投 稿 類 別 : 工 程 技 術 類 篇 名 : 古 老 傳 說 指 南 車 製 作 作 者 : 李 宗 熹 台 北 市 立 大 安 高 級 工 業 學 校 高 三 愛 班 林 信 志 台 北 市 立 大 安 高 級 工 業 學 校 高 三 愛 班 鄭 柏 廷 台 北 市 立 大 安 高 級 工 業 學 校 高 三 愛 班 指 導 老 師 : 張 國 忠
摘 要 指 南 車 又 名 司 南 車, 是 中 華 名 族 古 代 重 要 科 技 之 一, 指 南 車 是 指 不 論 車 架 如 何 轉 向, 其 上 指 示 器 永 遠 指 向 一 方 的 車 子 指 南 車 可 依 構 造 與 功 能 分 為 離 合 式 指 南 車 雙 差 速 式 指 南 車 行 星 式 指 南 車 全 里 皆 是 利 用 齒 輪 傳 動 機 構, 令 指 南 車 進 行 直 線 運 動 或 轉 向 時, 人 形 指 標 皆 能 穩 定 指 向 同 一 方 向 近 年 來 辦 隨 科 技 不 斷 進 步, 相 關 工 程 應 用 體 也 不 斷 蓬 勃 發 展, 齒 輪 組 更 能 精 準 設 計 快 速 製 造 集 模 擬 運 動 分 析 本 專 題 研 究 中, 主 要 以 指 南 車 基 礎 理 論 延 伸 至 齒 輪 雙 差 速 系 統 設 計, 進 行 指 南 車 製 造 工 作, 並 借 重 電 腦 輔 助 設 計 軟 體, 製 作 指 南 車 之 3D 模 型 也 使 用 近 年 來 常 見 之 3D 列 印, 使 齒 輪 的 設 計 及 製 作 上 能 更 精 準 輕 鬆 關 鍵 字 : 指 南 車 雙 差 速 器 3D 列 印 壹 研 究 動 機 指 南 車 機 構 是 中 華 文 化 一 項 科 技 成 就 里 程 碑, 僅 僅 利 用 純 機 構 達 到 定 向 目 的 在 現 代 生 活 中, 指 南 車 由 於 磁 針 式 指 南 工 具 及 網 路 的 發 達 已 經 漸 漸 的 失 去 了 它 的 地 位, 但 機 構 式 指 南 車 上 的 齒 輪 系 及 其 相 對 運 動 的 原 理, 在 今 天 的 生 產 中 仍 然 發 揮 著 巨 大 的 作 用 了 解 其 原 理 並 藉 由 這 次 的 專 題 我 們 打 算 做 出 屬 於 自 己 的 指 南 車 另 外, 本 專 案 在 組 裝 及 測 試 過 程 中, 將 零 件 的 3D 實 體 加 工 變 為 2D 平 面 繪 圖 輸 出 加 工, 利 用 3D 列 印 技 術 的 快 速 製 造 優 勢 配 合 打 磨, 大 大 降 低 實 驗 時 間 及 金 錢 成 本, 也 降 低 本 專 案 製 造 的 複 雜 度 二 文 獻 探 討 ( 一 ) 指 南 車 的 歷 史 指 南 車 是 中 國 古 代 的 偉 大 發 明 之 一, 相 傳 為 黃 帝 首 創 雖 然 傳 說 不 可 考, 但 依 歷 史 記 載, 在 戰 國 時 代 韓 非 子 書 中 就 已 經 記 載.. 先 王 立 司 南 以 端 朝 夕, 在 這 裡, 司 南 指 的 就 是 指 南 工 具, 可 見 至 少 在 韓 非 以 前, 就 已 經 有 指 南 工 具 了 有 關 指 南 車 最 早 之 信 史 記 述 於 魏 書 卷 二 十 九 曰.. 記 載 三 國 時 代 魏 國 馬 鈞 製 造 過 指 南 車, 此 後 歷 代 皆 有 成 功 的 重 造 記 錄 - 1 -
1924 年,Moule 發 表 一 篇 為 China s South-Pointing Chariot 的 文 章, 中 譯 為 宋 燕 肅 吳 德 仁 指 南 車 造 法, 如 上 圖 所 示 1937 年, 王 振 鐸 曾 根 據 宋 史, 針 對 指 南 車 的 歷 史 文 獻 出 處 詳 加 收 集 與 考 證, 並 推 斷 最 早 成 功 研 製 指 南 車, 應 為 三 國 時 代 的 馬 鈞 復 原 模 型 如 上 圖 - 2 -
