"黄帝指南车"的机械原理探讨

“黄帝指南车”的机械原理探讨

摘要

对于古代机械的原理探讨，是以现有的史料为基础，利用现代系统化

的方法，在不违背已知科学原理于工艺技术的条件下，重新研究出正确合

理的机械工作原理。本研究的目的，在于系统化的进行指南车的机械原理

探讨。指南车可依其构造和功能分为定轴轮系指南车和差动轮系指南车两

大类。本文透过对近现代所复原的机构进行结构分析，将指南车内部机构

分解为输入装置、传递装置、反馈机构、以及输出装置四个部分，并归纳

出结构特性、设计规格、以及设计需求及限制。最终通过计算运用Solidworks

软件构建实体模型，完成实例设计

关键词：指南车、机械史、复原设计、实例设计。

Mechanical principles of South Pointing Chariots

ABSTRACT

The reconstruction design of ancient machinery is to reconstruct

various designs based on the existing literature and without

violating the known scientific principles and technique skills in

subject time period.

The purpose of this study is to reconstruct South Pointing

Chariots systematically. South Pointing Chariots can be classified

into fixed-axis wheel system and differential gearing system. This

work decomposes South Pointing Chariots into four sub-parts,

including the inputs, the transmission device, the passive feedback

mechanism, and the output. And, this work analyzes the topological

structures of existing designs to conclude the structural

characteristics, design specifications, and design requirements and

constraints. Furthermore, the 3D solid modeling with Solidworks and

prototypes for verifying the design results are developed and

implemented.

Keywords: South Pointing Chariot, history of machinery,

reconstruction design, configuration synthesis, creative design

主要符号表

目录

中文摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（Ⅰ）

英文摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（Ⅱ）

主要符号表„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（Ⅲ）

1 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（1）

1.1 综述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（1）

1.2 课题背景„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（1）

1.3 研究的目的与内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（1）

2 指南车的发展历史„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2）

2.1 古代发展历史„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2）

2.2 近现代历史„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2）

3 指南车的结构分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„（9）

3.1 构造分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（9）

3.2 分析步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（10）

3.3 指南车构造特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（11）

4 实例设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（22）

4.1 运动分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（22）

4.2 尺寸设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（24）

4.3 虚拟与实体模型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（25）

5 结论，建议及展望„„„„„„„„„„„„„„„„„（28）

致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（30）

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（31）

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

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。

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。

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。

图 2-4 Lanchester 型指南车机构

至此 ，指南车的复原研究工作便分为两大类：一是以宋史记载为依据的指

南车 ，另一则是大胆假设古中国时期已懂得利用差速器原 理而制作的指南车。

1994年，陆敬严依据齿轮的不同特性，将指南车机构分成“定轴轮系指南车”

