棘轮轴承穿越了！ 2400年前齿轮已经转动|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

穿越了！ 2400年前齿轮已经转动

记者张向阳

西安白鹿原上的霸陵，是西汉文帝刘恒的陵寝，这里曾经出土一件极具穿越感的青铜齿轮。说起齿轮，人们最容易联想到工业和机械，它是大机器时代的标志与象征，然而，诸多考古遗址出土的齿轮，却改变了人们这一认知：早在两千多年前，与齿轮有关的机械已经广泛应用到生产生活的各个方面。

东周王城的战国棘轮

西安霸陵汉文帝刘恒墓中出土的这件汉代青铜齿轮，制作精细，齿轮表面平滑，中间为圆孔，排列规整，锯齿分布均匀，极有穿越感，让考古人员叹为观止，很难想象这是手工业时代制造的产品。

其实，这还不是最早的青铜齿轮，据考古学家研究，早在战国时期，我国就已经开始使用齿轮了。洛阳博物馆珍藏的青铜齿轮就是战国时期的产品。这件青铜器1976年出土于洛阳东周王城战国粮仓遗址，距今已有2300多年的历史，虽然这件文物年代久远，但是制作工艺非常精湛。它是目前考古发现最早制作并使用、具有制动功能的棘轮装置。

这套青铜机械构件由齿轮、钩卡组成，机械学上叫做棘轮、棘爪。棘轮为圆形，分布40个斜齿，齿距均匀，中间方孔，轮径4.2厘米、方孔边长2.5厘米；棘爪呈弓状，一端有用来安装圆轴的圆孔，另一端有钩爪，背部有小圆鼻，长5.9厘米。考古人员认为，二者配搭完全吻合，显然是机械上相当精密的制动零件——棘轮机构。棘轮的实际作用是一经转动，便不能再倒回，可在水车、辘轳、原始吊车等机具上用于制动。比如，在吊取重物时，需要手摇卷筒和棘轮配合使用，在吊运途中可以停车休息或防止事故，是具有典型结构的齿轮传动机件。

作为一种低速传动的机械构件，棘轮机构有其精准的工作原理和机械构件，说明先民在长期实践中已经掌握了滑轮、齿轮等的性能或力学原理，制成了用来提举、搬运重物的简单机械。

考古人员认为，青铜齿轮构件虽然出土于战国晚期的粮窖废弃层中，但这只能证明战国晚期仅为青铜构件的废弃年代，而不是它的制作年代与使用年代，实际“年龄”应该更早。

晋国遗址的齿轮陶范

山西侯马东周晋国铸铜遗址，年代为春秋中期偏晚到战国早期（公元前600年—前380年）。这里出土陶范、陶模达十余万件，完整或者成套的近千件，陶范器型有容器类、乐器类、工具类、兵器类、车马器类等。

令人惊奇的是，这里发现了成套的齿轮陶范，有不同规格的4套，齿轮8个齿，中间有孔，这是迄今所知最早的齿轮陶范。战国时期金属冶铸技术的进步，为较复杂、较精密的机械构件的铸造提供了前提，这些陶范说明在至少2400年前，已经开始生产齿轮了。

新中国成立以前，也曾发现过西汉古齿轮范。著名甲骨文学者罗振玉在所著《雪堂所藏古器物图说》中载:“古机轮土范一，有文字曰东二。以书势考之，乃西汉之物”。这件“古机轮土范”残件，复原后为十六齿，齿呈斜形，应该是制作棘轮的陶范，现保存在沈阳博物馆。

在山西省博物馆珍藏着上世纪50年代在永济县薛家崖遗址出土的秦汉齿轮，包括几种不同形式的齿轮。值得注意的是，同时还出土了几件同现代汽车轮上的滚珠架一样的东西，这是一种铜质的环形槽子，内分四或八格，格中都有铁粒的残余。有学者研究认为，这是中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承，在中国古籍中，关于车轴轴承的构造早有记载，这说明中国是世界上较早发明滚动轴承的国家之一。一千多年后的13世纪，元代科学家郭守敬主持改革历法，需要进行精确的天文观测，为减少固定的百刻环与游旋的赤道环之间的摩擦阻力，他在两环之间安装了4个小圆柱体，这种结构与近代滚柱轴承的原理相同。

