燕肃五行指南车 【技术领域】
燕肃五行指南车是一种由五只木质齿轮、120个轮齿、两只滑轮、两支弦索和一只横杠、一只辘轳组装的，具有定位指南功能的指南车。该项技术发明是用来研究、复制《宋史·舆服志》记载的燕肃指南车。
背景技术
指南车是中国古代最伟大的发明之一，是一种比指南针更古老的定位指南的工具。但是，在历史上的指南车又是一种失传了的科技发明。为什么呢？因为史书上虽然有许多关于指南车的发明朝代、发明人的记载，也有一些关于其外观特点与功能的描述，但都没有机械结构与工作原理的说明，更没有留下图纸或实物，所以历史上的指南车到底是什么样？一直是个谜。在众多的只言片语的文字记述中，惟有《宋史·舆服志》对北宋朝代的燕肃指南车的机械结构有一段相对较为具体、确切的文字论述。由于《宋史》是史官所著而非科技人员撰写，所以这段文字论述极为晦涩难懂。经过许多学者的长期研究、解读，得到公认的是：燕肃指南车是由五只木质齿轮、共有120个轮齿、两只滑轮、两支弦索和一只横杠、一只辘轳组装的双轮独辕车。最早采用这种结构复原指南车的人是英国学者穆乐，他在1924年的《通报》上发表了有关论文，并附有机械图。在中国，第一个采用这种结构的人是历史学家王天幕，1959年由他设计的燕肃指南车被制成实物模型，收藏在中国历史博物馆。但是，穆乐与王天幕设计的车型都不具备定位指南的功能。最早设计成功具备定位指南功能的指南车的人，是英国学者兰澈斯特，他在1947年用“立体式差速齿轮装置”设计、制造出具有定位指南功能的指南车，得到科学界的高度评价。英国著名的汉学家李约瑟称其为“世界上最早的自动控制装置”；日本著名的汉学家薮内清称其为“中国古代独一无二的伟大发明”。在中国，一位名叫刘海涛的工程师于1963年用“平面式差速齿轮装置”设计、制造出具有定位指南功能的指南车。但是，兰澈斯特的指南车使用了10只齿轮，刘海涛的指南车使用了8只齿轮，同时，他们的指南车上都没有使用滑轮、弦索和横杠、辘轳，所以都与《宋史·舆服志》对燕肃指南车的论述不附。综上所述，设计、复原燕肃指南车的技术关键就是：设计一种由五只木质齿轮、120个轮齿、两只滑轮、两只弦索和一只横杠、一只辘轳组装的，具有定位指南功能的指南车。
【发明内容】
燕肃五行指南车就是一种由五只木质齿轮、120个轮齿、两只弦索、两只滑轮和一只横杠、一只辘轳组装的，具有定位指南功能的指南车。如果仅从文字论述的字面上看，燕肃五行指南车(以下简称后者)比之王天幕的燕肃指南车(以下简称前者)两者的机械结构、组装的各个零部件，几乎是完全一样的；如果从附图和附图说明上看，两者的机械原理、各个零部件的细节、组装方法以及具体的实施方式，则是完全不同的。具体的说，两者的不同之处主要有4项：
一、前者用的五只齿轮都是普通齿轮，后者用的五只齿轮有四只是普通齿轮，其中一只是行星齿轮；
二、前者地五只木质齿轮只有一种类型，后者用的五只木质齿轮是中国古代特有的木质棒齿轮，并且有四种类型；
三、前者与后者的五只齿轮、两只弦索、两只滑轮和一只横杠、一只辘轳的组装方法和操作方法截然不同；
四、由于上述的不同，与之匹配的车厢、机械架、车轴和车辕等也不同。
为了清楚、明了的表明前者与后者的异同，下面用两者的对比法进行论述。
【附图说明】
首先参看图1(前者的鸟瞰图)、图2(前者的主视图)：
(1)大中心齿轮----它是前者的最大的齿轮，有48个轮齿，平卧安装在车厢的中间稍前。它的轴心竖立安装着大中轴，并由它带动大中轴运转。
(2)左小平齿轮----它位于大中心齿轮的左方稍后，有12个轮齿。它平卧安装在左竖轴上，可以在左竖轴上自由的上下移动。
(3)右小平齿轮----它位于大中心齿轮的右方稍后，有12个轮齿。它平卧安装在右竖轴上，可以在右竖轴上自由的上下移动。
