一种用于水运仪象台的传动装置及传动齿数配比设计方法
【专利摘要】一种用于水运仪象台的传动装置，包括设置在枢轮输出末端的与枢轮转向和转速一致的地毂，地毂与设置在天柱下部的天柱下轮形成垂直轴啮合传动，天柱中轮与设置在报时机轮上方的拨牙机轮形成平行轴啮合传动，天柱上轮与位于浑仪下方的天毂后毂形成倾斜轴啮合传动，与天毂后毂转向和转速一致的天毂前毂与设置于浑仪上的天运环形成倾斜轴啮合传动，位于拨牙机轮上方与拨牙机轮转速和转向一致的天轮与位于浑象下方的天轴后毂形成倾斜啮合传动，与天轴后毂转向和转速一致的天轴前毂与设置于浑象上的浑象赤道牙形成倾斜啮合传动，本发明还提供了其传动齿数匹配设计方法，解决了历史文献中传动系统关键参数缺失的难题，可保证仪器运行时太阳日和恒星日的相对精度。
【专利说明】一种用于水运仪象台的传动装置及传动齿数配比设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械【技术领域】，特别涉及一种用于水运仪象台的传动装置及传动齿数配比设计方法。
【背景技术】
[0002]水运仪象台是北宋时期，由苏颂主持建造的一台集自动天象演示、观测、计时等功能于一体的仪器。其由水力驱动，制作精良，充分体现了是我国机械设计及建造技术的最高水平。
[0003]水运仪象台上下共分三层，顶层是装有一个浑仪的小屋，小屋可以根据观测的需求开启屋顶；中间层设置有一座浑象，浑象自动运转显示天象；底层设置了计时、报时系统和动力驱动装置。三层之间以传动装置相互连接，由水力驱动，通过枢轮的擒纵机构获得统一的时间基准，再通过传动系统将动力分配到各层的运动装置——报时、浑象、浑仪上，最后实现整台仪器的自动天象演示、观测、计时报时等功能。
[0004]然而，这台仪器存在一百多年之后便毁于战火，存世的相关资料只有当时的建造档案——苏颂编写的《新仪象法要》。后人为了复原这一旷世之作，基于对《新仪象法要》的研究和解读，设计制作了多件复原品，其中有1959年王振铎教授主持设计制作的1:5缩比模型，陈列于中国历史博物馆，20世纪90年代日本长野县设计制作了一台1:1复原品以及我国台湾台中自然科学博物馆的1:1原大作品，并且2011年国内又在厦门同安建造了一座1:1的复原品。
[0005]由于《新仪象法要》这部传世的唯一文献记载中，对水运仪象台的结构记载的一些关键点不完整，导致了研究者对其结构有不同的理解，进一步导致了不同复原作品的结构也不尽相同，有时为了追求结构简单而导致传动精度较低，与运行要求的恒星日、太阳日的周期有明显差异，有时为了追求高精度而导致机构设计复杂，传动效率低，甚至不能连续运转。
[0006]在《新仪象法要》遗漏的关键点中，整个传动系统只提供了地毂、天柱(含天柱下轮、天柱中轮、天柱上轮)、天毂(前毂、后毂)、天运环、拨牙机轮、天轮、赤道牙等传动部件的名称，但缺失了关键的传动装置布局和传动齿数配比数据，这是影响整台仪器实现设计功能和保证运行精度的关键环节，采用不同的传动齿数设计方法及传动装置将会导致这台仪器的运动功能、运行周期和精度的差异，甚至明显的有别于历史文献记载。因此，复原工作需要提供关于传动系统的传动链设计布局方案以及传动齿数配比方案，进而提供一套结构简单、运行精度好的传动装置。
【发明内容】
[0007]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于水运仪象台的传动装置及传动齿数配比设计方法，给出了传动装置内各齿轮的布局方式和配比数据，解决了古文献中传动系统关键参数缺失的问题，可保证水运仪象台计时、观测、演示等运行功能的精度。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0009]一种用于水运仪象台的传动装置，包括设置在枢轮100输出末端的与枢轮100转向和转速一致的地毂Z2，地毂Z2与设置在天柱下部的天柱下轮Z3配合形成垂直轴啮合传动，位于天柱中部的天柱中轮Z4与设置在报时机轮200上方的拨牙机轮Z5配合形成平行轴啮合传动，位于天柱顶部的天柱上轮ZlO与位于浑仪400下方的天毂后毂Zll配合形成倾斜轴啮合传动，与天毂后毂Zll转向和转速一致的天毂前毂Z12与设置于浑仪400上的天运环Z13配合形成倾斜轴啮合传动，位于拨牙机轮Z5上方的与拨牙机轮Z5转速和转向一致的天轮Z6与位于浑象300下方的天轴后毂Z7配合形成倾斜啮合传动，与天轴后毂Z7转向和转速一致的天轴前毂Z8与设置于浑象300上的浑象赤道牙Z9配合形成倾斜啮合传动，最终通过地毂Z2的一个动力源输出，实现拨牙机轮Z5以一太阳日一圈周期转动，同时实现浑象赤道牙Z9和天运环Z13以一恒星日一圈周期转动。