考古资料显示，在银川兵沟汉墓曾出土秦汉青铜齿轮构件；l956年陕西长安洪庆村汉墓出土了人字形齿轮2件，器身中间各有一个方孔，通体刻有凹进去的人字形齿纹，两轮都为26齿，两个齿轮并在一起，可以磨擦行动，说明当时已经懂得了用齿轮传动力。宁夏盐池县出土了两件汉代人字形铜齿轮。在现代机械传动系统中，人字齿轮具有承载能力高、传动平稳和轴向载荷小等优点，这些出土文物反映了较高的工艺水平。

湖南省博物馆珍藏着衡阳出土的一套东汉青铜齿轮装置。齿轮分别有25齿、20齿、12齿三种，当时出土的三件齿轮黏合在一起,似乎能互相扣接，疑为一种离合装置的齿轮结构，代表了汉代制作精密构件的水平。

除此之外，江苏邗江杨寿乡汉墓出土了3组人字纹的铜“齿轮”及锁形器，该文物齿轮有6件3组，第一组26齿，第二组41齿，第三组44齿，每组有主动轮、被动轮，齿为“人”字状，咬合紧密。锁形器略呈长方体，底方上圆。研究人员推测这可能是汉代的铜“密码锁”。

午汲古城的铁质棘轮

除了青铜材质的齿轮，还有大量铁质齿轮在考古中陆续被发现。位于河北邯郸武安市的午汲古城是一座自春秋、战国至东汉时代的古城遗址，遗址发掘中出土了许多战国时期的铁器。上世纪50年代，考古人员对一座战国至汉代的灰坑进行了清理发掘，出土了一批铁质的生产工具，其中最重要的是出土了一只残缺的铁质“棘齿轮”。

这件棘齿轮是用单模铸成的，一面平，一面略凸，表面锈蚀程度不太严重，与同时出土的其他铁器比较，质料较为精良。武安由于富产铁矿，战国时冶铁业就非常兴盛，这是目前国内发现最早的铁质齿轮。

汉代的冶炼设备有了较大改进，扩大了高炉的容积，提高了炉温；还使用了耐火材料和鼓风装置，动力设施即鼓风技术有了改进发展。工艺上，在前代工艺基础上发展了退火技术，自主发明了新工艺，像炒钢和百炼钢都是当时位居世界前列的冶炼工艺。由于冶炼技术的提高，铸造工艺的改善，产品能够成批生产，生产效率提高，促进了铁器的普及。在保定壁阳城址发掘中，也出土了汉代单模铁齿轮；河南郑州博物馆有直径7.0厘米、厚1.2厘米的十六齿棘轮；洛阳文物考古研究院也珍藏有出土的汉代铁质齿轮；上世纪80年代，在西安千户村也出土了汉代铁质棘轮。

陕西曾经出土多件汉代铁质齿轮，有研究人员进行了梳理。仅在上世纪六七十年代，在陕西礼泉县、兰田、岐山、华阴、长武、永寿等县，就出土了6批汉代铁齿轮共17件。1964年，在礼泉县，出土1件16齿齿轮，孔为正方形，齿呈斜形；1972年，岐山出土了3件西汉铁齿轮，均为正方形孔，共16齿，齿呈斜形，同时有一批铁穿出土，有六棱八棱圆形等种类；在长武县出土8件铁齿轮，均为正方形孔，其中7件为16齿，齿呈斜形，一件为48齿，为直齿；永寿县发现西汉铁齿轮3件，一件为直齿，有48齿，另两件为斜齿，16齿；华阴也出土了铁齿轮一对，都是16齿，齿呈斜形。这些齿轮不但数量多，而且分布地区广泛，有利于研究古代机械的发展历程。

研究发现，17件齿轮中，2件是48个直齿的正齿轮，在齿轮上可以看到啮合磨损痕迹，在机械工程中被称作传动齿轮，有两个以上组合在一起的可以组成齿轮系。另外15件，都是16齿的“棘轮”。研究人员还注意到，这6批出土的齿轮虽然出土地各不相同，但其大小形制是统一的，通径、厚度相差甚微，尤其是棘轮。可见，西汉时齿轮和棘轮的制造，一定有统一的规格。西汉自武帝开始盐铁官营，全国重要产铁地区都设有铁官，所冶铸器物都有统一的规格和标准。

