专利名称：径向离合器式指南车模型的制作方法
技术领域：
本专利属益智模型机械技术领域，具体的说是径向离合式指南车模型。
背景技术：
关于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。
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将会出现这种情况，相当于向另一侧转弯。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会产生误差，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，这就是发明径向离合式指南车模型的缘由。模型对启迪少年的智力有益。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。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) 'O. 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。啮合点与大平轮中心距为(21. 4~2+29~2)~0· 5 = 36. 04寸。周长=226. 2寸，每度O. 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偏大，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在车轮后部轮福远端，左右两轴后端接近车轮的轮福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。本设计按照指南车的文献,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。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。
图I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
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。但必须予以说明。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。
权利要求1.径向离合器式指南车模型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I所述的径向离合器式指南车模型的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I所述的径向离合器式指南车模型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。
专利摘要一种径向离合器式指南车模型，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。能够实现准确定向的功能。
文档编号G01C17/00GK202814402SQ20112040814
公开日2013年3月20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