1947 年, 英 國 人 藍 徹 斯 特 根 據 差 動 原 理 仿 製 宋 代 指 南 車 台 灣 首 度 試 製 指 南 車 是 在 1979 年, 台 灣 科 學 教 育 館 於 科 學 教 育 展 中 推 出, 之 後 陳 列 館 內 示 迄 今, 採 用 的 是 差 速 齒 輪 式 本 專 題 的 製 作 核 心 理 論 是 依 據 Ta Bois 的 指 南 車, 其 傳 動 機 構 原 理 示 意 及 實 物 如 上 圖 所 示 ( 二 ) 指 南 車 原 理 1. 差 速 器 差 動 齒 輪 裝 置, 或 者 稱 加 法 機 構, 或 者 稱 差 速 器 普 通 的 差 速 器 內 部 是 一 種 行 星 齒 輪 機 構, 其 中 包 括 兩 個 行 星 齒 輪 和 兩 個 與 傳 動 軸 相 連 的 半 軸 齒 輪, 這 四 個 齒 輪 配 置 在 差 速 器 的 一 個 內 部 殼 體 內, 並 且 相 互 之 間 互 相 咬 合 在 一 起, 每 個 齒 輪 都 咬 合 著 另 外 兩 個 齒 輪 ( 每 個 半 軸 齒 輪 都 咬 合 兩 個 行 星 齒 輪, 而 每 個 行 星 齒 輪 又 咬 合 兩 個 半 軸 齒 輪 ), 所 以 只 要 其 中 一 個 齒 輪 轉 動, 勢 必 會 牽 動 其 他 三 個 齒 輪 一 同 轉 動, 而 其 中 一 個 半 軸 齒 輪 朝 某 個 方 向 轉 動 時, 另 外 一 側 的 半 軸 齒 輪 勢 必 會 向 反 方 向 旋 轉, 當 把 車 輛 的 兩 個 驅 動 輪 懸 空, 轉 動 一 側 的 車 輪 向 一 個 方 向 旋 轉 勢 必 會 使 另 一 側 的 車 輪 往 反 方 向 旋 轉 紅 黃 軸 均 有 阻 力 行 星 齒 輪 不 動 左 邊 卡 住 時 行 星 齒 輪 開 始 轉 動 - 3 -
2. 斜 齒 輪 周 轉 輪 系 本 次 專 題 主 要 採 用 的 斜 齒 輪 單 式 周 轉 輪 系, 其 輪 系 轉 速 原 理 如 下 說 明 有 兩 個 輸 入 軸 (X,Y) 一 個 輸 出 軸 (Z), 輸 出 軸 轉 速 為 輸 入 軸 的 一 半 即 Z =(X+Y)/2 上 輪 ( 左 )(Y) 不 動 時 : 行 星 輪 軸 (Z) 的 轉 速 是 下 輪 (X) 的 一 半 Z =(X+0)/2 下 輪 ( 右 )(X) 不 動 時 : 行 星 輪 軸 (Z) 的 轉 速 是 上 輪 (Y) 的 一 半 Z =(0+Y)/2 上 下 輪 轉 速 一 樣 但 轉 向 相 反 時 : 即 Y=-X, 行 星 輪 軸 (Z) 呈 靜 止,Z =(X+Y)/2 =0 資 料 來 源 : 玩 具 物 理 學 3. 動 作 解 析 車 子 向 右 轉 時 : 車 身 順 時 針 轉 動 90 時, 傳 動 機 構 讓 指 向 人 偶 逆 時 針 轉 動 90 ( 方 向 相 反 ) 車 子 向 左 轉 時 : 車 身 逆 時 針 轉 動 90 時, 傳 動 機 構 讓 指 向 人 偶 順 時 針 轉 動 90 ( 方 向 相 反 ) 車 子 直 線 前 進 時 : 兩 個 傳 動 齒 輪 的 旋 轉 角 度 相 互 抵 消, 讓 指 向 人 偶 維 持 不 轉 動 資 料 來 源 : 玩 具 物 理 學 - 4 -
( 三 ) 傘 齒 輪 介 紹 齒 輪 (Gear) 是 輪 緣 上 有 齒 能 連 續 嚙 合 傳 遞 運 動 和 動 力 的 機 械 元 件, 齒 輪 依 靠 齒 的 齧 合 傳 遞 扭 矩 的 輪 狀 機 械 零 件 本 次 專 題 主 要 採 用 的 傘 齒 輪 主 要 是 傳 遞 相 交 軸 與 交 錯 軸 傳 動 的 主 要 機 件, 並 在 傳 遞 交 軸 傳 動 的 機 件 中, 可 以 利 用 較 高 的 效 率 更 平 穩 的 傳 遞 轉 矩, 並 可 以 使 傳 遞 兩 軸 線 相 交 成 直 角 而 轉 動, 也 可 以 傳 遞 兩 軸 線 的 鈍 角 或 銳 角 的 轉 動, 一 般 都 用 較 低 速 的 情 況 下 進 行 操 作, 因 此 使 用 在 工 業 範 圍 居 多 ( 四 ) 3D 列 印 列 印 (3D printing), 又 稱 增 量 製 造 積 層 製 造 (Additive Manufacturing,AM), 可 指 任 何 列 印 三 