(4)左竖齿轮----它竖立安装在左车轮的轮毂上，有24个轮齿，由左车轮带动运转。
(5)右竖齿轮----它竖立安装在右车轮的轮毂上，有24个轮齿，由右车轮带动运转。
(6)左车轮----前者的左轮，轮直径与轨宽相等。
(7)右车轮----前者的右轮，轮直径与轨宽相等。
(8)大中轴----竖立安装在前者车厢的中间稍前，它是大中心齿轮和车辕共用的轴。
(9)车辕----前者的车辕。它安装在车厢下方中间的大中轴的下端，并以大中轴为轴，可以左右旋转一定的角度，其功能相当一只辘轳的把柄。
(10)横杠----它的中间横向安装在车辕的后端上，横杠的左端系拴着左弦索，右端系拴着右弦索。
(11)左滑轮----它安装在车厢的左上方，其功能是为左弦索导向。
(12)右滑轮----它安装在车厢的右上方，其功能是为右弦索导向。
(13)左弦索----它的一头系拴在横杠的左端，通过左滑轮的导向，另一头系拴在左小平齿轮上。
(14)右弦索----它的一头系拴在横杠的右端，通过右滑轮的导向，另一头系拴在右小平齿轮上。
(15)司南仙人----前者的指向器，安装在大中轴的顶端上，由大中轴带动运转。
(16)左竖轴----它是左小平齿轮的轴，竖立安装在车厢的左方稍后，左小平齿轮可以在该轴上做上下移动。
(17)右竖轴----它是右小平齿轮的轴，竖立安装在车厢的右方稍后，右小平齿轮可以在该轴上做上下移动。
(18)车轴----前者的车轴，与普通双轮马车一样，只有一副。
(19)车厢----前者的车厢，也是各部机械零件的机械架。
(20)天柱盘----司南仙人站立的底坐，安装在大中轴的顶端上，由大中轴带动运转。
前者的各个机械部件的运转方式和相互关系如下：
车辕(9)以大中轴(8)为轴的左右旋转中，车辕(9)的前端有三种同定的位置：左转一定的角度、右转一定的角度和中间位置。当车辕(9)的前端左转一定的角度时，车辕(9)后端的横杠(10)就会右转一定的角度，系拴在横杠(10)左端的左弦索(13)拉紧，并通过左滑轮(11)导向牵引左小平齿轮(2)上升；系拴在横杠(10)右端的右弦索(14)放松，并通过右滑轮(12)导向放松牵引，右小平齿轮(3)下降，右小平齿轮(3)就会跟大中心齿轮(1)和右竖齿轮(5)同时咬合。这时，右车轮(7)的运转就可以通过右竖齿轮(5)、右小平齿轮(3)带动大中心齿轮(1)运转，大中心齿轮(1)的运转带动大中轴(8)、天柱盘(20)运转，最终使司南仙人(15)运转。当车辕(9)的前端右转一定的角度时，右小平齿轮(3)上升，脱离跟右竖齿轮(5)和大中心齿轮(1)的咬合，而左小平齿轮(2)则下降，并且跟左竖齿轮(4)和大中心齿轮(1)同时咬合，这时左车轮(6)的运转就可以通过左竖齿轮(4)、左小平齿轮(2)、大中心齿轮(1)、大中轴(8)，带动司南仙人(15)运转。当车辕(9)的前端固定在中间位置时，车辕(9)后端的横杠(10)也处于中间位置，这时的左小平齿轮(2)和右小平齿轮(3)都处在半高的状态，不跟任何齿轮咬合，司南仙人(15)则相对前者的车厢来说静止不动。
接下来参看图3(后者的鸟瞰图)、图4(后者的主视图)：
(1)大中心齿轮----它是后者最大的齿轮，是一只木质棒齿轮，有36个棒齿，属长棒型直齿轮，它平卧安装在车厢的正中间。长棒型直齿轮的棒齿的上端跟左竖齿轮咬合，下端跟行星齿轮咬合。
(2)小中心齿轮----它是一只木质棒齿轮，属双面型直齿轮，它的上下两面各有12个棒齿，平卧安装在大中心齿轮的中间。它上面的棒齿跟右竖齿轮咬合，下面的棒齿跟行星齿轮咬合。
