中國機(jī)械工程發(fā)明史

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吳有王蕃、葛衡，晉有陸轅，南北朝時宋有錢樂之，粱自4陶宏景，隋初有耿翻，
都制造．過潭儀或潭象，也都是用水力為原動力。他們無疑地也都是采用了齒喻
系。又晉陸翩所著鄹中記上載著：“石虎（后趙，公元335-34q年）有指南卓及
哥里卓，又有舂牽木人及作行碓于卓上，牽動剮木人踏碓舂。行十里成米一斛。
又有磨卓，蓬石磨于章上。行十里輒磨麥一斛�！边@無疑也采用了齒輸或兇輸
系。但是就就載上看，都沒有超過張衡的制造。直到唐代開元\．三年（公元'25
年）一行和梁命瓚所劁作的水力天文儀器孝又有新的發(fā)展。
    網(wǎng)117吳德仁指南率復(fù)原網(wǎng)
    （現(xiàn)陳列在中圃髓史博物觸）
    首先它在計時方面，加上每一刻就自動地?fù)艄�，每一辰（辰就是時匠，桐當(dāng)
現(xiàn)在的兩小時）就自動地撞鍾的機(jī)構(gòu)。其次，它在潭象以外，更加1日環(huán)和月
環(huán)，很規(guī)律地表示太陽昶1月亮的運(yùn)轉(zhuǎn)。而且潭象、太陽乖¨月亮三種運(yùn)動PJ.及自動
擊鼓撞筵的動作都是由一個水榆的運(yùn)動而來。這是相當(dāng)復(fù)雜的一種齒輸系機(jī)構(gòu)。
    新唐害卷三十一，天文志上載著：“……又韶一行與命瓚等更簿潭天銅儀圓
天之象，具列宿赤道及周天度數(shù)。注水激輸，命其自蔣。一晝夜而天運(yùn)周。外格
二輸，輟以日月，命得運(yùn)行。每天西旋一周，日東行～度（按當(dāng)R寸是把潭象全刷
分為365度），月行一十三度十九分度之匕。二十九蔣何余而日月會。三百六
十五蔣而日周天。以木槭為地平，命儀牢在地下�；廾髌谕�，遲速有準(zhǔn)。立木人
二于地平.L.，其- Fli』置鼓以候刻，至一刻則臼擊之。其一前蓐鍾以候匾，JC -囁
亦自掩之。鑿于橫r}，各施輸軸，鉤鰱關(guān)簇，交錯侑持。’’
    ．106．

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    枉全唐文卷二百二十三，張藐進(jìn)潭儀表上敘逍的內(nèi)容完全相同。惟最后又加
上．“耱運(yùn)雖同而遲速各異；周而復(fù)始，循環(huán)不息�！睅拙�。
    我們看：以上的敘速把潭象和日月等的相關(guān)運(yùn)動稅的是相當(dāng)清楚的，但是關(guān)
于機(jī)械傳動上的粗撒只筑了最后幾句麓锍藉。如果只有這些資料，我傭是很難加
以推測的。幸而后來在北宋宣和年嗣王黼（群后）和元代郭守敬（群后）又曾制
造過這樣水力天文儀器，并且琵載的比較清楚，把所用的齒輸數(shù)日都筑出來了，
所以我們敢于根據(jù)齒輸系的原理加以合理地推測。    、
    由水輸?shù)霓D(zhuǎn)動使潭象很規(guī)律地按著等速運(yùn)動每天迥蔣一周是比較容易敵封
的，因?yàn)樵趶埡獾乃�力天文儀器上已艇有先例。由木人按一定的時刻自動地?fù)艄?br /> 掩鍾，是采取了自漢代以來記里鼓牽的機(jī)構(gòu)。這里都不再加以敘述。現(xiàn)在只研究和
推斷出：I丑每天迥薅一周的軸髑接著再帶動日環(huán)和月環(huán)，使日環(huán)每天只迥蔣了旨
周，使月環(huán)每滅只迥轉(zhuǎn)警案周，所需要具備的齒輸系。
    閎為琵載上貌：“每天西旋一周，  臼東行一度，  月行一十三度十九分度之
七。二1_九蔣有余而日月會，三百六十五蔣而日用天。’’可知當(dāng)時他們?nèi)虨樘��?br /> 褫天體右旋的速度與天體旋蔣的速度之此為j    1。
    根據(jù)齒輸系的彀計原理，因?yàn)椋?br />     —1可以分解為一！×～1- -÷×一是一×-T - 6C
    ，。    丁一昔×音×一囂，
參看圖11 8，彀A代表裝在日環(huán)上的太陽
表潭象。并假設(shè)當(dāng)立軸迥轉(zhuǎn)一周的時候，
周。    ‘
，’B代表裝在月環(huán)上的月亮，C代
襁過軸上端齒翰的傳動，潭象恰博一
    倘1是固定存立軸上的一個齒翰，它每天只轄1周。耀過2，3，4，5，
6等齒輸?shù)膫鲃�，最后帶動日環(huán)。當(dāng)1，2，3，4，5，6六個齒輸?shù)凝X數(shù)依
次為1 2，60，6，7 2，1 2，7 3時，則當(dāng)潭象趔轉(zhuǎn)一周時，  或趔~ 365度時，
太陽即向右旋轉(zhuǎn)1度。    1
    1親，
    同理，因?yàn)樵铝僚刺祗w右旋的速度與天體迥轉(zhuǎn)的速度之比為…    ，又因
    1 3告一2s。  ，孚×一{一×~矗一一衛(wèi)衛(wèi)×_6一×一i．翳，
    —1百丁一36 5×1 9  '73‘
摘7也是固定在立軸上的一個齒輸，襁過8，9，10，11，12‘等齒輸?shù)膫?br />     ．107 -

