1、NAVIGATION航海13脚踏明轮船传动机构研究（下）脚踏明轮船传动机构研究（下）兼论千里江山图里没有“脚踏船”兼论千里江山图里没有“脚踏船”文/中国造船工程学会船史委 沈毅敏1 1958 年,脚踏船的“复活”1958 年，在中国历史上是一个打上“大跃进”标志的特殊年份。在当时，脚踏明轮船打着“木帆船半机械化”的旗号粉墨登场，某些管理机关甚至发文进行推广。但是用劳动力的脚踏来代替摇橹或撑篙等，毕竟还是用一种繁重的体力劳动来代替另一种繁重的体力劳动，再加上一些自身固有的缺点，这种换汤不换药的游戏终究是昙花一现。但从我们研究造船史的特殊角度，也可以从这个特殊年份所诞生的一些个案中，通过了解我们民
2、族在这个领域的一些思维方式，来探寻我们祖先曾经走过的轨迹。1.1 直接驱动，垂直提升型图 1 方案 A 直接驱动型方案叶轮直径为 1 800 mm，桨叶板数量为 6 块，长度为550 mm，宽度为 300 mm，脚蹬为 2 组，每组 4 个，直径为300 mm，如图 1 所示。点评：这个方案有着显著的缺点：一则，操作人员面向后方，无法看到船的前方，所以需要另外安排掌舵者；二则，操作者离开水面较近，难免被水花打湿。1.2 齿轮传动，垂直提升型如图 2 所示：大齿轮：33 牙，直径为 340 mm小齿轮：20 牙，直径为 220 mm脚蹬：2 组，每组 4 个，直径为 500 mm叶轮：直径为 1
3、 200 mm桨叶板：每组 8 个，尺寸为 250 mm220 mm图 2 方案 B 齿轮传动垂直提升型1.3 齿轮传动倾斜调整型 图 3 方案 C齿轮传动倾斜调整型如图 3 所示：大齿轮：34 牙，直径为 600 mm小齿轮：17 牙，直径为 300 mm脚蹬：2 组，每组 4 个，直径为 600 mm叶轮：直径为 1 420 mm桨叶板：每组 6 个，尺寸为 380 mm260 mm1.4 小 结（1）在以上 3 个方案中，叶轮的高低均可以调整。一则适应不同载重情况，二则在驶帆的情况下，可以把桨轮升高离开水面以减少阻力。NAVIGATION航海14The Culture of Naviga
4、tion文化博览（2）方案 B 和 C 加上齿轮传动的目的，一则改变操作者的站位，使其面向船头并兼掌舵；二则采用齿轮可以使得叶轮加速到原来转速的1.5 2倍，这样可以减小叶轮的直径。（3）由于构造复杂易损坏，且易于被水草缠绕，所以，到了 20 世纪 60 年代在农村就只看到摇橹撑篙了。（4）当我们了解了前辈们在 1958 年建造脚踏明轮船时对于齿轮传动的应用，看看方案 B 和 C（如图 2、图 3 所示），回过头来再仔细琢磨笔者在前文里把capstan翻译为“驱动轴”，就可以理解了吧？（5）今天，我们回顾在 1958 年所发生技术上的骚动，应该体谅到当时之所以会出现企图复活脚踏明轮船的努力是因
5、为存在有一些客观的历史背景：运力紧张的形势，迫切希望在运输技术有所进步。但其时已经有少数木帆船用上了机械动力，仅仅由于成本和物资供应原因无法推广。而开了眼界的群众对于复活脚踏明轮船这种所谓“半机械化”改革不感兴趣也是必然的，因为这并没有把他们从繁重的体力劳动中解放出来。（6）复活脚踏明轮船的努力，除了个案增加了一些现代因素例如使用了滚珠轴承和（从纺织机械上拆下来的）链条传动，但这些元素由于物资供应原因没能成为主流，所以在整体上还是停留在几十年前甚至百年前的固有水平。（7）这个古老船型“回光返照”的过程，从技术逻辑上似乎也再现了我们祖先在脚踏明轮船曾经走过的道路，为我们研究脚踏明轮船的传动机构提
6、供了线索。2 相关技术的历史溯源行文到此，主要引用的都是近几十年乃至上百年的资料，似乎难以支撑从晋朝所开创的脚踏明轮船的历史。下面我们将从中国机械发明史的角度来探讨一下其内在的规律。2.1 船用桨的演变史人类最初使用独木舟是顺着水流漂行的，如果要改变航向或者逆流而行，就要用手去划水。后来，人类发明了桨，这是人类手臂的延长，而且效率得到了显著的提高。河姆渡船桨是我国已发现的最早船桨。河姆渡船桨，长 63 cm，宽 12.2 cm，厚 2.1 cm。桨柄和桨叶用整块木料制成，其连接处刻有花纹。于 1977 年在浙江省余姚河姆渡出土，距今约有 7 000 年历史。到了春秋战国及秦汉两朝，随着水军舟师
