主题:【原创】关于古代车辆车轴与实用金属关系的讨论 -- ziyun2015
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  • 家园 【原创】关于古代车辆车轴与实用金属关系的讨论

    在erha兄《中国历史教授/老师的问题》一楼下,我和桥上兄、月兄、e兄、海兄等河友,关于古代车辆车轴与实用金属关系,进行了几天的讨论。现将新看到的一些文章,以及个人的思考,做一个总结,请大家多多指教:

    我先提出:“没有实用金属解决车辆车轴的问题,就不会有实用车辆的产生”。桥上兄提出过去车轴都是木头的,月兄说用金属只是加强了车轴。接受月兄的意见,我前文的表达应该修正为:只有用实用金属加强过的木车轴,才能制造出实用的车辆。

    我这个观点现在找到五篇文章支持:

    1、军事博物馆王文《战车与车战》

    http://www.jb.mil.cn/yjcz_2226/gbtg/201707/t20170720_35548_2.html

    2、《考工记》古代独輈马车主要元件的设计机械设计

    http://maps.pme.nthu.edu.tw/web_maps/PDF/PUBLICATION-TEXT/014.pdf

    3、中国古代为什么没有四轮马车而西方却有?

    http://www.manyanu.com/new/a4b9b1916c114bcca26052708161dc8c

    4、月兄提供的古代埃及马车“the Egyptian chariot had a metal covering for the axes”

    5、外国专家成功复制中国古代战车

    https://www.sohu.com/a/207072778_335714

    第一篇文章提到:中国古车上“在毂内装釭,轴上装锏。车轮转动时,木轴、木毂间有金属件釭和锏垫着,不直接接触,从而减小磨损”。又提到“河北满城汉墓出土的一枚铁锏曾经金相考察,属珠光体基的灰口铸铁,具有较高的耐磨性和较小的摩擦阻力,既能起到防护作用并有利于运转。同时,中国古车还在轴上施用润滑油膏,见《诗?邶风?泉水》及《左传?襄公三十一年》、《哀公三年》。在光滑的釭、锏中施用油膏后,行车时更为轻快。故《吴子?治兵篇》说:“膏锏有余,则车轻人。””

    我曾请教月兄:吴起只提到锏,没有提到釭,是否先有锏?后有釭?月兄的意见是“难说”,我想了想,也的确是得不出逻辑唯一的答案。

    第二篇是台湾清华大学动力机械两位作者所作,他们设计的車穀是木质的,有釭和锏作为“金属轴承”,他们说明“《考工记》中并无这些小零件(釭、锏)的设计,是后人考证及出土文物相互印证,才得知有这类零件存在于古独輈車中“。看得出,他们从机械设计的角度,认为必须有釭和锏才能满足车轴的实用性能。

    遗憾的是此文没有说明“考证”的出处,以及“出土文物”的出处。而且,他们也说釭按《说文》的说法,是“車穀中铁也“,铁是战国后才普及的,因此他们认为西周初的《考工记》没有记载釭,是因为这个原因。

    针对1-2篇,桥上兄推荐一篇浙江大学历史教授龚缨晏的文章《车子的演进与传播—兼论中国古代马车的起源问题》,列举了很多中亚、欧洲出土木轮、木轴的例子。匿名兄还给予了一张图片,大概就是龚文中瑞士出土的带轴的木轮。

    桥上兄还指出商周目前发掘的车马坑,似乎没有釭锏的出土报告。

    第三篇,本来主要是论述为什么中国采用两轮马车、牛车而不去用四轮车,作者认为不是造不出来,而是两轮车比四轮车有优越的性能。不过在后面,文章也提到了:“两轮车要求轮子非常结实,车轴非常结实,强度至少是四轮车的两倍,车下面还要有至少两根非常结实的”梁“。。。这需要榫卯结构把小料拼成大料,需要冶金和金属加工的部件来强化车轴和车大梁”。

    第四篇,则是月兄帮助找到关于古代埃及战车,外国研究文章说“the Egyptian chariot had a metal covering for the axes”。

    月兄虽然开头就指出我的观点欠缺之处,但是还能在讨论中坦荡给出能支持我观点的线索文章,高风亮节,实在让我感佩。在此再次感谢月兄。

    第五篇,是两个英国人测量中国出土的车马坑中的数据,然后按照古法,制造了一辆古代战车。这个比台湾清华仅仅是机械设计、而没有具体制造出来,是大大前进了一步。不仅如此,两个英国人还驾驶这辆中国古代战车,对车辆性能(速度、转弯、稳定、驾驭等),还有车上的长戈、弓箭使用,进行了实测,最后甚至还有此战车和骑马弓兵(模拟草原骑兵)的对抗试验。