与“差动轮系指南车”。定轴轮系指南车主要以宋史中燕肃与吴德仁研制指南车

的记载，利用车身旋转时齿轮间的自动离合来达到回馈修正以定方向的功能，但

转弯时必须固定其中一个轮子并以车轮与地面之接触点为圆心旋转。这一部份的

研究优点在于：与历史文献相互左证，所复原的机构皆对照古代文献而来，其产

出结果应和古代所研制的指南车比较相似，因此普遍被中国考古与历史学家所接

受。而差动轮系指南车的研究，主要是以指南车的功能来考虑的利用左右两轮在

转弯时所造成的速度差传递至输出轴，造成等同车身但反方向的旋转角度，不但

在操作上较为简易，更有定向准、误差小的优点，差动轮系指南车确实优秀于定

轴轮系指南车。但是，从文献分析的角度来看， 许多指南车制作成功的例子中，

相关文献皆无描述其内部构造，因此也无法断言古中国时期就一定从未出现过同

类的设计，故两者皆有存在的必要与继续研究的价值。

在定轴轮系的后续研究方面，1954年刘仙洲在“中国在传动机件方面的发

明”文中提到，宋史中并未提及燕肃指南车有滑轮控制左右小轮的设计，王振铎

是引用与燕肃指南车相差八十年的吴德仁指南车中的设计，所以刘仙洲比较赞成

1948年Bao Sihe 在“The Study of the South-Pointing Chariot”文中所提

出不需利用绳索的燕肃指南车机构，如图2-5所示。再者，刘仙洲与王振铎的论

点不同，他由西京杂记的记载与汉朝时期齿轮组件在机械方面的应用，认为西汉

时期应已掌握了研制指南车的技术。

图 2-5 Bao Sihe 型燕肃指南车机构

在差动轮系的后续研究方面，卢志明在所发表一篇“中国古代指南车的分

析”之中提到，指南车应当不似定轴轮系指南车般在转弯时必须 以一轮为支点，

而是可以任意半径作旋转，因此提出两种利行星齿轮的差速传动机构的指南车设

计，如图2-6所示，其中第一种设计与 Lanchester 型相去不远 第二种是由第

一种旋转90度而得。1982年，颜志仁针对南北朝时祖冲之制作指南车的记载提

出一种差动轮式的设计，不过其设计类似 Lanchester 型。1983年，颜志仁又

发表另外的两种差动轮系指南车，但作为输出的木仙人并非在固定轴上旋转，而

是在移动的轴上旋转，如图2-7所示。1988年，Bagci 推导出合成差动轮系指

南车所需之数学方程式。1990年日本学者两角宗晴和岸佐年以日文发表指南车

文献的列表整理，并提供新型差动轮系指南车的机构，如图 2-8 所示。1996年，

谢龙昌等学者以行星轮系的合成方法发表了八种差动轮系的指南车，其组成的机

械组件总数目最多增加至 8 个，如图 2-9 所示。在此类指南车机构的研制上，

可见到所发表的机构种类随着组成杆件数的增加而增加，能合成出许多满足指南

车定向的功能的机构，并能够维持一定的精确度。除了齿轮系之外，1999年，

陈英俊设计出一种利用绳索与摩擦轮传动的指南车机构，如图 2-10 所示。 (a) (b) (c)

图 2-6 卢志明型指南车机构图

（a） (b)

图2-7颜志仁型指南车机构图

图 2-8 Muneharu 型指南车机构图

图2-9 Hsieh 型指南车机构图

图 2-10 陈英俊型指南车

除此之外，有别于传统认知的指南车是由一小木人作为输出指南 功能，也

有利用新的思维跳脱既有观念所设计的指南车，如图 2-11所示，此设计并非利

用机构传动，则是在左右两轮标上东西南北的记号，而利用旋转时两轮的角度差

来判别目前所前进之方向，其尺寸限制为轮轴径长度必须等于两轮之间距

图 2-11 李琛型指南车示意图

3 指南车的结构分析

3.1构造分析

在分析指南车结构的构造之前，必须先分析其整体构造。本论文所搜集的现

有设计中，其车身均具备左右两个轮子作为输入件，再经由传动机构，将输入传

递至主要的定向机构主体，并将定向杆件根据车身的旋转角度作反向的回馈后输

出，来达成输出杆的定向功能。 因此，指南车机构可分解成四个部分，分别为：

输入件、传递装置、负回馈机构、以及输出件，如图 3-1 所示。

图 3-1 指南车结构的组成

(1) 输入件

根据古代文献的记载 ，指南车结构都具备左右两轮作为输入元件。 直

行时，两轮提供等角速度的旋转运动，若以大地绝对坐标来看， 以地平面

为X轴与Y轴形成的X-Y平面，水平高度为Z轴，则当指南车直线前进时，由于

两输入转速相同，故车身并不会与大地坐标产生Z轴方向的旋转运动，转弯

时，左右两轮的角速度差则会造成车身相对于大地坐标而产生Z轴方向的旋

转。而指南车的功能， 则是用以抵消车身的运动。

(2) 传递装置

传递装置的主要作用为连接左右两输入件与负回馈机构的主体。大体有三

种形式：一种是负回馈机构的输入杆件直接与左右两轮相练接，如图 2-6(c)