[0010]所述地毂Z2与天柱下轮Z3的啮合位置中，天柱下轮Z3在上方，地毂Z2在下方，天柱下轮Z3的转动轴线位于地毂Z2的南侧，实现地毂Z2自东向西顺时针转动时，带动天柱下轮Z3自东向西顺时针转动。
[0011]所述天柱下轮Z3、天柱中轮Z4和天柱上轮ZlO共同安装在天柱上且三者的转速和转向一致，天柱中轮Z4带动拨牙机轮Z5自西向东逆时针转动，所述拨牙机轮Z5和天轮Z6安装在同一个传动轴上。
[0012]所述天轮Z6与天轴后毂Z7形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于50°且小于等于90°，天轮Z6的转动轴线位于天轴后毂Z7的南侧，实现天轴后毂Z7自东向西顺时针转动；所述天轴后毂Z7和天轴前毂Z8安装在同一个转动轴上。
[0013]所述天轴前毂Z8与浑象赤道牙Z9形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于0°且小于等于40°，浑象赤道牙Z9位于天轴前毂Z8与的上方，实现浑象赤道牙Z9自东向西的逆时针转动。
[0014]所述天柱上轮ZlO和天毂后毂Zll形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于50°且小于等于90°，天柱上轮ZlO位于天毂后毂Zll的下方，天柱上轮ZlO的转动轴线位于天毂后毂Zll的北侧，实现天毂后毂Zll自东向西顺时针转动；所述天毂后毂Zll和天毂前毂Z12安装在同一个转动轴上。
[0015]所述天毂前毂Z12和天运环Z13形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于0°且小于等于40°，天运环Z13位于天毂前毂Z12的上方，实现天运环Z13自东向西的逆时针转动。
[0016]本发明同时提供了一种适用于所述传动装置的传动齿数匹配设计方法，其中:
[0017]地毂Z2的齿数是36，拨牙机轮Z5的齿数是600，浑象赤道牙Z9的齿数是478，天运环Z13的齿数是478 ；
[0018]天轮Z6的齿数与天柱上轮ZlO和天柱中轮Z4的齿数关系式为:Z6=600' Z10^Z4,且天轮Z6的齿数有范围为478 ^ Z6 ^ 500 ；
[0019]天柱中轮Z4和天柱下轮Z3的关系为Z3=Z4XAtl,其中Atl是3~10之间的整数；
[0020]天轴后毂Z7和天毂后毂Zll的齿数相同,天轴前毂Z8和天毂前毂Z12的齿数相同；[0021]浑象赤道牙Z9、天轴前毂Z8、天轴后毂Z7和天轮Z6的齿数关系为
【权利要求】
1.一种用于水运仪象台的传动装置，包括设置在枢轮(100)输出末端的与枢轮(100)转向和转速一致的地毂(Z2)，其特征在于:地毂(Z2)与设置在天柱下部的天柱下轮(Z3)配合形成垂直轴啮合传动，位于天柱中部的天柱中轮(Z4)与设置在报时机轮(200)上方的拨牙机轮(Z5)配合形成平行轴啮合传动，位于天柱顶部的天柱上轮(ZlO)与位于浑仪(400)下方的天毂后毂(Zll)配合形成倾斜轴啮合传动，与天毂后毂(Zll)转向和转速一致的天毂前毂(Z12)与设置于浑仪(400)上的天运环(Z13)配合形成倾斜轴啮合传动，位于拨牙机轮(Z5 )上方的与拨牙机轮(Z5 )转速和转向一致的天轮(Z6 )与位于浑象(300 )下方的天轴后毂(Z7)配合形成倾斜啮合传动，与天轴后毂(Z7)转向和转速一致的天轴前毂(Z8)与设置于浑象(300 )上的浑象赤道牙(Z9 )配合形成倾斜啮合传动，最终通过地毂(Z2 )的一个动力源输出，实现拨牙机轮(Z5)以一太阳日一圈周期转动，同时实现浑象赤道牙(Z9)和天运环(Z13)以一恒星日一圈周期转动。
