专利名称：张衡指南车的制作方法
技术领域：
指南车就是一种装有特殊的差速齿轮装置和指向器的单辕双轮车；张衡指南车就是以中国古代著名的科学家张衡(公元78-139)的名字命名的指南车；张衡指南车的发明目的主要是用来研究、复制中国古代的指南车。
指南车是人类科学技术史上一项极其重要而又神奇的发明；世界上只有中国的史藉有发明、制造和使用指南车的记述，而其他任何文明古国的史藉都没有类似的记述。但是，由于种种历史原因，中国的史藉上虽然有许多关于指南车的发明、发明人、发明年代的记述，也有某些对指南车外观特点与功能的描述，却都没有对指南车的结构、原理的说明，更没有留下图纸和实物；唯有一部写于1345年的《宋史·舆服志》对燕肃的指南车的结构略有说明。于是，指南车即成为科技史上的千古之谜，而燕肃的指南车也即成为中外学者们解谜的焦点。
经过半个多世纪的研究与考证，指南车之谜已初步被揭开。现在许多学者认为，中国古代众多类型的指南车中至少其中一种是采用了差速齿轮装置；对这种差速齿轮装置的指南车，著名的学者们给与了极高的评价，称其为“中国古代的机器人” (刘易斯《古罗马的向北车——中国与西方的齿轮装置》载《作品》1992年第14期，英国伦敦出版社英文版第82页)，“世界上最早的自动控制装置”(李约瑟《中国科学技术史》第一卷、第二分册，科学出版社1975年版，第126页)，“中国古代文明独一无二的伟大发明”(薮内清《(中国·科学·文明)》中国社会出版社1987年版第64页)。但是，在进一步研究与复制燕肃的指南车时，中外学者们遇到了这样一个难题按照《宋史·舆服志》的描述，指南车有五只木质棒齿轮，其中三只平卧安装，二只竖立安装；这种结构的机械还要具备差速的功能。近半个世纪过去了，中外学者们没有人能够解决这个难题，他们设计的指南车或者不具备指南的功能(例如中国学者王天幕设计的五只棒齿轮的离合装置的指南车、西方学者施利斯威克设计的棘轮拉杆装置的指南车)或者是齿轮的数目太多(例如英国学者兰澈斯特设计的立体式差速齿轮装置的指南车采用了八只金属齿轮、施利斯威克设计的立体式双相差速齿轮装置采用了九只木质棒齿轮)，虽然具有指南功能却不符合《宋史》的描述。面对这个难题，西方学者刘易斯认为，“五个齿轮太少，不足以装出差速装置的指南车”；施利斯威克认为，(至少)燕肃的指南车采用的不是差速齿轮装置而是一种复杂的棘轮拉杆装置；中国学者王天幕认为，中国古代的指南车并不是采用了差速齿轮装置，中国古代的文明也不具备发明、制造和使用差速齿轮装置的技术水平。所以，这个难题不解决就大大的降低了指南车在科技史上的地位，也大大降低了中国古代文明的声誉；而这一难题在我发明的张衡指南车中可以找到圆满的答案——本发明的目的，就是要设计一种既符合《宋史》对指南车结构的描述又具备指南功能的指南车。
张衡指南车的机械原理同“平面式顺逆差速机械装置”(参看《平面式顺逆差速机械装置》专利号90207746.5)采用的原理是一样的，但张衡指南车同祖冲之的指南车又明显不同。这是因为(一般认为)张衡指南车有可能是世界上最早采用差速齿轮装置的，因而它应当是极为简单、古朴、实效的。
张衡指南车上的齿轮，全部采用了中国古代的木质棒齿轮(古籍上将这种齿轮的棒齿描述为“犬齿”)。这种棒齿轮主要有三种一是平齿轮，即棒齿与齿轮平面相平行；二是直齿轮，即棒齿与齿轮平面相垂直；三是双面直齿转，即齿转两面都有棒齿的直齿转(还有一种“笼齿轮”，这里未采用)。
张衡指南车的结构如图(张衡指南车的正视图)所示1.大齿轮——平卧安装的直齿轮，位置在指南车车底盘下方正中间。
2.小齿轮——平卧安装的双面直齿轮，它套装在大齿轮上方的轴心上，正反面各有12个齿。
3.星轮——它是一个卫星齿轮，为平齿轮，有12个齿。星轮平卧安装在大齿轮与小齿转之间，作用是衔接这两个齿轮，并将它们运转速度的差取出来，通过星转架传递给大中轴。
4.大中轴——它是大齿轮、小齿轮、星轮架共用的轴，竖立安装在车底盘的下方正中间。
5.左竖齿轮——竖立安装的直齿转，同左车轮同轴，由左车轮带动运转，它在小齿轮的左上方同小齿轮衔接。
6.左车轮——张衡指南车的左轮，轮直径同轨宽相等。
7.右竖齿轮——竖立安装的直齿轮，同右车轮同轴，由右车轮带动运转，位置在大齿轮右上方并同大齿轮衔接。
8.右车轮——指南车的右轮。
9.方盘——指南车的车底盘，其鸟瞰图为平面正方形，上有指南针盘或司南匙铜盘的方位图，因而称方盘。方盘下面安装车轴架与齿轮轴架，方盘中间为大中轴的轴孔。