所示；另一种是利用增加不同的机械传动组件，来达成远距离的两轴之间的运

动传递，如图2-8 ；第三种形式如图2-10所示， 利用绳带传递两轴之间的运动。

若是摩擦传动的形式，则传递装置 也有可能以相同方式设计之。

(3) 负回馈机构

自动控制的核心思想就是回馈，通过回馈建立起输入和输出之间的联系，

使控制器可以根据输入与输出的实际情况来决定控制方式，以达到预定的系统

功能。根据回馈在系统中的作用与特点的不同，可以分为正回馈与负回馈两种。

所谓的正回馈，为信息或信号由不断的重复回传信息而达到逐渐放大的效果；

而负回馈则正好相反，主要是通过输入、输出之间的差值作用，使控制器不停

的减小差值，使该系统逐渐趋于平衡状态。负回馈机构为指南车机构最重要的

主体部分，指南车因为两轮的速度差而造成车身旋转，负回馈系统则使输出件

能够反向消除车身的旋转量，使其回到固定指向的目的。

(4) 输出件

输出件为负回馈机构中作为定向输出的杆件。据古文献记载，输出件为一

木仙人，其手指恒永远指向固定不变的方向。

由于指南车的关键部分在于负回馈机构的设计，因此以下便针对此一部分来分

析其构造。

3.2 分析步骤

步骤一 : 分析现有设计，判别其输入杆件、传递装置、负回馈机构，以及

输出杆件。

步骤二 ：将步骤一所得到的负回馈机构的多余杆件与对称杆件去除，以

简化杆件与接头数目。

步骤三 ：根据步骤二所得的结果，依照各杆件与接头的形式，将其结构

简图绘出，并将杆件与接头依序编号。

步骤四 ：根据步骤三所得的结果，参照简图，以了解杆件与接头之间的各

种连接关系。

步骤五 ：根据步骤四所得的结果 ，经由一般化程序 ，把杆件转换成一般

图 3-2 指南车构造分析程序

以Lanchester所提出的指南车构造为例（图2-4）按照上述步骤进行结构分

析

一 ：分析这一设计得知两输入件分别为左轮A与右轮A1，传递装置为B、B1、

以及B2，负回馈机构由C、C1、D 、D1、E、以及F所组成，输出杆为F。

二：根据步骤一的结果，将多余对称杆 D1 去除。

三 ：根据步骤二的结果，绘出相对应之机构简图，并将杆件与接

头编号，如图 4-4(a)所示

四：根据步骤三的结果，将整个机构进行一般化的步骤，把所有的杆件一

般化成一般化杆件，所有的接头一般化成一般化接头，其中固定杆L1齿轮G3一

般化成为三接头杆而齿轮G1、G2 、以及连杆 L2 皆一般化为二接头杆; 所有机

构中的接头则以圆圈表示，最后，可以得到5杆6接头的一般化结构如图 4-4(b)

所示。

图 3-3 Lanchester 型指南车结构简图

3.3 指南车构造特性

分析所有已知指南车结构的构造之后，可以得到其构造结构简图；除此

之外，也能够从中得知机构之杆件数目，并归纳出其构造特性。

图 4-5 为分析现有设计构造的结果。在此，将所有种类的构造以不同

杆件数目来进行分类，可以得到 4 杆 2 组、5 杆 17 组、6 杆 3 组、7 杆

2 组、8 杆 1 组。此外，由图中可以发现，许多设计经由分析之后，其主

要的构造是相同的，经由选用不同的输入与输出件，设计不同的传输齿轮形

式，与整体机构摆放位置的不同、以及设计不同的传递装置等，皆会产生同

的设计结果。

通过构造分析，图 4-5(h)、(o)、以及(q)，皆为五杆六接头的设计，

但经由输入杆件与输出杆件之指定，可得到三种不同的设计。图 4-5(h)之

输入为环型齿轮与行星臂，输出为圆齿轮；图 4-5(o) 之输入为圆齿轮与环

形齿轮，输出为行星臂；图 4-5(q)之输入为行星臂与圆齿轮，输出为环齿

轮。图 4-5(j)与图 4-5(k)、以及图 4-5(p) 与图 4-5(r)的设计亦然。

通过构造分析 ，图 4-5(n)、(o)，皆为五杆六接头的设计， 但在负

回馈机构的配置上则相差了 90度，使得在传递装置方面必须改变设计，且

两输出杆也相差90度。图 4-5(n)的设计必须将输出杆的行星臂由垂直旋转

改为水平旋转图 4-5(e)与图 4-5(g)的设计也采用同样的方法。

通过构造分析，图 4-5(e)、(o)、(r)，也是采用五杆六接头的设计但

在齿轮组件的形式上却有所不同，三者分别使用了正齿轮、 环形齿轮、锥

形齿轮，形成三种不同的设计。

通过构造分析，图 4-5(e)、(i)，皆为五杆六接头之一般化结构，也拥

有相同的负回馈机构设计，但在传递装置上却不相同，图 4-5(i)的设计显

然较图 4-5(e)的设计简单。

（a）

(b)