7、的发展，促进了船桨外形上定型化和大型化，桨叶面积在不断加大，用桨的规模也逐渐变大，由原来的一舟二桨，发展为“一舟桨叠层”，就是用上下两排桨。而后，在船用桨的进化发展过程中，根据不同的用途需要，其类型发生了多种多样的变化。其中有 3 种变化方向值得我们加以关注：（1）操纵桨桨的变形，如“梢”和“招”等，用来控制船的航行方向，类似于现代船用的“侧推螺旋桨”。（2）橹在摆动中来回做功，提高了推进效率，即所谓“一橹抵三桨”。（3）轮桨就是把桨叶装在轮子周边，这就可以使船桨从原来间歇的直线往复运动，变为连续的圆周旋转运动。而且可以由多人同时操作，这就极大地提高了船的推进效率和速度，而且进退自如，机动灵活
8、。这对战船来说，无疑是一次重要的革新。2.2 连杆机构应用的历史中国古代对于连杆机构的应用有许多实例，这里仅举一例卧轮水排,如图 4 所示。水排是一种水力鼓风机械。其原动力为水力，通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动，用来带动风箱，供吹炭冶铁。关于水排的记载，最早见于东观汉记后汉书等文献：“冶铁者为排以吹炭，今激水以鼓之也。”图 4 水排图 2.3 齿轮机构应用的历史据专家考证：中国齿轮发明的确切年代目前还不清楚，根据文物和文献资料来看，可以推定发明年代当不晚于汉代，也就是说至少已有 2 200 年的历史。按照用途分类，可以分为传递运动和传递动力 2 种。前者主要用于指南车和里程表等
9、一类仪器，而后者则主要用于畜力、水力和风力为动力的某些农业机械，如灌溉机械和农副产品的加工机械。这类齿轮要求有较高的强度，尺寸较大。而这类齿轮的出现可能稍晚一些，在汉代的文献资料中未见记载。由于这类齿轮基本上都是木质，难以长期留存，所以在出土文物中难以见到。NAVIGATION航海15晋代开始出现的“连磨”，是一种用一头牛同时带动 8个磨的粮食加工机械。嵇含的八磨赋载:“外兄刘景宣作为磨，奇巧特异，策一牛之任，转八磨之重巨轮内达八部外连。”王祯农书称这种机械为“连磨”，并说它是晋代杜预发明的。农书不但载有连磨图形(如图 5 所示)，而且还有较详细的说明:“连磨，连转磨也。其制中置巨轮，轮轴上贯
10、架木，下承铸臼。复于轮之周围，列绕八磨。轮辐适与各磨木齿相间。一牛拽转，则八磨随轮辐俱转。”它的动力传递，是通过齿轮传动机构实现的。由牛带动立轴转动，轴上装一带齿的巨轮，通过巨轮带动 8 个磨的齿轮，使 8 个磨同时工作。图 5 连磨3 传统水车的历史我们常把脚踏明轮船和中国传统的脚踏水车联系起来，这是很自然的联想。因为脚踏驱动的机械，最常见的就是水车了。中国传统脚踏水车，即通常所称的“翻车”和“龙骨水车”，是一种能从江湖河塘中持续提水的农业机具。在中国南方种植水稻的地区，水车更是每家必备的大型农具。人们用它进行水田管理和抗旱排涝，实现增产减灾。据考证，传统水车为东汉末年毕岚创制、三国马钧改良
11、，到了唐宋时期，水车在中国南方水乡大显身手，为南方水稻经济的发展发挥了重要作用。传统水车在促进农业经济发展的同时，自身也不断发展与完善，具有以下几个特点：一是产生时间早。距今至少有一千八九百年，比西方水车早 1 500 年。二是种类繁多，形制复杂，动力多样。有人力的手摇水车（如图 6 所示）和脚踏水车（如图 7 所示）；还有畜力（如图 8、图 9 所示）、水力和风力驱动的水车。三是应用地域广泛，不仅在中国的南方和北方，还远传海外。图 6 手摇水车（俗称“拔车”）图 7 脚踏水车图 8 上置齿轮式牛拉水车NAVIGATION航海16The Culture of Navigation文化博览 图