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圃118一行粱合瓚水力天文儀器中蔭輸系第一次推測嘲
動，最后帶動月環(huán)。當(dāng)7，8，9，10，1 1，12六個齒輸?shù)凝X數(shù)依次為12 7，73，
6，1 5，6，114時，刖每當(dāng)潭象迥蔣一周時，或迥蔣365度時，  月亮宦口向右
旋轄131度。
    這樣彀吾t(yī)，本來已可以達(dá)到琵載上所藐的相關(guān)運(yùn)動。但是當(dāng)中國歷史博物銷
決定進(jìn)行復(fù)原工作時，我們又考慮到下列兩點(diǎn)加以修正。
    第一，上邊所說的秸構(gòu)是假定1 0和1 1兩個齒輸固定在立軸上的一個套筒
上，4和5兩個齒輸更套在前一個套筒的外面。這存鍾表機(jī)構(gòu)上為了減少全部機(jī)
構(gòu)所占的空蠲，是普遍采用的一種裝法，但在唐代的時候是否能達(dá)到這種程度？
沒有多少根據(jù)。第二，根據(jù)我國天文學(xué)史家的意見，日環(huán)和月環(huán)不應(yīng)在同一平面
上。在開元年蠲，我國天文家已檉知道：日環(huán)應(yīng)對赤道傾斜2 3}度，月環(huán)應(yīng)對
日環(huán)傾斜5度。根據(jù)這樣的意兄，我傭又重新研究了一下各祖齒輸祖撒的情況，
秸果如圖11 9所示。
    第一祖齒輸，由水輸軸上的A輸起，到H輸止，它們的齒數(shù)依次為6，
4 8，6，30，6，36，6，4 8，倘H輸每天迥韉一周，剮水輸每天須迥蔣
    48×30×36>
    —15百器=1920周，即每小時須迥蔣8 0周。
·108 -

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┏━━━━━━┳━━━━━━━┓
┃            ┃八            ┃
┣━━━━━━╋━━━━━━━┫
┃            ┃議二＼        ┃
┃            ┃蘭b當(dāng)  ；     ┃
┃    i3≮14  ┃=虧F砷7。；   ┃
┃-  /2       ┃'/，0-l       ┃
┣━━━━━━╋━━━━━━━┫
┃    G—     ┃    I”    i  ┃
┗━━━━━━┻━━━━━━━┛
圊119修正后的一行梁命瓚水力天文儀器中各鑿輸系的推想嘲
    ，第二粗齒輸，由H輸蹋接著帶動洱象，并使齒輸1的齒數(shù)為2 4，齒輸2魄
齒數(shù)為4 8，齒輸3與4的齒數(shù)均為12，這樣潭象也就每天只蔣一周。這一粗齒
輸只是為了便于裝置，在速比上沒有變化。也可以用其他齒數(shù)和其他數(shù)目的齒輸
相祖合，達(dá)到同樣的目的。
    第三祖齒輸，由固定在H輸立軸上的齒輸11起，翟過齒輸12，13，1 4，
1 5，1 6，嗣接著帶動日環(huán)。它們的齒數(shù)是：6，72，12，60，12，6，73(日環(huán)
周圍有齒73)。倘H輸每天迥蔣一周，刖日環(huán)應(yīng)蔣
    6×12×12  —
    7 2×60x-/3 -擊周。
    第四祖齒輸，由固定在H輸立軸上的齒輸5起，徑過齒輸6，7，8，9，
1 0，蠲接著帶動月環(huán)。它們的齒數(shù)是：127，114，6，60，2 4，6，73(月環(huán)周圍
也有齒73)，倘H輸每天迥蔣一周，刖月環(huán)應(yīng)蔣
    127 x6x24—254  13 17g周。
    114×60×73    19×365
    其中有一部分對于速比不發(fā)生關(guān)系的齒輸，如齒輸1 0與齒輸1 6，也是因?yàn)?br /> ·109．