維 物 體 的 過 程 3D 列 印 主 要 是 在 電 腦 控 制 下 層 疊 原 材 料 3D 列 印 的 內 容 可 以 來 源 於 三 維 模 型 或 其 他 電 子 資 料, 其 列 印 出 的 三 維 物 體 可 以 擁 有 任 何 形 狀 和 幾 何 特 徵, 原 理 如 下 圖 所 示 快 速 原 型 以 及 3D 列 印 技 術 萌 芽 1980 年 代, 這 些 年 來 其 製 程 不 斷 地 突 破 創 新 目 前 3D 列 印 的 商 業 模 式 仍 處 於 少 量 客 製 化, 以 處 理 具 有 特 殊 形 狀 且 傳 統 技 術 不 易 加 工 的 產 品, 未 來 則 朝 量 少 價 高 高 技 術 產 品 發 展 目 前 常 見 的 3D 列 印 成 型 技 術 有 (1) 選 擇 性 雷 射 熔 融 (selective laser melting, SLM) (2) 選 擇 性 雷 射 燒 結 (selective laser sintering, SLS) (3) 光 固 化 立 體 造 型 (stereolithography, SLA) (4) 融 沉 積 造 型 (fused deposition modeling, FDM) 是 目 前 市 面 上 最 廣 為 流 行 的 方 法 也 是 較 為 平 價 儘 管 3D 列 印 的 解 析 度 能 滿 足 許 多 產 品 的 要 求, 但 仍 有 上 升 的 空 間 方 法 是 : 先 用 標 準 解 析 度 列 印 一 個 比 要 求 稍 大 的 模 型, 然 後 用 高 解 析 度 的 削 減 程 式 將 多 餘 的 材 料 移 除 這 樣 就 能 得 到 更 為 精 確 的 3D 模 型 本 專 題 採 用 3D 列 印 機 是 我 們 科 上 老 師 與 同 學 自 行 組 裝 的, 其 成 本 較 為 低 廉, 列 印 層 高 : 0.1~0.4mm(Layer), 列 印 範 圍 約 20x28cm 圓 柱 體, 所 採 用 的 列 印 材 料 為 PLA - 5 -
貳 研 究 方 法 與 過 程 一 研 究 流 程 圖 與 分 工 本 專 題 研 究 流 程 是 決 定 題 目 蒐 集 指 南 車 的 相 關 資 源, 如 網 路 的 資 源 等, 接 著 與 指 導 老 師 討 論, 同 時 預 估 零 件 與 材 料 費 用, 最 後 利 用 2d 3d 製 圖 軟 體 設 計 零 件 圖, 最 後 進 行 機 械 加 工 組 裝 修 改 完 成 成 品, 並 撰 寫 報 告 - 6 -
參 結 論 一 遇 到 的 問 題 ( 一 ) 在 未 經 過 完 整 的 考 量 前 就 先 開 工 ( 二 ) 組 長 缺 席 時 團 隊 較 沒 方 向 性 ( 三 ) 材 料 選 用 上 的 意 見 不 同 二 解 決 方 法 ( 一 ) 每 次 加 工 前 都 再 確 認 過 尺 寸 以 及 與 其 組 合 的 工 件 是 否 在 可 配 合 的 範 圍 內 且 細 心 加 工 以 免 浪 費 時 間 及 材 料 ( 二 ) 每 位 組 員 都 能 掌 握 一 定 的 進 度 以 及 相 關 知 識, 這 樣 不 僅 能 再 缺 少 長 的 狀 況 下 持 續 運 作 也 不 用 擔 心 會 進 度 停 滯 ( 三 ) 每 個 人 提 出 自 己 的 看 法 再 由 大 家 一 起 討 論 出 最 合 適 的 方 案 三 未 來 發 展 將 原 先 的 主 題 - 指 南 車 組 裝 完 成 並 能 實 際 產 生 需 要 的 效 果 另 可 加 裝 彷 生 獸 當 作 動 力 來 源, 結 合 現 代 以 及 過 去 讓 專 題 成 品 看 起 來 更 豐 富 指 南 車 和 仿 生 獸 同 樣 看 似 為 複 雜 的 機 構 設 計, 卻 都 來 自 於 最 簡 單 的 原 理 皆 是 充 分 運 用 物 理 原 理 結 合 精 密 數 學 計 算 而 得 的 成 果 希 望 將 目 前 看 似 無 用 的 仿 生 獸 設 計 新 意, 新 創 出 實 際 功 能, 希 能 掀 起 另 一 波 革 命 成 功 絕 不 是 一 