(3)行星齿轮----它属木质棒齿轮的平齿轮，有12个棒齿。它是一只行星齿轮，有两个轴：一个自转轴和一个公转轴。它同时跟大中心齿轮和小中心齿轮咬合，并由它们共同带动运转。
(4)左竖齿轮----它是一只木质棒齿轮的直齿轮，有24个棒齿，它竖立安装在大中心齿轮的左上方，并跟大中心齿轮咬合。左竖齿轮与左车轮共用一副短车轴，并由左车轮带动运转。
(5)右竖齿轮----它的大小、类型与左竖齿轮完全一样，有24个棒齿，它竖立安装在小中心齿轮的右上方，并跟小中心齿轮咬合。右竖齿轮与右车轮共用一副长车轴，并由右车轮带动运转。
(6)左车轮----后者的左轮，轮直径与轨宽相等。
(7)右车轮----后者的右轮，轮直径与轨宽相等。
(8)大中轴----它竖立安装在后者车厢的中间。大中轴是大中心齿轮、小中心齿轮和横杠共用的轴，还是行星齿轮的公转轴，并由行星齿轮的公转带动运转。
(9)车辕----后者的车辕。它与普通的车辕一样，固定在车厢上。
(10)横杠----它的中间有轴孔，安装在大中心齿轮的下方的大中轴上。横杠的左右两端各系拴着左弦索和右弦索，在两支弦索的牵引下，可以上下移动。
(11)左滑轮----它安装在车厢的左方、横杠左端的上方，其功能是给左弦索导向。
(12)右滑轮----它安装在车厢的右方、横杠右端的上方，其功能是给右弦索导向。
(13)左弦索----它的一头系拴在横杠的左端上，经左滑轮导向后，另一头系拴在辘轳上。
(14)右弦索----它的一头系拴在横杠的右端上，经右滑轮导向后，另一头系拴在辘轳上。
(15)司南仙人----后者的指向器，安装在大中轴的顶端上的天柱盘上，由大中轴带动运转。
(16)辘轳----其安装在车辕的前端。辘轳在转动时有两种固定的位置：顺时针转动一定的角度和逆时针转动一定的角度。将辘轳顺时针转动一定的角度时，可以将左弦索与右弦索一同拉紧，经左滑轮和右滑轮导向后牵引横杠提升，从而将大中心齿轮、行星齿轮和大中轴、小中心齿轮一同提升，最终使大中心齿轮跟左竖齿轮咬合、使小中心齿轮跟右竖齿轮咬合。将辘轳逆时针转动一定的角度时，左弦索与右弦索放松牵引，横杠下降，大中心齿轮跟左竖齿轮脱离咬合、小中心齿轮跟右竖齿轮脱离咬合。
(17)行星齿轮轴架----其一端安装有行星齿轮的自转轴，另一端安装在大中轴上。其功能是将行星齿轮的公转带动大中轴运转。
(18)短车轴----后者有两副车轴，一副长车轴、一副短车轴。短车轴是左车轮和左竖齿轮共用的轴，其功能是使左车轮与左竖齿轮共同运转。
(19)长车轴----后者的长车轴，它是右车轮和右竖齿轮共用的轴，其功能是使右车轮与右竖齿轮共同运转。
(20)车厢----后者的车厢，也是各部机械零件的机械架。
(21)天柱盘----司南仙人站立的底坐，随着大中轴的提升、下降而上下移动。将辘轳顺时针转动一定的角度、大中轴提升时，天柱盘由大中轴带动运转，司南仙人也随之运转；将辘轳逆时针转动一定的角度、大中轴下降时，天柱盘坐落在车厢顶上静止不动，司南仙人也静止不动。
后者的各个机械部件的工作原理和相互关系如下：
当辘轳逆时针转动一定的角度时，车上的五只齿轮并不工作。当辘轳顺时针转动一定的角度时，车上的五只齿轮才开始工作；这时，后者直线前进时，左车轮(6)的运转通过左竖齿轮(4)跟大中心齿轮(1)的咬合，使大中心齿轮(1)做逆时针运转；右车轮(7)的运转通过右竖齿轮(5)跟小中心齿轮(2)的咬合，使小中心齿轮(2)做顺时针运转；这时的行星齿轮(3)做逆时针自转而没有公转，司南仙人(15)静止不动。当后者转弯行驶时，例如左转弯时，由于右车轮(7)比左车轮(6)的转速快，小中心齿轮(2)就比大中心齿轮(1)的转速快，这时的行星齿轮(3)做顺时针自转的同时，其轴心还要做顺时针的公转，其公转带动大中轴(8)、天柱盘(21)运转，最终使司南仙人(15)也做顺时针运转；当后者右转弯行驶时，由于左车轮(6)的运转比右车轮(7)快，行星齿轮(3)的轴心就做逆时针公转，司南仙人(15)也做逆时针运转。由于后者的转弯角度与司南仙人(15)的运转角度相等而方向相反，所以无论后者如何行驶、转弯，司南仙人(15)的指向相对大地总是不变的；这就是燕肃五行指南车定位指南的原理。
