左右各齿轮空转，大平轮4静止；当车辕推动跷跷板钳形口时，跷跷板倾斜，上升方升降轮与大平轮啮合，中柱5跟随转动；下降方升降轮与车脚立轮7插合，该方车轮停；车辕回归中间脱离跷跷板钳形口时，跷跷板在铁坠子16的作用下左右相平。图4改型后的轮系俯视图车辕13居中，不触动跷跷板钳形口 11，升降轮3-2左右相平，大平轮4无啮合，不转动，小平轮2空转。俯视图无变化。图5不指南时离合原理俯视图不做指南工作时，小平轮的支架17以升降轮18的轴为圆心向外转动约8度与附足子轮I脱离，同时把楔形木插入限位桥内。图6跷跷板原理俯视图跷跷板俯10视如“工”字形，车辕13在跷跷板钳形口 11内触动跷跷板，小轮15升降带动升降立柱8。图7整体侧视及“八灯四隔板”指向器示意图中柱指路人向下设八灯19四隔板20 ;跷跷板下有铁坠子16。
具体实施方式
依据《宋史》志第102舆服一所记载的内容，分析推理得出吴德仁指南车的结构。认为吴德仁指南车是离合式指南车，它与燕肃指南车的不同点是燕肃离合器是水平转动离合，吴德仁离合器是轴向位移离合。吴德仁指南车为皇帝专用而设计，并不实用。经研究改变了不合理数据，仍以原型为样板增加了实用的部件，使吴德仁指南车能够正确的完成指南的作用，改变目前指南车不指南的局面。宜用在中国古代科技成果展出场所。制作小型模型可供鉴赏，有在旅游景点出售供游人收藏，达到弘扬民族科技文化的作用。
权利要求
1.吴德仁指南车是离合式指南车，其特征是车辕13转向时拨动跷跷板10中部向上设的跷跷板钳形ロ 11，跷跷板傾斜，跷跷板两端设小轮14，绳索9拴在小轮下方的车体上，向上经小轮反向固定在离合器的升降立柱8下部，左右托起滑板分别控制两个竖直轴向离合器的上叠轮3升降；升者与大平轮4啮合，降者与车脚立轮7接合，车轮被锁定；左右相平时空旋。
2.实用型吴德仁离合式指南车的特征是附足子轮改为32齿，上下叠轮合为一体改为24齿改称升降轮，此轮上下面山形齿、外缘为星形齿；小平轮改为下面为山形，上面山形另加一轮面构成“鼠笼”型结构与上下轮啮合，“鼠笼”高度与上下轮升降配合；小轮与升降立柱8的连接因附足子轮站位而改在降立柱8的前侧面；附足子轮I驱动小平轮2，小平轮与升降轮3-2啮合，并且升降轮可轴向滑动；车直行时车辕13不触及跷跷板钳形ロ 11，跷跷板10左右平衡，ニ小轮14等高，绳索9牵动左右升降立柱8等高，左右上叠轮15等高，左右各齿轮空转，大平轮4静止；当车辕推动跷跷板钳形ロ时，跷跷板倾斜，上升方升降轮与大平轮4啮合，中柱5跟随转动；下降方升降轮与车脚立轮7插合，该方车轮停；车辕回归中间脱离跷跷板钳形ロ时，跷跷板在铁坠子16的作用下左右相平。
3.根据权利要求2所述实用型吴德仁离合式指南车不做指南工作时的特征是小平轮的支架17以升降轮18的轴为圆心向外转动约8度与附足子轮I脱离，同时把楔形木22插入限位桥21的桥涵内。
4.根据权利要求2所述实用型吴德仁离合式指南车，其特征是跷跷板10有前后两部分，俯视如“エ”字形，前部车辕13在跷跷板钳形ロ 11内触动跷跷板，后部跷跷板两端各有小轮15升降带动升降立柱8。
5.根据权利要求2所述实用型吴德仁离合式指南车，指向器的特征是在中柱指路仙人下，按方位等距设八个灯，北高南低顺势傾斜；灯下东西南北设四隔板，隔板顶部由北灯水平到中柱，过中柱后分别斜下到东西南三灯；远处雾天和黄昏、夜行时，观察人所处方位不同，会有不同的灯光排列方式。
全文摘要
依据《宋史》志第102舆服一所记载的内容，分析推理得出吴德仁指南车的结构。认为吴德仁指南车是离合式指南车，它与燕肃指南车的不同点是燕肃离合器是水平转动离合，吴德仁离合器是轴向位移离合。吴德仁指南车为皇帝专用而设计，并不实用。经研究改变了不合理数据，仍以原型为样板增加了实用的部件，使吴德仁指南车能够正确的完成指南的作用，改变目前指南车不指南的局面。宜用在中国古代科技成果展出场所。制作小型模型可供鉴赏，有在旅游景点出售供游人收藏，达到弘扬民族科技文化的作用。
文档编号G01C17/00GK103047976SQ201110322060
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月15日 优先权日2011年10月15日
发明者齐运生 申请人:齐运生