時 半 刻 就 能 達 成 的, 總 是 要 經 過 許 多 失 敗 的 經 驗, 而 從 中 吸 收 消 化, 進 而 轉 換 成 我 們 所 需 要 的 知 識 任 何 的 尺 寸 設 計 與 零 件 加 工 都 要 建 立 在 學 術 背 景 的 支 撐 下 完 成, 並 且 在 有 效 率 分 配 工 作 的 團 隊 合 作 下 完 成 各 項 工 作 物 與 組 裝, 如 此 一 來 就 能 在 有 限 的 時 間 內 達 成 高 效 的 表 現 在 這 次 的 專 題 中 我 們 也 發 現, 指 南 車 不 僅 僅 是 差 速 器 的 配 合, 還 必 須 考 慮 到 輪 軸 長 度 以 及 輪 胎 直 徑 等 等, 連 齒 輪 都 必 須 準 確 的 選 擇, 結 合 以 上 各 點 才 能 完 成 一 部 轉 向 精 確 齒 輪 嚙 合 順 暢 的 指 南 車 - 7 -
四 心 得 在 這 次 的 專 題 製 作 當 中, 我 們 遭 遇 到 了 很 多 挫 折 也 學 習 到 了 很 多 新 的 事 物 從 一 開 始 的 整 體 設 計, 沒 有 經 驗 的 我 們 就 從 外 觀 形 狀 開 始, 而 不 是 主 要 行 程 差 速 器 機 構 的 齒 輪 大 小 下 手, 這 樣 嚴 重 的 一 個 問 題 直 到 我 們 完 成 了 第 一 次 的 模 型 之 後 才 發 現, 而 前 前 後 後 又 在 沒 有 透 徹 差 速 器 運 動 原 理 的 情 況 下 反 覆 的 做 出 了 很 多 的 失 敗 品, 也 浪 費 了 很 多 材 料 於 是 我 們 開 始 深 入 這 個 問 題, 發 現 我 們 總 是 想 到 什 麼 就 做 什 麼, 總 是 缺 乏 整 體 而 完 善 的 規 劃, 導 致 每 個 零 件 之 間 雖 然 能 夠 配 合, 但 卻 始 終 達 不 到 我 們 所 需 要 的 效 果 在 了 解 了 問 題 的 癥 結 後, 我 們 開 始 著 手 規 劃 一 部 能 配 合 能 做 出 我 們 所 需 要 效 果 的 的 指 南 車, 每 個 人 都 提 出 整 體 的 意 見 讓 我 們 的 運 作 能 夠 更 加 順 暢, 也 讓 我 們 能 在 很 有 限 的 時 間 內 有 效 率 的 完 成 了 我 們 的 作 品 雖 然 先 前 所 花 的 時 間 都 付 諸 流 水, 但 我 們 視 這 為 一 種 學 習, 學 習 著 從 錯 誤 中 吸 收 新 的 知 識 學 習 著 做 任 何 事 情 前 都 必 須 三 思 而 行 而 不 是 魯 莽 行 事, 也 從 中 瞭 解 團 隊 合 作 有 多 麼 的 重 要, 而 這 正 是 專 題 製 作 的 精 隨 所 在 - 8 -
肆 引 註 資 料 1. 3D 列 印 http://mic.iii.org.tw/aisp/reports/reportdetail_register.asp?docid=3028&rtype=freereport 2. 維 基 百 科 3D 列 印 https://zh.wikipedia.org/wiki/3d%e6%89%93%e5%8d%b0 3. 3D 列 印 的 發 展 現 況 http://ejournal.stpi.narl.org.tw/nsc_index/journal/ej0001/10311/10311-04.pdf 4. 指 南 車 工 作 站 - 國 立 中 央 大 學 電 機 工 程 學 系 http://www.ee.ncu.edu.tw/~jechen/southpointing/ 5. 國 外 指 南 車 整 理 http://odts.de/southptr/ 6. 玩 具 物 理 學 http://www.hjjh.kh.edu.tw/toyphysics/ 7. 國 內 指 南 車 網 http://www2.kuas.edu.tw/prof/me04/www2/new_page_4.htm 8. 葉 倫 祝, 機 件 原 理 I, 全 華 圖 書 (2010) 9. 葉 倫 祝, 機 件 原 理 II, 全 華 圖 書 (2010) - 9 -