12、9 下置齿轮式牛拉水车传统水车内部结构复杂，制作工艺难度大，它体现了古代劳动人民的智慧，内含深刻的古代中国人的设计思想，即构思精巧，因地制宜。通过对传统水车结构原理和材料工艺的解剖和分析，可以进行举一反三的推广应用。所以，和脚踏水车极其相似的脚踏桨叶船在晋朝出现，到了唐宋时期得到大规模的推广使用也就是顺理成章的。从机械发展史的角度来看，水车结构复杂，既有链条传动，曲柄连杆传动机构（手摇水车）;也有齿轮传动机构（畜力、水力和风力驱动的水车），可谓是集古代机械发明之大成的综合机械。4 脚踏船的“人机”匹配现代设计讲究“人机工程学”，现代船舶动力装置设计也要考虑“机桨匹配”。而古人造船凭的是经验，也
13、就是在实践中总结经验，在实践中淘汰落后。但是，靠经验来改进提高取得某些进步，往往受到许多局限，从而步履维艰，有时还难以得到满意的结果。今天的我们，当然不能做事后诸葛亮而去苛求古人，但我们可以用现代的眼光来审视前人走过的道路，从中总结出一些有益的经验和教训来。（1）轮船是一个由“人传动机构轮桨船”组成的系统。其中，人是主体，也就是以人为动力来进行工作的，人的体力是驱动船舶运动能量的来源。从前文我们提到中国传统水车的情况来看，人力驱动机器的常用工作方式有手摇式、坐姿脚踏式、站立脚踏式,其中站立脚踏式能有效地利用操作者的整个体重来做动力,也不容易疲劳。（2）脚踏驱动是人轮流用双脚踩动驱动轴上的脚蹬，
14、所以，脚蹬的设置，一定要和人体机能和操作习惯相适应。从 1958 年的统计来看，人的步频一般在每分钟 70 85 步，步幅为 50 60 cm 为宜。图 10 和表 1 显示了在 n 个脚蹬条件下，有效力臂 r 和跨距 h 的变化情况。夹角 =360/2n有效力臂 r=（Cos1）R跨距 h=2sinR跨距 h=2SinR图 10 脚蹬分布示意图（3）从表 1 中可以看到，在 3 个脚蹬的情况下，有效力臂偏小，而跨距偏大（图 11），而随着脚蹬数增大时，有效力臂也随之增加而跨距减小。从实践来看，因为兼顾了有效力臂与步幅 2 个指标，所以，脚蹬数以圆周分布 4 6个为宜。图 7 和视频截图（图
15、11）显示的都是 3 个脚蹬。而且视频显示，在 3 个脚蹬情况下，水手从低位脚蹬往高位脚蹬跨越的步幅较大，也比较吃力。也正因如此，前文所举 表 1 在 n 个脚蹬条件下，有效力臂 r 和跨距 h 的变化情况序号No.脚蹬数n（度）有效力臂 rr=（Cos1）R跨距 hh=2SinR设定步频（次/min）驱动轴转速（转/min）1360(0.5 1)R1.732R8026.72445(0.707 1)R1.414R80203630(0.866 1)RR8013.34822.5(0.924 1)R0.766R8010NAVIGATION航海17的许多例子都是 4 个脚蹬，说明这和加工制作以及使用中
16、的习惯相匹配。脚踏船的设计必须考虑适应人的生理机能和操作习惯，才能兼顾航速和持久地工作。（4）通过对于在圆周分布 3 8 个脚蹬的理论分析和实践事例，证明使用 4 个脚蹬是最佳选择。（5）脚踏驱动明脚踏船的传动方式，大致有直接传动和机构传动两类，前者就是脚踏轴就是叶轮轴，而后者则是脚踏轴的动力通过传动机构传输给叶轮轴。（6）直接传动，也就是说它的脚踏轴就是叶轮轴。这适用于诸如武汉理工大学所复原的 23 轮车轮舟那样的大船。甚至可以考虑左右两舷的轮桨分别由不同驱动轴来带动，这样两舷的轮桨既可以作同向旋转，也可以做反向旋转，而使得船在原地转向甚至掉头。（7）间接传动则可能在齿轮、皮带、链条、连杆等几种传动式中进行选择。其中，皮带传动容易打滑，手工加工也无法获得精密的链轮和链条，因而无法保证高效平稳的传动。（8）桨叶轮上叶片可以是径向布置（图 2 和图 3），也可以是轴向布置（图 1），而且后者效率较高。（9）桨叶轮直径的选取必须合理，过小的话影响船速，过大则欲速则不达，因为水手过于疲劳而难以持久操作；且底部不宜超过船底，否则容易损坏。下面用表 2 把前文提到不同方案的叶轮进行比较，前提是它