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E環(huán)或月環(huán)
    子午圈或地平圈
瞬120日環(huán)月環(huán)桎過子午
    圈和地平圈裝潼圃
便于裝蓬和改變方向的原因加上去的。
    兇為日環(huán)、月環(huán)和潭象的迥蔣軸沒有落在一條直
接上，我們采用和潭象的子午圈和地平圈挖空槽的辦
法加以解決j使兩環(huán)的齒向側(cè)面伸出，如圖1 20所
示。這一種水力天文儀器已襁復(fù)原成功，并陳列在中
國歷史博物銷中，如圖121 Ffr示。
    5．  北宋蘇齲韓公廉所翩水短儀象臺上所用的
    齒輸系
北宋哲宗元秸初年（公元1 086年-10 89年）蘇頸和斡公廉所制的水運(yùn)
瞬121  一行梁合瓚水力天文儀器復(fù)原躅
    （琨陳列存中圓艟史蹲物住）
儀象是把濰儀潭象和機(jī)械性計時器都祖獺在一種裝蓮之內(nèi)，裝置在一個儀象臺里
邊。原動力是由一個等速迥棒的水蝓而來。
    水運(yùn)儀象臺的外觀如圖1 22所示。  臺LJ置潭儀，中髑匿潭象。下邊建成
五層樓弱，中蠲立裝一個機(jī)輸軸。機(jī)輸軸．1 -端由一J，個名n雌天束(1 2)的橫梁拘束
    ·110 -

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住，下邊放在一個樞臼之中。參看圖1230
機(jī)輸軸上共裝有八個輸。兩個是齒輸。其中
一個裝在天束之上，名噼天輸(11)，具有
600個齒，直接或徑過一個中輸與潭象的赤
道牙（即沿著赤道的一個齒輸）相銜接。另一
個裝在機(jī)輸軸的中部，名呲撥牙機(jī)翰(1 6)，
也具有600個齒。其余的六個輸(13，14，
】5及17，18，19)都是為報時或表示時刻
用的(1)。
    在這一種水力天文儀器上采用的齒輸系
有兩個：一個是由水輸1（彥口樞翰）的等速
迥轉(zhuǎn)運(yùn)動，耀過齒輸3，4，5，1 6，1 1及
10等使潭象得到每天等速迥椿1周的運(yùn)
動；一個是由水輸1的等速迥轉(zhuǎn)運(yùn)動，程過
齒輸3，4，6，7，8，9等，使潭儀的
天運(yùn)環(huán)得到每天等速迥蔣1周的運(yùn)動。
圃122蘇頊水運(yùn)儀象古外觀
  （采蘇頊：新儀象法耍）
    在新儀象法耍一謄E，只耠出齒輸1 6及11各具有600個齒。其余崗輸
的齒數(shù)都沒有耠出來。
    因?yàn)闄C(jī)輸軸上六個具有報時或表示時刻作用的六個輸都是每天等？速迥轄1
周，潭象也是如此，所以潭象上的赤道牙一定也是有六百個齒。再假定齒輸3和
5的齒數(shù)均為6，jF輸4的齒數(shù)為96，具q水輸每天的迥蔣數(shù)應(yīng)為
1×』普翥晏訾翥孝星一=1600周，即每小時66÷周。
    又就者上袷凼的圖看，齒翰6的齒數(shù)只有3個，再假定齒輸7與8的齒數(shù)相
同，則譚儀上天運(yùn)環(huán)的齒數(shù)Tg可求之如下：
    1600一_Tg×96
    1    3x6’
劉fnJ洲：中園在針時器方面的鼗明。天攻：學(xué)報，第4卷第2期，1956年12月。
    ．l11 -