    曾与普鲁兄谈到历史也能做一些实验,此即为一个很好的例子。

    对我们讨论问题最重要的,是此文中提到:“然而,木质的轮轴毕竟强度有限,在木质的轮轴之外需要加上许多的青铜部件。这些部件不仅起到增加轮轴强度的作用,更能起到装饰、体现身份的作用。”

    并且,在車穀外侧的铜(青铜)套件安装的动图中,安装后可以很明显看到车轴上有一个金属套管(metal covering for the axes),显然就是锏。

    点看全图

    见动图,冒烟及戴手套,应该是加热+胶,把錧/钏与木质車穀固定在一起。

    这样,就把我问月兄锏先釭后的问题,甚至桥上兄的问题解决了:在战国铁釭之前,锏是和車穀的錧以及钏,相匹配的。也就是说,錧和钏就是后来的釭!

    至于锏,则有可能因为长期埋在地下,木头化为泥土后,锏和錧、钏锈在一起了?

    由于外面有花纹,所以我查到的以台湾故宫博物院吴晓筠为代表的文章,是进把錧、钏当成了车穀的装饰。

    我也看了桥上兄给我推荐的龚教授的那篇文章,龚教授在其中也提到了“有学者写道:“根据中外考古学家的意见,认为车辆的产生是在公元前2000年至800年之间的青铜时代。””——这种观点和我的观点基本相同。

    不过龚教授完全不接受这种观点,即有了实用金属,才会有实用的车辆。龚教授认可西方学者发表的、证明车辆最早产生于欧洲中亚的证据:岩画(至今不能准确确认时间)、轮子模型(看起来像是陶轮轴)、泥车模型、车辙,以及出土的榫卯组合的轮子、一体转动的木轴等。龚教授不认可中国发现的陶轮、传说(黄帝、奚仲造车)、二里头的车辙,等等。龚教授认可:甚至欧洲造车比中亚还早。

    这种分歧,契合了我在erha兄楼下的那个想法:历史学专业的应该学一点儿理工,用实验看看出土的证据能不能成立:

    1、比如,在没有青铜刀斧的情况下,仅用石器骨器,看能不能做出那几个瑞士、德国出土的榫卯组合的车轮。

    2、看看用石器骨器,无论是销凿还是研磨能做出来的瑞士还是德国哪儿的木车轴,装在那种实木车轮上,当负载3、5百公斤的载重时,看看能在荒野的土地上走多远而不磨坏。(工具加工硬度与车轴被加工硬度的匹配)

    3、还有就是真做出一辆四轮的、轮轴一体的牛车,载重300-500公斤后,看看在土地上能不能转弯。

    请河友给出意见和批评。

    通宝推:铁手,多余6569,牧云郎,epimetheus,北纬42度,燕人,
    主题:4664639
    • 家园 不知到动图是否能显示

      点看全图

      帖:4665859 复 4664639
      • 家园 看起来GIF格式的图显示不出来
        帖:4665860 复 4665859
    • 家园 贴孙机先生的总结

      点看全图

      外链图片需谨慎,可能会被源头改

      通宝推:阴霾信仰,epimetheus,
      帖:4664926 复 4664639
      • 家园 车轴的力学分析

        楼主和桥上等网友讨论古代车轴和可能的材料,我个人认为步骤太快了。我想从力学角度分析一下。这些都是20多年前学的,万一记忆错误还请大家指正。

        记得当年学理论力学,材料力学和机械设计,我们一般是三步走。第一步是受力分析,第二步是应力计算,第三步根据应力计算的结果确定材料和设计,其中第二和第三步可以循环迭代。具体到古代车子都依靠人力或畜力驱动,没有发动机,所以车轴是不传递扭矩的轴,英语是axle,而现代汽车的驱动轴传递扭矩,英语是shaft。很明显现代驱动轴承受的载荷更大,属于弯矩和扭矩叠加在一起的复合载荷,这样的载荷对轴的具体要求是内韧外刚,经过调质处理,并表面硬化的中碳钢是最好。

        在排除驱动轴之后,还有两种办法把车轮和车身连接在一起。其一是车身下部固定一个梁,在梁的两头套上轴承,车轮套在轴承上。这样梁和车身固定连接,车轮在梁上转。这种情况,车梁因为不转动,所以只受静止的弯矩,基本上就是梁的上半部受压应力,下半部受拉应力,鉴于木头受压比受拉能力强,对梁的下半部加强就好了。其二是车轮固定在车轴上,车轴通过轴承固定在车身上,车轴相对于车身转动,但是车轴和车轮间无相对转动。这种情况车轴主要承受变化的弯矩,也就承受变应力具体到车轴的某一点,它转到上方的时候受压应力,下方的时候受拉应力,中间位置时由弯矩产生的应力是零。变应力比静应力对材料的要求高,所以车轴的材料应该比车梁的要求高。当然这两种解决方案都用到轴承,轴承的受力也类似。