(c)

(d)

(e)

f）

(g)

h）

（（

(i)

(j)

(k)

(l)

(m)

(n)

(o)

(p)

(q)

(r)

(s)

(t) (u) (v)

(w)

(x)

(y)

这一章将现有的指南车结构分解成四个子系统，并提出一般化分析流

程，将具定向关键的负回馈机构独立出来，进行构造分析，并整理归纳其输

入杆与输出杆的指定方式与传递装置的选用类型。

4 实例设计

4.1 运动分析

根据指南车的运动特性，在自由度为一的定轴轮系设计中，由于直线

前进时，自动离合装置不会与左右两轮相结合，故输出杆件不会产生旋转

运动而能固定指向；但在左右旋转时，则必须固定某一轮使其转速为零，

并以该轮与地面的接触点为圆心，由另一轮的旋转使车身转弯；在转弯时，

自动离合装置启动，将车轮旋转运动传递至输出杆件，产生与车身相等的

角速度旋转但方向相反的运动，使输出杆件保持固定指向。而在自由度为

二的差动轮系设计中，整体机构的输入即为左右两轮的旋转角速度，用以

控制输出件的运动状态。在直线前进时，左右两轮保持相同转速，此时车

身并不旋转，同样地输出件此时角速度也会因为左右两轮的等角速度运动

而相互抵销转速为零，但在左右旋转时，车身会因为左右两轮的速度差而

产生旋转运动，而输出杆件则由内部传动造成输出杆件作与相等的角速度

旋转但方向相反的运动，使输出杆件保持固定指向。

因此，在车轮与车身的运动分析上，定轴轮系指南车便成为差动轮系

指南车的一个特例。而输出杆的运动，则会因内部传动机构设计而不同。

据此，首先须推导出，左右两轮的角速度所造成车身旋转的角速度之间的

数学关系。假设左右两轮的角速度分别为 ωL 与 ωR ，车身旋转的角速

度为 ω ，车轮的半径为 R ，两车轮中心距为 L ， 则依照图 4-1 所示，

车在向右转弯时，左右两轮以点 O 为圆心作顺时针旋转运动， r1 与 r2

分别表示左右两轮与圆心 O 的距离(旋转半径)， S1 与 S 2 则表示左右

两轮所行走的距离，则所有参数之间的数学关系推导如下：

（4.1）

(4.2)

根据两轮行进距离可得

(4.3)

因此，根据式(7.1)、(7.2)、及(7.3)可得

(4.4)

(4.5)

图 4-1 车身旋转示意图

通过前面的介绍，选用如下的结构作为运动分析与尺寸设计的对象，

并为后续进行计算机实体模型与原型机的制作。

图 4-2 新型指南车机构简图

图 4-2 所示为其机构简图与各组件之标号。此机构共有7个齿轮 ( K

G1 、 K G 2 、 K G 3 、 K G 4 、 K G 5 、 K G 6 、 KG 7 )、1根连

杆( K L1 )、以及 1 个 机架( K F )。其中， K G 4 与 K L 为两输入

件， K G 7 为输出件，传递装置部分则采用直接连结。 ω1 、 ω2 、 ω

3 、 ω4 、 ω5 、 ω6 、 ω7 、 ωL1 分别表示各机件的角速度， N1 、

N 2 、 N3 、 N 4 、 N5 、 N 6 、 N 7 表示各齿轮的齿数，则有如下

关系

(4.6)

(4.7)

(4.8)

由于 ω5 = ω3 ， ω4 = ωL1 ， N 4ω4 = N1ω1 ， N3ω

3 = N 2ω2 ， ω2 = ωL， ω1 = ωR ，因此可得到

(4.9)

4.2 尺寸设计

在前面推导出当指南车车身旋转时的角速度ω与左右两轮角速度ωL

与 ωR 的关系式，并挑选图5-2的新型指南车机构来进行运动分析。但是

若要达成定向的功能，则必须要满足齿数与几何尺寸上的限制条件。

根据(4.5)式与(4.9)式所示，车要达成指南车的定向功能，则必须满

足 ω7 = −ω ，因此可得：

(4.10)