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1
或
T。一』；她漤圣！-300。
1糨愉
    圃123蘇填水運(yùn)儀象古內(nèi)部翹微
    圖】23右半邊的附圖是由樞翰帶動天運(yùn)環(huán)的另一種傳動機(jī)構(gòu)，在齒輸系中插
入了一個鏈條和兩個鍵輸。
    在蘇頌的水運(yùn)儀象臺里邊有一種特殊的設(shè)備是從前各種水力天文儀器都沒有
提到過的。這種轂備m}做天衡。當(dāng)樞輸由漏水沖著轉(zhuǎn)動的時候，天衡能夠?qū)λ��?br /> 以控制。它的構(gòu)造如圖124所示。
    在樞輸之上，設(shè)有天關(guān)、左天鎮(zhèn)、右天斂等部分，以控制樞愉的蔣動。在樞
翰之下，段有退水壺，以接受由樞翰下流的水。在樞翰之旁，彀有天條、格叉、
關(guān)'s等部分。當(dāng)樞蝓不轉(zhuǎn)動的時候，它圓周上恒有一個突出部分架在格又之上。
當(dāng)受水壺內(nèi)接受的漏水不到一定的重量的時候，天關(guān)反抗著天權(quán)和天條等的重力
殂止著樞輸不使它搏動；到達(dá)一定的重量的時候，格又處因壓力增大而下降，同
·112·

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  瞍124天衡圓
（采蘇須：新儀象法瓔）
時糨過天條及天衡使天關(guān)被提上升，這樣就使樞輸向右轉(zhuǎn)動。但轉(zhuǎn)過一壺以后，
格叉處所受的壓力去掉，關(guān)舌和格叉等受樞衡樞權(quán)等的影響又行上升，同時徑過
天條及天衡又使天關(guān)下落，樞輸又被阻住。這樣使樞輸?shù)妮爠右蚵┧�量的等時性
也得到等時性。右天毀相當(dāng)一個止動卡子，就新儀象法要上祝，它具有防止樞輸
倒轄的作用。左天皺似乎是限制天關(guān)升起過高的。    ．
    宋史巷八十，律歷志卷三十三，有關(guān)王黼造機(jī)衡的記載上有：“玉衡植于屏
外，持扼樞斗�！钡脑�，也指的是這種機(jī)構(gòu)。
    這一機(jī)構(gòu)的構(gòu)造和作用已相當(dāng)于后來西洋鍾表的擒稅器或卡子的作用，是橇
有意義的一種發(fā)明。
    這一種水力天文儀器已由王振鐔先生指導(dǎo)著復(fù)原了，現(xiàn)陳列在中國歷史博物
銘中。
·113．