        通宝推:桥上,
        帖:4665484 复 4664926
        • 家园 我咋觉得车轴和车轮连接的地方应该是剪力控制泥

          既然你说轮在梁上转,我的理解车轴就是伸出来那一点。把整个梁简化为简支的话,这个位置应该是剪切控制。

          至于轴承,滚动轴承当时技术做不到,滑动轴承,那么低的速度根本无法形成油膜。这就涉及到润滑力学的范畴了

          另外,材料力学和机械设计之间还有一门机械原理。不过古代的车,用不着机械原理的知识。🤣😂

          帖:4665600 复 4665484
          • 家园 首先要搞清楚是车轴还是车梁

            如果是车梁,确实考虑轴承的受力是重点,主要是剪应力。如果是车轴的话,轴承处的剪应力要考虑,车轴由弯矩引起的拉压变引力也要考虑。

            当年学机械设计之前确实要先学机械原理。记得学机械原理后的课程设计题目是设计计算曲柄连杆机构,机械设计的课程设计是设计轴承。

            其实轴承这东西挺好玩的,低转速,低要求的场合用滑动轴承,高速但是承重不是太大的用滚动轴承,到高速高载荷的时候有用回滑动轴承。发电设备几十上百吨的转子都用滑动轴承。

            帖:4665629 复 4665600
            • 家园 滑动轴承才是高科技,当年用N-S方程算油膜内压

              算得死去活来。当然,算齿轮润滑就更变态了,幽默内压基本和金属弹性模量一个量级了,需要考虑齿轮的变形。

              俺们机械设计的课程设计是齿轮箱,包括轴承。当时印象最深的是,算一个齿轮怎么要校核那么多参数啊,除了强度、刚度、还要校核表面硬度,林林总总十几个参数。

              帖:4665674 复 4665629
              • 家园 我们也是设计齿轮箱

                记忆还是有问题。

                帖:4665718 复 4665674
                • 家园 老了,我们很快都要结束奔五了。

                  每次看你认认真真的样子,我都非常佩服。现在的西河,我做不到。

                  帖:4665817 复 4665718
        • 家园 其实双方讲不清的就是轴承和轴承发明前的轮轴承重摩擦部件

          木头轴承和类木头木头轴承需要左右上下固定,中间还有注入油脂类润滑剂的空间,于是就有了釭,锏,錧和钏等专用名词。普通人对这些名词还没理解清楚,就直接跳到金属和非金属,历史制作工艺等。和螺旋桨,喷气机原理都没讲,就讨论为什么喷气悬翼直升机被淘汰?于是直接跳到阴谋论。

          帖:4665594 复 4665484
          • 家园 我也认为轴承是关键

            但是他们的讨论老是围绕车轴,所以我就想办法来个力学分析。

            帖:4665630 复 4665594
        • 家园 这是专家来了,十分感谢

          我并不是搞机械的,所以基本是外行,也不敢多说什么。

          其实我只是想要说古代车轴和车毂有用木头的,还不少,至于有没有用金属的,我没见过,不敢说。

          对于清华的文章,也没看过全文,只能一般地说,如果一定要确定过去的车一定要用金属件,那至少要在两方面都站住脚,一方面是考古证据,我看不出来怎样能站住脚,但也说不好。一方面是理工科的试验,至少要用古人的材料和机构做出木头车和带金属件的车,经过试验证明木头车无法使用——这不等于金属件不优于木头件,好比金属件“摩托小时”(比喻)100,金属件200,就不等于木头件不存在或无法使用。何况还有其他因素,好比青铜在当时十分贵重,得来不易,这是有不少文献证据的,那么大规模用在车上,到底怎样。

          这里头还有个难点,真要试验,青铜虽然都是青铜,但也分很多种,其实木头也分很多种,这里头麻烦大了。

          总而言之,我是被扯进来的,本来只想提出得考虑考古证据,说有易说无难,真没那能力细细讨论,现在您这专家进来解惑,太感谢了。

          帖:4665572 复 4665484
          • 家园 我的意思相仿

            那就是有用木头的,而且是从先秦用到现代。并且试图说明,如果金属用的不好,反而更容易磨损车轴。还见过毂用铁皮,而不是用金属构件的。

            后面Z兄举出的明清马车,都是巨大构件,而且有完整的加固结构,和我见到的驴车、小车不一样。但是这里说的是先秦,不是一回事啊。

            帖:4665665 复 4665572
          • 家园 不敢当专家,这是机械工程师的专业基础课

            您太客气了,我看着大家讨论的好玩,也进来插几句话而已。这都是20多年前学的,忘了很多了。

            帖:4665578 复 4665572
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