(4.11)

(4.12)

其中， L 表示左右两轮的间距(车宽)， R 表示车轮半径。

在车轮半径与车宽的比例上，采用左右轮的直径与车身宽度相等，即

L = 2R ，并假设 N 2 : N 3 = 1 : 1。由(7.11)式可得 N 5 : N 7 =

1 : 2，代入左轮的回路中，可得 N1 : N 4 = 1 : 3 。

若行星齿轮系选用模数为1.5的齿出，则可得到一组满足指南车动作

的尺寸条件，如表 4-1 所示。在进行尺寸设计时，必须考虑齿轮组在轮

轴间距( L )中的空间配置，且因有的构形需配合齿轮的旋转方 向，故必

须注意齿轮在轮径 R 所形成的空间中的配置

表 4-1 新型指南车机构尺寸参数表

齿轮 齿数 模数

3.5 半径 mm 52.5 157.5

60

60

60

30

120 K G 1 15 3.5 K G 4 45 K G 2 30 2.0 K G 3 30 2.0 K G 5 40 1.5 K G 6 20 1.5 K G 7 80 1.5

车身宽 数值 mm

L 200

R 200

经由运动分析与 4-2 节的尺寸设计，在前面所系统化合成出的指南

车概年设计之构形皆可依照本章方法设计出适当的尺寸以及进行下一步

计算机实体模型与原型机的建构。

指南车的尺寸设计方面是具有灵活性的，若有时因为减

速比过大而求得的齿数无法满足空间配置时，适当的调

整车身宽度与车轮半径的比值( L : R )，往往可以进一

步得到合理的答案。

4.3虚拟与实体模型

由于计算机科技和工程应用软件的不断进步，于计算机辅助设计与工

程之整合软件(CAD/CAE)的环境下以实体模型(Solid Model)进行设计，可

增加设计的便利性。目前，CAD/CAE之工程应用软件很多，如

Pro/ENGINEER、SolidWorks、Working Model、CATIA、„等，

这里选用于SolidWorks的环境下进行指南车实体模型的构建。

SolidWorks是一个架构在窗口操作系统下的3D实体绘图设计工 具，

让使用者拥有直觉式的设计空间，其特色为：

1. 标准的 Windows 使用接口，可用 Microsoft Office 兼容。

2. 拥有高速与高效率的几何模型运算核心(ParaSolid)。

3. 开放式的 3D CAD 设计环境，可外挂的应用程序包括：(1)

