趙海賢，李 莉，劉春哲，劉艷軍

（承德石油高等?？茖W(xué)校，河北承德067000）

指南車是中國(guó)古代交通領(lǐng)域里一項(xiàng)偉大發(fā)明，其在齒輪傳動(dòng)方面取得的杰出成就，被認(rèn)為是現(xiàn)代控制機(jī)械的鼻祖。多年來(lái)，人們?cè)趯?duì)指南車的研究中獲得不少成果，這些研究大多是在純機(jī)械領(lǐng)域中機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新，產(chǎn)生了很多不同功能的新的機(jī)構(gòu)，促進(jìn)了機(jī)械研究的發(fā)展。上述這些研究，主要是根據(jù)史書(shū)記載，對(duì)指南車進(jìn)行的復(fù)原，利用的都是齒輪差動(dòng)裝置，屬于純機(jī)械的設(shè)計(jì)，由于這些設(shè)計(jì)齒輪數(shù)目很多，一般都在10個(gè)以上，對(duì)齒輪精度要求很高，如果制造誤差大的話，傳動(dòng)精度受到影響，指南車的指向功能也隨之受影響。

1 指南車及其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介[1]

古代指南車結(jié)構(gòu)的一種原理圖如圖1所示，其中使用了一個(gè)差動(dòng)輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和齒輪系傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，以差動(dòng)輪系為中心兩邊齒輪系是對(duì)稱的，齒輪大小相等，具有相同的傳動(dòng)比，指標(biāo)固定在差動(dòng)輪系行星輪的轉(zhuǎn)臂軸線上。該結(jié)構(gòu)要具備指南車的功能，車輪之間的距離、車輪的直徑和齒輪系的傳動(dòng)比，三者之間要滿足具體的尺寸關(guān)系要求。首先車左右兩邊齒輪系的傳動(dòng)比要求相等，設(shè)：

車輪之間的距離為L(zhǎng),

車輪的直徑為D,

齒輪系的傳動(dòng)比為i,

且L=n D。

假設(shè)指南車左轉(zhuǎn)，左車輪不轉(zhuǎn)，右車輪繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)幾何關(guān)系得：當(dāng)右車輪繞自身旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，右車輪繞左車輪旋轉(zhuǎn)了180/n（°）,也就是車子轉(zhuǎn)過(guò)了180/n（°），根據(jù)差動(dòng)輪系的傳動(dòng)關(guān)系式：

n1-n3=2 nH,

要使車上的指標(biāo)方向保持不變，則要求差動(dòng)輪系上邊齒輪旋轉(zhuǎn)360/n（°），則齒輪系的傳動(dòng)比i為1/n，于是三者之間的關(guān)系為L(zhǎng)i/D=1。

該結(jié)構(gòu)的指南車，對(duì)車輪的旋轉(zhuǎn)次序沒(méi)有嚴(yán)格的要求，即不必以一個(gè)車輪為中心，另一個(gè)車輪為半徑就地旋轉(zhuǎn)，可以自由旋轉(zhuǎn)。

圖1 指南車原理圖

2 基于自動(dòng)控制的指南車原理

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，速度快的一側(cè)定子繞組會(huì)有電壓信號(hào)輸出，利用極化繼電器的吸合作用，使得相應(yīng)的齒輪嚙合，帶動(dòng)指針轉(zhuǎn)動(dòng)。其內(nèi)部原理圖如圖2所示：兩個(gè)輪子兩側(cè)同軸安裝兩個(gè)相同電機(jī)，電機(jī)與極化繼電器相連。其工作過(guò)程如下：

（1）在起始位置，使車上的指針調(diào)于指南方向。

（2）當(dāng)車子向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，右側(cè)定子繞組有電壓信號(hào)輸出，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位，此時(shí)極化繼電器向一側(cè)吸合，電磁吸包A1得電吸合，此時(shí)組合齒輪G2與斜齒輪M嚙合，帶動(dòng)G3轉(zhuǎn)動(dòng)，與G3同軸相連的指針也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 基于自動(dòng)控制的指南車內(nèi)部原理圖

（3）當(dāng)車子向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)定子繞組有電壓信號(hào)輸出，A點(diǎn)電位高于B點(diǎn)電位，此時(shí)極化繼電器向另一側(cè)吸合，電磁吸包B1得電吸合，此時(shí)組合齒輪G1與斜齒輪S嚙合，帶動(dòng)G3向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，與G3同軸相連的指針也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)（兩個(gè)彈簧的作用是保證G1、G2、M、S的位置準(zhǔn)確）。

（4）應(yīng)保證車輪是純滾動(dòng)的。只要車輪不離開(kāi)地面，再次啟動(dòng)無(wú)需調(diào)整校對(duì)指針指向。相應(yīng)的電路如圖3所示。

圖3 電路圖

此原理的指南車已經(jīng)加工制造成功，實(shí)物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 實(shí)物圖

3 新型指南車的應(yīng)用

這種新型指南車可以在工藝設(shè)計(jì)上對(duì)該作品進(jìn)行包裝，做成教學(xué)儀器,使學(xué)生在學(xué)習(xí)齒輪傳動(dòng)及電路知識(shí)時(shí)，能夠接觸到實(shí)物，提高學(xué)習(xí)興趣；可以做成工藝品進(jìn)行收藏；也可開(kāi)發(fā)成智力玩具；可以啟發(fā)學(xué)生的思維，做成博物館的展覽模型供人們參觀，甚至還可以做成盲人的輪椅。這種無(wú)障礙設(shè)計(jì)能應(yīng)用到許多公用設(shè)施，也可作為旅游自動(dòng)指向或自動(dòng)購(gòu)物車，在旅館、酒店也可作為自動(dòng)送運(yùn)車將食物自動(dòng)送客人房間。

4 結(jié)束語(yǔ)

該結(jié)構(gòu)操作簡(jiǎn)便而且可靠,由于運(yùn)用了自動(dòng)控制設(shè)備,使得指向角度能夠達(dá)到準(zhǔn)確控制,提高了操作性能和準(zhǔn)確度。

[1]杜俊瑋，李 林.基于指南車的新型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng)，2007，31（05）:501-511.

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[6]楊慧香，呂長(zhǎng)松，馮 奕.一種新型指南車的設(shè)計(jì)[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，19（2）：39-41.