qq三国奥义感悟满:指南车的原理

这个网址上有图及详细的解释
http://www.itrc.org.tw/Publication/Newsletter/no68/p12.php

指南车的制作与原理

图二、CAD 组合图
图一、实体外观 在上古历史中，相传黄帝就是靠著「指南车」这项发明才得以击败蚩尤，进而缔造了中华古文明发展的基础环境。由於指南车最原始的设计早已失传，现今有许多研究单位都尝试利用机构理论结合现代机械制造技术，包括精密机械研究发展中心及数所大学院校都曾针对此项课题进行研究，因此指南车方能重现於世人面前，亦曾有艺术家以指南车木雕创作获得国家工艺奖。基於介绍创新发明的目的，本文特别针对指南车的运作原理以及制作过程中的应注意事项作一概略性的介绍及解说。

本中心所制造的指南车 (如图一与图二所示) 是利用差速齿轮机构来达成运动时人形保持恒定方位的功能。经由实地验证，可以观察到不论是何种的二维曲线运动，人形指标都保持了良好的方位稳定性。在实际应用方面，相信日后只要在机构上作适当的变更与调整，就能衍生出许多具实用特色的改良型。

本设计之基本结构如图三所示，在分析指南车的运动原理时，将采用一般惯用的右手直角座标系统，即 k = i × j，其中 i、j、k 分别为座标轴 X、Y、Z 的单位向量。对指南车的瞬时运动而言，可视为绕固定点 (即为瞬时中心) 转动，由此深入分析即可很容易地掌握指南车整体的运动原理。以下将针对此种情况 (如图四) 进行分析。其中各几何参数之意义皆如图面所示，下标 R 表示参数与右车轮相关，下标 L 表示参数与左车轮相关。观察图四，若以左车轮中心为准，则指南车绕瞬心旋转的运动可分解为曲线平移运动与指南车绕左车轮中心的旋转运动两部份，如图五所示。

　　指南车原理：车箱内部设置有一套可自动离合的齿轮传动机构。当车子行进中偏离正南方向，向东(左)转弯时，东辕前端向左移动，而后端向右(向西)移动，即将右侧传动齿轮放落，使车轮的转动能带动木人下方的大齿轮向右转动，恰好抵消车辆向左转弯的影响，使木人手臂仍指南方。当车子向西(右)转弯时，则左侧的传动齿轮放落，使大齿轮向左转动，以抵消车子右转的影响。而车子向正前方行进时，车轮与齿轮系是分离的，因此木人手臂所指的方向不受车轮转动的影响。如此，不管车子的运动方向是东西南北，或不断变化，车上木人的手臂总是指向南方，起着指引方向的作用。
　　指南车又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同，它不用磁性。它是利用齿轮传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是，靠人力来带动车辆行走（《宋史》则说原有“驾士”十八人），由车轮的转动来带动齿轮的转动，再由齿轮的转动来带动车上的木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。宋史对科学有一定扭曲，此史料有待考证。

运用齿轮