指南车任务书

1 目录 1 绪论................................................................................................ 2 1.1综述 ........................................................................................ 2 1.2 课题背景 ............................................................................... 2 1.3 研究的目的与内容 ............................................................... 2 2 指南车的发展历史........................................................................ 3 2．1 古代发展历史 .................................................................... 3 2.2 近现代发展历史 ................................................................... 3 3 指南车的结构分析........................................................................ 8 3.1构造分析 ................................................................................ 8 3.2 分析步骤 ............................................................................... 9 3.3 指南车构造特性 ................................................................. 11 4 实例设计...................................................................................... 13 4.1 运动分析 ............................................................................. 13 4.2指南车原理证明 .................................................................. 14 4.3尺寸设计 .............................................................................. 17 第五章 结论、建议、及展望 ........................................................ 17 5-1 结论与建议....................................................................... 17 5-2 展望................................................................................... 18 参考文献.......................................................................................... 19 2

1 绪论 1.1综述 人类的进步，是由于科技日新月异不停地发展，而时间的前进，便是促进这个过程发生的重要变数。科技史的研究主要在回顾历史的轨迹，审视与探讨相关科学与技术学门的发展。有关中国科技史的研究迄今已有百年的历史，并逐渐形成一个学门，具有一些以科技史为 专业的教育或研究机构。古中国的科技，在公元三世纪至十三世纪期间，曾大幅领先于世界各国；再者，古中国科学的发明与发现，往往超越同时期的欧洲，尤其是十五世纪以前更是如此。 虽然古中国机械史属古中国科技史的一环 ，但是近代以来国内外却甚 少有相关的论文与专书发表。 本论文针对古代黄帝指南车的机械原理做一个概括性介绍，接着进行实例分析，最后说明本研究的目的与内容。

1.2 课题背景 指南车在古中国的机械发展史上是相当重要的一项发明。指南车并不一定指向南方，其功能为无论车身如何旋转，输出杆件上的木仙人必会指向固定预设的方向，故按照其功能应称为定向车。 指南车与指南针不同。指南车并非利用磁石具有固定指向地磁南北而达到指向的功用。而是在内部使用机械的传动方式将左右两车论的旋转输入运动传递至输出杆件。因此，无论指南车在直线前进或转 弯时，内部传动机构都能够自动判定车身的旋转方向与角度，而将输 出杆反方向反馈相同角度，以达到定向的功能。

1.3 研究的目的与内容

对于古代黄帝指南车的机械原理探讨和研究的目的如下： 1. 收集所有关于指南车记载的历史文献，重现指南车在古中国时期 的发展历程。再者，针对近代学者对于指南车从怀疑到相信、由 误解到澄清，并投入指南车机构的复原研究，整理关于指南车的相关资料。 2. 将指南车机构分为几个子系统，分析现有机构构造，归纳现有机构的构造特性，并提出设计指南车机构所需的设计需求与限制。并设计出实例 3

2 指南车的发展历史 在古中国的机械发展史上，指南车是相当重要的一项发明。指南车与指南针不同，其功能并非固定指向南方，而是在转弯行走时，能将两车轮的旋转运动，经由内部传动机构，以达到输出件指向固定方向之目的。因此，就功能而言，指南车应当称为定向车。本章整理与介绍指南车的历史文献与近现代的研究成果。

2．1 古代发展历史 在古中国的历史文献资料中，最早记载指南车的为黄帝，其相关记载如下：指南车起于黄帝 ，与蚩尤战于逐鹿之野，蚩尤作大雾，兵士皆迷，于是作指南车以示四方，遂擒蚩尤。 在黄帝时代应尚未有车之发明，且无复杂的机械制作技术，所以黄帝所造的指南车只能当做是神话故事，有关指南车制作成功的古籍记载之中，较为客观也较为人所接受的，便是三国时代的马钧。晋代以后，史书中记载指南车经过多次研制成功，其间由于战乱、改朝换代，使得指南车或遗失、或损坏，史料的的记载也都无法了解其内部传动机构以及工作原理。指南车后来用于皇帝出巡时的仪仗车队，需要许多的驾士驾驶，由十二人，增加至十八人，后增至三十人。而晋书则首次将指南车置于卤簿，宋史对于燕肃与吴德仁所研制成功的指南车之细部组成组件、尺 寸、以及作动方式，有相当程度的描述。 指南车自元代之后告便失传。近代很多的中国学者开始注意到指南车与指南针，且认为者两是相同的发明。

2.2 近现代发展历史 十八世纪时，西方耶稣会传教士到中国传教，并开始研究中国学 问。耶稣传教士初期受了部分中国学者的观点，也犯了相同的毛病。如Gaubil和Du Halde 皆认为黄帝与周公所造得指南车，便是后世的指南针。究其两者混淆的原因 ，应是“指南车”与“指南针”在中文都有“指南”两字的缘故， 而在当时推测操纵指南车的机关，只能用磁铁。Klaproth 就把指南车译为“Char Magnetique (磁车)”，以为指南车木人手常南指，是由于藏在其上部体内磁针的控制。 4

其后，便有人开始注意到指南车与指南针是完全不同的原理与构 造，指南车内部是以机械来传动，但是否真能达成，却仍持保留态度。 Hirth于1908年指出：以若干论做成的机械，无论如何转动，而能永久指同一方向，是否真有可能？ 1924年，Moule 在通报发表一篇名为“China’s South-pointing chariot”的文章，该文后来由张荫麟译为中文发表于清华学报，并更名为“宋燕肃 吴德仁指南车造法考”。文中指出，Giles 在对于宋史的译文中，遗漏一句话且误解了一个字，因此未能模制成功。Moule 改正其错误处，将宋史中 有关吴德仁指南车的部分记载也译成英文，并绘制燕肃指南车机构草图，如图 2-1 所示。

图2-1 Moule 型指南车内部构造图 然而，对于燕肃指南车之左右小轮与中央大轮与左右轮如何适当地离合，Moule 并未详加说明。1937年，王振铎针对此一问题重新研究，改良 Moule 的设计，并成功的制作出指南车模型，如图 2-2 所示。在 Moule 的设计中，车辕在大轮之上；王振铎则将车辕置于大轮之下，而车辕与大轮间增设持辕之平几二， 上可以承托大轮之平衡，下可以支持车辕之作动。除此之外，王振铎也针对指南车的历史文献出处详加 收集与考证，并推断最早成功研制指南车，应为三国时代的马钧，其复原模型如图 2-3所示。 5

图 2-2 王振铎型燕肃指南车复原设计图 图 2-3 王振铎型燕肃指南车模型 1947年，指南车的研究有了新的推论。英国学者 George Lanchester 在该年于伦敦中国学会中发表一篇名 为”The Yellow Emperor’s South-Pointing Chariot”的演讲中，指出 Moule 的指南车机构在操作上很难实现且误差颇大，指南车内部若使用了类似汽车差速器的设计，才能达到精准定向的目的，并当场演示其制作的模型，如图 2-4 所示。事实上，将差速器机构应用于指南车的观念，早在1924年就已由英国学者 K. T. Dykes 在读完 Moule 的文章后便提出概念。然而，知道现在也没有证据显示，古代中国时期有差速器的发明与应用于指南车的记载。