[發明專利]一種用于水運儀象臺的傳動裝置及傳動齒數配比設計方法

有效

• 申請號: 201410143590.3
• 申請日: 2014-04-09
• 公開（公告）號: CN103912667A
• 公開（公告）日: 2014-07-09
• 發明（設計）人: 唐曉強;邵珠峰;王偉方;季益中;劉志華;唐樂為;曹凌
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F16H57/023
• 分類號: F16H57/023;G09B27/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術領域

本發明屬于機械技術領域，特別涉及一種用于水運儀象臺的傳動裝置及傳動齒數配比設計方法。

背景技術

水運儀象臺是北宋時期，由蘇頌主持建造的一臺集自動天象演示、觀測、計時等功能于一體的儀器。其由水力驅動，制作精良，充分體現了是我國機械設計及建造技術的最高水平。

水運儀象臺上下共分三層，頂層是裝有一個渾儀的小屋，小屋可以根據觀測的需求開啟屋頂；中間層設置有一座渾象，渾象自動運轉顯示天象；底層設置了計時、報時系統和動力驅動裝置。三層之間以傳動裝置相互連接，由水力驅動，通過樞輪的擒縱機構獲得統一的時間基準，再通過傳動系統將動力分配到各層的運動裝置——報時、渾象、渾儀上，最后實現整臺儀器的自動天象演示、觀測、計時報時等功能。

然而，這臺儀器存在一百多年之后便毀于戰火，存世的相關資料只有當時的建造檔案——蘇頌編寫的《新儀象法要》。后人為了復原這一曠世之作，基于對《新儀象法要》的研究和解讀，設計制作了多件復原品，其中有1959年王振鐸教授主持設計制作的1:5縮比模型，陳列于中國歷史博物館，20世紀90年代日本長野縣設計制作了一臺1:1復原品以及我國臺灣臺中自然科學博物館的1:1原大作品，并且2011年國內又在廈門同安建造了一座1:1的復原品。

由于《新儀象法要》這部傳世的唯一文獻記載中，對水運儀象臺的結構記載的一些關鍵點不完整，導致了研究者對其結構有不同的理解，進一步導致了不同復原作品的結構也不盡相同，有時為了追求結構簡單而導致傳動精度較低，與運行要求的恒星日、太陽日的周期有明顯差異，有時為了追求高精度而導致機構設計復雜，傳動效率低，甚至不能連續運轉。

在《新儀象法要》遺漏的關鍵點中，整個傳動系統只提供了地轂、天柱（含天柱下輪、天柱中輪、天柱上輪）、天轂（前轂、后轂）、天運環、撥牙機輪、天輪、赤道牙等傳動部件的名稱，但缺失了關鍵的傳動裝置布局和傳動齒數配比數據，這是影響整臺儀器實現設計功能和保證運行精度的關鍵環節，采用不同的傳動齒數設計方法及傳動裝置將會導致這臺儀器的運動功能、運行周期和精度的差異，甚至明顯的有別于歷史文獻記載。因此，復原工作需要提供關于傳動系統的傳動鏈設計布局方案以及傳動齒數配比方案，進而提供一套結構簡單、運行精度好的傳動裝置。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種用于水運儀象臺的傳動裝置及傳動齒數配比設計方法，給出了傳動裝置內各齒輪的布局方式和配比數據，解決了古文獻中傳動系統關鍵參數缺失的問題，可保證水運儀象臺計時、觀測、演示等運行功能的精度。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種用于水運儀象臺的傳動裝置，包括設置在樞輪100輸出末端的與樞輪100轉向和轉速一致的地轂Z2，地轂Z2與設置在天柱下部的天柱下輪Z3配合形成垂直軸嚙合傳動，位于天柱中部的天柱中輪Z4與設置在報時機輪200上方的撥牙機輪Z5配合形成平行軸嚙合傳動，位于天柱頂部的天柱上輪Z10與位于渾儀400下方的天轂后轂Z11配合形成傾斜軸嚙合傳動，與天轂后轂Z11轉向和轉速一致的天轂前轂Z12與設置于渾儀400上的天運環Z13配合形成傾斜軸嚙合傳動，位于撥牙機輪Z5上方的與撥牙機輪Z5轉速和轉向一致的天輪Z6與位于渾象300下方的天軸后轂Z7配合形成傾斜嚙合傳動，與天軸后轂Z7轉向和轉速一致的天軸前轂Z8與設置于渾象300上的渾象赤道牙Z9配合形成傾斜嚙合傳動，最終通過地轂Z2的一個動力源輸出，實現撥牙機輪Z5以一太陽日一圈周期轉動，同時實現渾象赤道牙Z9和天運環Z13以一恒星日一圈周期轉動。

所述地轂Z2與天柱下輪Z3的嚙合位置中，天柱下輪Z3在上方，地轂Z2在下方，天柱下輪Z3的轉動軸線位于地轂Z2的南側，實現地轂Z2自東向西順時針轉動時，帶動天柱下輪Z3自東向西順時針轉動。

所述天柱下輪Z3、天柱中輪Z4和天柱上輪Z10共同安裝在天柱上且三者的轉速和轉向一致，天柱中輪Z4帶動撥牙機輪Z5自西向東逆時針轉動，所述撥牙機輪Z5和天輪Z6安裝在同一個傳動軸上。

所述天輪Z6與天軸后轂Z7形成的傾斜軸嚙合傳動中，傾斜角大于等于50°且小于等于90°，天輪Z6的轉動軸線位于天軸后轂Z7的南側，實現天軸后轂Z7自東向西順時針轉動；所述天軸后轂Z7和天軸前轂Z8安裝在同一個轉動軸上。

所述天軸前轂Z8與渾象赤道牙Z9形成的傾斜軸嚙合傳動中，傾斜角大于等于0°且小于等于40°，渾象赤道牙Z9位于天軸前轂Z8與的上方，實現渾象赤道牙Z9自東向西的逆時針轉動。