10.机械架——车轮轴架与齿轮轴架，其安装在方盘的下面。
11.销子——销子的功能是将轮轴锁死，让它们共同运转。
12，司南鱼——指南车的方盘上指方向的指示器，安装在大中轴的上顶端并由大中轴带动运转；指示器也可以是司南匙或司南仙人。
13.星轮架——星轮轴架，由于只有一个星轮，为一字型，其功能是将星轮轴心移动的角度转递给大中轴。
14.调距销子——安装在车轮的转轴上，有两只或一只。调距销子是横插在车轮轮轴上的带斜面的木楔，木楔可紧可松，其作用是固定车轮在车轴上的位置，从而调节轨宽。
该发明装置的各零部件的相互关系与工作方式是这样的左车轮(6)的运转通过左竖齿轮(5)带动小齿轮(2)作顺(或逆)时针运转；右车轮(8)的运转通过右竖齿轮(7)带动大齿轮(1)作逆(或顺)时针运转。当指南车直线前进时，左车轮(6)与右车轮(8)的转速一样，小齿轮(2)与大齿轮(1)的转速也一样，这时，衔接小齿轮(2)与大齿轮(1)的卫星齿轮(3)就会作顺(或逆)时针方向自转而轴心位置不动；当指南车转弯时，由于左车轮(6)与右车轮(8)的转速不一样，小齿轮(2)与大齿轮(1)的转速也就不一样，这时的卫星齿轮(3)在自转的同时，其轴心位置就会向转速快的齿轮的转动方向移动；移动的角度同指南车转弯的方向相反而角度相等。卫星齿轮(3)轴心移动的角度通过星轮架(13)带动大中轴(4)运转，大中轴(4)的上顶端安装的司南鱼(12)就自动完成了定位指南的工作。
从图中可以看出，张衡指南车比之祖式指南车明显不同之处在于张衡指南车的差速齿轮装置安装在两个竖齿轮的下方，并直接同两只竖齿轮衔接，这样就可以省掉两只反相齿轮，其星轮仅用一只，而祖式指南车最少用2只，这样，张衡指南车总共用五个齿轮；这五个齿轮的安装方法是，大齿轮(1)、小齿转(2)与卫星齿转(3)三只齿轮平卧安装，左竖齿轮(5)与右竖齿轮(7)二只齿轮竖立安装。
另外，由于全部齿轮安装在车底盘下方，车体重心低，没有车围栏；车底盘(方盘)上留有空间，既可画图，又可载物。张衡指南车也是单辕双轮式的。
张衡指南车不仅结构简单，仅用五只木质棒齿轮，符合《宋史》的描述，而且运转灵活、指示精确，完美的再现了中国古代指南车的原貌。张衡指南车的发明，维护了指南车在科学技术史上的重要地位，也维护了中国古老灿烂文明的声誉。
权利要求1，本发明就是以中国古代东汉时期著名科学家张衡(公元78-139年)的名字命名的指南车，该指南车是一种装有差速齿转装置和指示器的双轮单辕车，其特征是它有一个大齿轮(1)，平卧安装在指南车的方盘(9)下方正中间位置，大齿轮(1)的中心上平卧安装一只小齿轮(2)，这两个齿轮之间由一个平卧安装的星轮(3)衔接；星轮(3)安装在一字型星轮架(13)上；星轮架(13)、大齿轮(1)与小齿轮(2)共用一个大中轴(4)，大中轴(4)竖立安装在方盘(9)下方的中间；大齿轮(1)在右上方同右竖齿轮(7)衔接，小齿轮(2)在左上方同左竖齿轮(5)衔接；车轮轴上有调距销子(14)；方盘(9)上有司南匙铜盘或指南针盘的方位图。
2，根据权利要求1所述的张衡指南车的特征是它的齿轮全部采用中国古代的木质棒齿轮；大齿轮(1)、左竖齿轮(5)与右竖齿轮(7)是直齿轮，即棒齿与齿轮平面相垂直；小齿轮(2)是双面直齿轮，即正反面都有棒齿的直齿轮；星轮(3)是平齿轮，即棒齿与齿轮平面相平行。
3，根据权利要求1、2所述的张衡指南车的特征是其共有五只齿轮，其中右竖齿轮(7)与左竖齿轮(5)二只齿轮是竖立安装，大齿轮(1)、小齿轮(2)与星轮(3)三只齿轮是平卧安装。
4，根据权利要求1、3所述的张衡指南车的特征是所有的机械装置——包括五只齿轮、星轮架(13)、机械架(10)与大中轴(4)——都安装在方盘(9)的下面。
5，根据权利要求1所述的张衡指南车的特征是车轮的直径与轨宽相等；车轮轴上有调距销子(14)，调距销子(14)是横插在轮轴上的带斜面的木楔。
专利摘要张衡指南车是一种装有特殊的差速齿轮装置和指向器的单辕双轮车。张衡指南车采用了5只木质棒齿轮组装的差速装置，其中三只平卧安装，二只竖立安装。张衡指南车的发明，不仅解决了在研究中国科学技术史方面的一道难题，而且维护了指南车在科学技术史上的重要地位，也进一步维护了中国古老灿烂文明的声誉。
文档编号G01C17/00GK2255607SQ94208459
公开日1997年6月4日 申请日期1994年4月15日 优先权日1994年4月15日
发明者刘海涛 申请人:刘海涛