【具体实施方式】
首先论述前者的实施方式，参看图1(前者的鸟瞰图)、图2(前者的主视图)：
前者直线前进时，先要搬动车辕(9)使其前端处于中间位置，这时左小平齿轮(2)和右小平齿轮(3)都处于半高状态，不跟任何其它齿轮咬合，大中心齿轮(1)不旋转，司南仙人(15)静止不动，这时只要保证前者的行驶是绝对直线，司南仙人(15)的指向就不变。当前者左转弯时，先要搬动车辕(9)使其前端左转一定的角度，左小平齿轮(2)上升、右小平齿轮(3)下降，下降的右小平齿轮(3)同时跟右竖齿轮(5)、大中心齿轮(1)咬合；这时前者才可以左转弯。左转弯时，左车轮(6)不动，右车轮(7)必须以左车轮(6)为圆心、沿着以轨宽为半径的弧线画圆运转，此时右车轮(7)的运转通过右竖齿轮(5)、右小平齿轮(3)、大中心齿轮(1)和大中轴(8)，带动司南仙人(15)顺时针运转；由于司南仙人(15)运转的角度与前者左转弯的角度相等而方向相反，所以司南仙人(15)的指向不变。同样道理，当前者右转弯时，先要搬动车辕(9)使其前端右转一定的角度，这时左小平齿轮(2)下降，同时跟左竖齿轮(4)和大中心齿轮(1)咬合；前者才可以右转弯。右转弯时，右车轮(7)不动，左车轮(6)必须以右车轮(7)为圆心、沿着以轨宽为半径的弧线画圆运转，这时的司南仙人(15)则逆时针运转，其指向不变；当前者右转到需要的角度时，再搬动车辕(9)使其前端回到中间位置，前者再继续直线前进，司南仙人(8)的指向仍然不变。
根据上述，可以看到前者的操作过程和行驶方式都过于复杂、苛求，具体实施起来是十分困难的。
接下来论述后者的实施方式，参看图3(后者的鸟瞰图)、图4(后者的主视图)：
历史上的指南车有两种用途。一是作为皇帝出巡的车队的仪仗车，指南车行驶在仪仗队伍的最前方，引导着队伍前进；二是在皇帝的后花园或是在朝廷的演兵场上为皇帝以及达官显贵们作定位指南的演示。由于有两种用途，所以就有两种的实施方式。
实施第一种方式时，后者(指南车)是皇帝仪仗车队的引路车，其前进的方向，就是整个仪仗队伍前进的方向；司南仙人(15)手指的方向，就是车辕(9)的方向。所以，出发之前，首先将辘轳(16)逆时针转动一定的角度，使横杠(10)下降，同时大中心齿轮(1)跟左竖齿轮(3)的咬合脱离、小中心齿轮(2)跟右竖齿轮(4)的咬合脱离，然后调整司南仙人(15)，使其手指的方向与车辕(9)的方向一致，这时候，后者在行驶中，它的五只齿轮并不工作；司南仙人手指的方向，永远是车队前进的方向。这样做有两大好处：一是在长途跋涉中，避免了齿轮的不必要的磨损；二是避免车队在曲折的道路行驶时，司南仙人(15)的手掌没有指向前方，而是指向后方皇帝的銮驾，这虽然是暂时的，也是对皇帝的不尊。
实施第二种方式时，作演示之前，首先将辘轳(16)顺时针转动一定的角度，让横杠(10)上升，同时大中心齿轮(1)和小中心齿轮(2)也上升，这时要稍微转动大中心齿轮(1)和小中心齿轮(2)，使它们能十分精确的跟左竖齿轮(3)和右竖齿轮(4)咬合。然后将司南仙人(15)的指向调整到预定的方向，最好是南方。这时候，再让指南车前进、后退、转弯，无论怎样行驶，司南仙人(15)的手掌都指向南方不变，从而在皇帝以及达官贵人面前，完美的演示了燕肃五行指南车在定位指南方面的精巧和神奇。