PhotoWorks 影像处理模块；(2) Toolsbox/SE, SolidMech 标准零件 库；

(3) IPA(Interavtive PerAssembly)动态组装系统；(4) Walking Model 运

动仿真系统；(5) Design Works 运动分析；(6) COSMOS/Works 及

DesignSpace 应力应变分析；(7) CAMWorks, MasterCAM 与 SurfCAM 计

算机辅助制造；(8) X-Manager 档案管理系统；(9) REVWORKs 逆向工程；

(10) Algor.有限元素分析；(11) SmarTeam-Works 产品资料管理(PDM)等。

4. 特征管理的设计：SolidWorks 以最自然之思考 方式从事设计工

作，并依照机械组件实际的外型成型过程依序建 立特征，用以仿真成型

过程。例如：机材的伸长填料、除了、钻 孔、圆角、等，均视为零件设

计的基本特征，除了可以充分掌握设计概年，还可以在设计过程中导入实

际的制造观年；也因为是以特征作为设计的基本单元(Primitives)，因此

可随时对特征做合理且不违反几何顺序的调整动作(Reorder)、插入动作

(Insert)、删除动作(Delete)、重新定义动作(Redefine)等修正方式。

5. 参数设计：设计者只需更改3D零件(Part)的尺寸，则2D的工程图

(Drawing)、3D 组立件(Assembly)、模具(Mold) 等立即依照尺寸的变更

做几何形状的变化，据此达到设计变更工

作的一致性，避免发生人为改图的疏漏情形，且减少许多人为改 图

的工作时间与人力消耗。也由于有参数式的设计，使用者可以 运用强大

的数学运算方式。建立各尺寸参数间的关系式 (Relation)，使得模型可

自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修 改的繁琐费时，并减少错误发

生。

6. 支持对象连结与嵌入 OLE(Object Linking and Embedded)：OLE 拖

放嵌入的能力，提供灵活的外部资源，可以抓取外部的文字与资料，如Word

与Excel等，本研究中所绘制的渐开线齿型即利用OLE功能，抓取点资料所

绘出。

7. 高度的档案兼容性：SolidWorks 支持主要的 CAD 环境。例如：

IGES、Parasolid、STL、STEP、TIFF、CDAFS、以及 VRML 等 格式。 计

算机实体模型与原型机的建构与一般机械设计的差别在于，后者

可在宽广的范围内追求先进性、新颖性、以及突破性，但前者则必须

考虑古代的知识范围、工艺技术、以及施工方式。图 7-4 所示为依照 本

章 7-1 与 7-2 节所得到的结果，将图 6-11(a-6)的新型指南车合成结

果，在 SolidWorks 软件中经由零件建构、特征建立、零件组成、并定义

限制条件，所得到的计算机实体模型。

图 4-3 所示，为依照计算机软件的实体模型所制造的原型机。为求演饰、作动、以及精度上的方便，故使用金属材质与具渐开线齿形的齿轮；在实际操作过后，本原型机完全符合指南车的定向功能。

第五章

5-1 结论与建议

结论、建议、及展望

本论文对于指南车的机械原理探讨，是以现有的史料为基础，在不 违背当代已了解的科学原理与工艺技术的条件下，利用系统化的方法，得到了最终的结果。

具体的结论与建议如下：

1. 由所收集的文献中得知，保守的推测，最早制作指南车成功者为 三国的马钧，而后历经魏孟、解飞、令狐生、郭善明、马岳、祖 冲之、索驭驎、杨务廉、金公立、燕肃、吴德仁等，或成功或失败，成功的记载有七次，至元代以后，便宣告失传。

2. 由于指南车在改朝换代之际，常因丢失而后重新制作，所以指南车不像其它古代机械，会经由不断的修改而彼此间有所联系，即古代文献中所描述制作指南车成功的例子，彼此间各有独立性。因此，历代研制成功的指南车内部传动机构，都有可能存在于所合成的指南车构形结果之中。

3. 通过对指南车的结构分析，可知：经由设计者在不同的输入与输出杆的选定与传递装置的设计搭配，杆件形状与类型的不同，相同的构造是可以得到多种不同的设计结果。

4. 实例设计部分，以所制定的设计规格为起点，经由可行的一般化草图、以及具指定特征的可行的特殊化草图，最后得到所有可行设计。 5. 为了确认指南车构形的可行性，选用一款新型指南车机构，进行运动分析与尺寸设计，并依设计参数以3D建模软件 SolidWorks 进 行计算机实体模型绘制，并进行原型机的制作。

5-2 展望

机械史为科技史的一环，不仅包括古代机械史，更包含近现代机械史。古中国的机械史，虽然经由王振铎，刘仙洲，陆敬严等人的努力， 但是其中尚有许多可供深入研究的主题。而关于古机械的机械原理探讨， 还有很多未知的问题，需要我们去学习和研究。近现代的中国科技史，代表的是古代中国科技与现代西方科技接轨的重要课程，目前的研究工作尚落后于欧美各国，尤其是在机械史的部分。

只要是曾经发生过的事，就成为了历史，代表着时间的累积与发 生的所有历程。 科学技术的研究和发展对未来制订国家发展政策有着十分重要的意义，对过去也可了解国家科技发展对经济的兴衰的因果。在我们

国家，这一领域还不是很发达，建议应成立国家研究单位进行相关的研究，在大学院校尤其以自然科学，应用工程学系为主的大学也应成立科学技术史的相关专业，结合各种资源，共同进行科技史的研究，以达温故知新、鉴古证今、旧为今用之目的。

致谢

承蒙指导老师李春生老师殷切的指导与教诲，在研究过程当中每每在困滞中给予方向上的指引，并于本文写时多次逐字斧正，使得本文得以顺利完成，几个月来老师对学术的研究精神和为人处事的方式，使我受益匪浅，。

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