2.根据权利要求1所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述地毂(Z2)齿数为36,天柱下轮(Z3)齿数为150,天柱中轮(Z4)齿数为50,拨牙机轮(Z5)齿数为600,天轮(Z6)齿数为490,天轴后毂(Z7)齿数为46,天轴前毂(Z8)齿数为45,浑象赤道牙(Z9)齿数为478,天柱上轮(ZlO)齿数为49,天毂后毂(Zll)齿数为46,天毂前毂(Z12)齿数为45,天运环(Z13)齿数为478。
3.根据权利要求1或2所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述地毂(Z2)与天柱下轮(Z3)的啮合位置中，天柱下轮(Z3)在上方，地毂(Z2)在下方，天柱下轮(Z3)的转动轴线位于地毂(Z2)的南侧，实现地毂(Z2)自东向西顺时针转动时，带动天柱下轮(Z3)自东向西顺时针转动。
4.根据权利要求3所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述天柱下轮(Z3)、天柱中轮(Z4)和天柱上轮(ZlO)共同安装在天柱上且三者的转速和转向一致，天柱中轮(Z4)带动拨牙机轮(Z5)自西向东逆时针转动，所述拨牙机轮(Z5)和天轮(Z6)安装在同一个传动轴上。
5.根据权利要求3所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述天轮(Z6)与天轴后毂(Z7)形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于50°且小于等于90°，天轮(Z6)的转动轴线位于天轴后毂(Z7)的南侧，实现天轴后毂(Z7)自东向西顺时针转动；所述天轴后毂(Z7)和天轴前毂(Z8)安装在同一个转动轴上。
6.根据权利要求3所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述天轴前毂(Z8)与浑象赤道牙(Z9)形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于0°且小于等于40°，浑象赤道牙(Z9)位于天轴前毂(Z8)与的上方，实现浑象赤道牙(Z9)自东向西的逆时针转动。
7.根据权利要求3所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述天柱上轮(ZlO)和天毂后毂(Zll)形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于50°且小于等于90°，天柱上轮(ZlO)位于天毂后毂(Zll)的下方，天柱上轮(ZlO)的转动轴线位于天毂后毂(Zll)的北侧，实现天毂后毂(Zll)自东向西顺时针转动；所述天毂后毂(Zll)和天毂前毂(Z12)安装在同一个转动轴上。
8.根据权利要求3所述的用于水运仪象台的传动装置，其特征在于，所述天毂前毂(Z12)和天运环(Z13)形成的倾斜轴啮合传动中，倾斜角大于等于0°且小于等于40°，天运环(Z13)位于天毂前毂(Z12)的上方，实现天运环(Z13)自东向西的逆时针转动。
9.一种适用于权利要求1所述传动装置的传动齿数匹配设计方法，其特征在于: 地毂(Z2)的齿数是36，拨牙机轮(Z5)的齿数是600，浑象赤道牙(Z9)的齿数是478，天运环(Z13)的齿数是478 ； 天轮(Z6)的齿数与天柱上轮(ZlO)和天柱中轮(Z4)的齿数关系式为:Ζ6=600' 21(| + 24，且天轮(26)的齿数有范围为478 ^ Z6 ^ 500 ； 天柱中轮(Ζ4)和天柱下轮(Ζ3)的关系为Z3=Z4XAtl，其中Atl是3~10之间的整数； 天轴后毂(Ζ7)和天毂后毂(ZlI)的齿数相同,天轴前毂(Ζ8)和天毂前毂(Ζ12)的齿数相同； 浑象赤道牙(Ζ9)、天轴前毂(Ζ8)、天轴后毂(Ζ7)和天轮(Ζ6)的齿数关系为
【文档编号】G09B27/00GK103912667SQ201410143590
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】唐晓强, 邵珠峰, 王伟方, 季益中, 刘志华, 唐乐为, 曹凌 申请人:清华大学