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    6．北宋末年王黼和元代郭守敬所制水力天文儀器上所用的齒翰系
    宋史卷八十律歷志上載著，宣和六年（公元1 1 24年）王黼制了j種所稿城衡
的水力天文儀器。原睡內(nèi)載著：“……每天左旋一周，日右旋一度�！�…月行十
三度有余�！�…一注水激輸。其下為機(jī)輸四十有三。鉤鍵交錯相持，次第運(yùn)蔣，不
假人力。哆者日行二千九百二十k齒，少者五日行一齒。疾徐相遠(yuǎn)如此，而同發(fā)
于一機(jī)，其密殆與造物者侔焉。    ,
    元文類郭守敬行狀里載著：“……大德二年（公元1 29 8年）起靈臺水潭。
……大小機(jī)輸凡二十有五，皆以刻木為沖牙，轄相撥擊。.L-為潭象，點(diǎn)畫周天度
數(shù)。日月二環(huán)斜裕其￡。象刖隨天左旋，日月二環(huán)，各依行度，退而右蔣�！�’
    根據(jù)以上兩項(xiàng)蟊載，我們可以看出：王黼和郭守敬所制的兩種水力天文儀
器，主要部分都和唐代一行粱命瓚所制的相同。有一些和節(jié)可能更為復(fù)雜。且每
種之中至少采用了三個齒輸系。王黼的轂升采用了四十三個機(jī)輸，郭守敬的骰種
采用了二十五個機(jī)輸也可以祝明這一點(diǎn)。又在王黼的轂封里邊，五日行-齒的齒
翰，一定是代表太陽運(yùn)行的，  因?yàn)槿�輸若�?3個齒，它36 5天恰蔣一周。每
日行2928齒的齒輸，一定是裝在水輸軸上的第一個原動齒輸。如果它具有六個
曲的藉，那么水輸每天的蔣數(shù)應(yīng)該是4 88次。
    這兩種還沒有加以群釉的分析和推測。但是它們都采用了復(fù)雜的齒輸系是肯
定的。    ．
    7.  元末明初詹希元所翩五輸沙漏上所用的齒輸系
    明史卷二十五天文志上載著：“明初詹希元PI -k漏至嚴(yán)寒水凍輒不能行，故
姒沙代水。然沙行太疾，未協(xié)天運(yùn)，乃于斗輸之外，復(fù)加四輸，輸醬三十六齒�！�
在明文奇賞宋濂交中及宋學(xué)士全集中都載有五輸沙漏銘一篇，其序文祝：“沙
．漏之制．，聹沙于池而注于斗。凡運(yùn)五輸焉。其初輸軸長二尺有三寸，圍寸有五
分，衡奠之。軸端有輸，輸圍尺有二寸八分，l-環(huán)十六斗。斗廣八分，深如之。
軸杪傅六齒。沙傾斗運(yùn)，其齒鉤二輸旋之。二輸之軸長尺，圍如初輸。從奠之。
輸之圍尺有五寸，輸齒三十六。軸杪亦傅六齒，鉤- --輸旋之。三輸之L~l ~ -ti二
輸同，其奠如初輸。軸杪Dj'傅六齒，鉤四輸旋之。四輸如二：稚，唯奠與二榆同。
軸杪亦傅六齒，鉤中輸旋之。中輸如四輸。余輸側(cè)旋，中翰獨(dú)平旋。軸崇尺有六
寸。其杪不彀齒，挺然上出，黌于測景盤。盤列十二時，分刻盈百。到木為日形，
承以Z HH于軸中，五輸犬牙相入，次第運(yùn)盆遲。中輸日fT盤-周，,云Wil至處則知
- 114．

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為何時何刻也。……輸與沙池皆藏機(jī)腹，盤露機(jī)面。旁刻黃衣童子二，一擊鼓，
一E島衄�！�.”
    就所用齒輸系的祖撒看，已很和后來西洋時鍾里邊的齒輸系相似。根據(jù)宋濂
所藐的情形全輸系的祖獺直如圖1 2 5所示。
    明史卷二十五天文志一卜又載著：“厥后周速學(xué)病其竅太小而沙易堙，丁j更制
為六輸。其五蝓悉三十齒，而微裕其竅，運(yùn)行始與晷協(xié)。’’
    因?yàn)樵瓉硭膶�齒輸，每一對的速比都是6，全輸系的速比是1296，  即每天
指針蔣一周，初輸應(yīng)蔣12q6周。周述學(xué)改變以后，每一對的速比都是5，全~i
系的速比是312 5，宦D每天指~蔣一周，初輸應(yīng)蔣312 5周。所以沙孔可以擴(kuò)大
一些，沙流下時就不致發(fā)生擁塞的情形了。
洲景
圃128五輸沙漏椎測圈
    就以上七頊實(shí)例看，可知我國遠(yuǎn)自公元前二百年左右起（西漢初年），直至
十四世糸己（元末明初），對于齒輸系的傳動作用已達(dá)到相當(dāng)高度的水平。就原理上
分析，歪少已掌握了下列各點(diǎn)：1．  由不同齒數(shù)的齒輸互相祖合起來可以得到很
規(guī)律的減慢的速度；2．  由一·個原動輸?shù)腻霓D(zhuǎn)運(yùn)動，可以傳達(dá)到兩個或多個從動
輸，以得到彼此不同速度不同方向的運(yùn)動；3．  由一個中輸?shù)那度牖螂x開，可以
任意使從動輸受到或不受到原動輸?shù)淖饔茫?．  由插入申輸?shù)淖饔�，可以任意�?br /> 更從動輸迥蔣的方向或變更全機(jī)構(gòu)所估空闥的大�。�5．  兩個齒數(shù)相同的齒輸，
中圈插入一個中輸，可使它們按同一速度同一方向迥蔣。所有這些可以就是把一
般齒輸系的規(guī)律都掌握了。
    ·115．