指南車是如何實現指向功能的?

指南車是中國古代用來指示方向的一種裝置,它實現指向功能主要依靠齒輪傳動和差動原理。

具體來說,指南車靠人力帶動兩輪行走,車內的木制齒輪會隨之轉動。當車子轉向時,兩個車輪產生差動,這種差動帶動指向木人與車轉向方向相反但角度相同,從而始終指向出發時設定的方向。

比如,有一種常見的結構是兩輪的差動使斜面軸向頂推帶動曲軸轉動,帶動車上指向木人與車轉向角度相同但方向相反,保證了車在運動中指示方向不變。還有在車轉向時,推桿內端帶動弓狀體旋轉,通過杠桿、連桿的傳動,曲軸旋轉,柔性弓弦釋放彈力可使曲軸順利通過止點位置,防止卡住。

燕肅的指南車是雙輪獨轅車,車中有 7 個齒輪。車輪轉動帶動附輪,附輪使小平輪轉動,小平輪再帶動中心大平輪,指南木人的立軸裝在大平輪中心。車轉彎時,操作車上離合裝置可控制大平輪轉動,使木人指向不變。

吳德仁改進了燕肅的指南車,發明了繩輪離合裝置,解決了不能轉大彎的問題。

現代對指南車的復原有多種結構。其中兩輪的差動使斜面軸向頂推的結構,較為接近歷史實際條件。另外,還有利用齒輪傳動系統和自動離合裝置,或采用差速齒輪原理結構的指南車,但它們存在使用條件嚴格、指向誤差大、實用性差、結構復雜等問題。還有一種差動輪系的原理,根據左右輪轉動速度的差來調整木人的指向。當車直行時,行星輪只自轉,行星架不動;車轉彎時,左右輪轉速不同,行星輪除自轉外還公轉,使行星架轉動,通過控制齒輪間傳動比,讓木人的轉動抵消車身轉動,始終指向南方。

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