众多考古资料可以说明，至少在汉代时期，齿轮就已经分为很多种类了，轮齿有直齿、斜齿、人字齿，说明齿轮制造已经多样化，并广泛应用在生产生活的很多领域。

渑池铁器遗址的轴承

汉魏之际出土的文物中，也发现了早期工业文明中的齿轮和轴承。1974年春,在河南渑池出土一批窖藏的汉魏至北朝的铁器，共六十余种，四千余件。其中一件铁齿轮，周边16个斜齿，有4个斜齿因为磨损残缺较重，圆心部位有方孔，应该是一件棘轮。

渑池遗址还出土了480件铁质轴承，包括六角轴承、圆轴承和凹字形轴承三种。其中最多的六角轴承有445件，这种轴承径长每相差0.5厘米成为一种规格，共有17种规格，轴孔上可见不同程度的磨损痕迹；圆形承32件，轴孔已磨损，可分为大、中、小3型。大型外面铸有3个等距离的子榫，中、小型外面铸有两个等对称的子榫；凹字形轴承3件，外面铸有子榫，轴孔呈半圆形，内壁有磨损痕迹。

考古人员认为，渑池铁器显示了早期的产品规格化和系列化：不同作坊生产的轴承，器型相同，化学成分也很相近，同一产品还有不同规格，反映出当时使用机械的多样性，以及产品的规格化、系列化。轴承是当时车辆和各种机械的重要零件，应用广泛，磨损后需要及时更换，因而需要相应的统一规格，才能有效地进行生产和分配。从秦始皇统一中国，实行“车同轨”和统一度衡，到汉魏时期产品规格化的出现，完全是符合规律的历史发展。

此外，研究人员对其中32号六角轴承金属组织进行了分析检验，发现其最外层为硬度高，但韧性较差、耐磨性较好的白口铸铁，中间为麻口铸铁，内部为耐磨性好的灰口铸铁，这是因为在铸造时使用了铁范，铸件层和内层冷却的速度不同而形成，从而使内层有了较好的耐磨性能。

虽然在古代文献中难以见到关于齿轮的专门记载，但是应用齿轮的机械装置和设备却有相应记录。像古籍中记载的记里鼓车和指南车、计时器漏壶等，这些仪器设备均需要齿轮。从战国到汉魏时期诸多铜、铁齿轮、轴承的出土，为研究古代工程技术的发展提供了宝贵的实物资料。

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真的是艺高人胆大，作为一对全碳外壳的花鼓，竟敢用这样的设计

大家好，欢迎大家收看新一期的单车基械匠。

十多年来，ENVE都一直在把大部分的经历都投入在碳纤维轮框上，并且和业界最负盛名的花鼓制造商合作，把最好的碳纤维轮组提供给世界各地的骑手。

这次ENVE全新设计的花鼓引入，巩固了ENVE从轮框制造商到轮毂制造商的转型，并把他们的车轮性能提高到了一个新的高度。

右侧为一代，左侧为二代

虽然，这不是ENVE的首款公路车花鼓，但是新的碳纤维公路车花鼓却是他们第一个从内部到外部都100%属于自己的技术的产品。而上一代的花鼓上，内部的棘轮结构是来自于DT SWISS的，这一代则是来自于母公司Mavic最新的ID360离合机构。这使得他们能够把更多的经历放在花鼓壳体的设计上。虽然第一代的碳纤维花鼓已经实现了轻量，坚固，可靠的目标，但是也并非没有缺点。

最新的ENVE碳纤维花鼓以其上一代的优势为基础，通过最细微的调整，以及依赖自己公司的离合机构，来解决和改进上一代产品上的不足。

花鼓外壳

虽然在花鼓壳体上使用碳纤维并不是什么新鲜事儿。但是，如果是把壳体和法兰盘都用碳纤维制造，并且不增加重量和损失性能就是另一回事儿了。

通常情况下，大部分的制造商都选择使用碳纤维制造花鼓的中段，作为两侧法兰盘的连接件。这种结构最终的目的就是为了减重。并且往往在减重过程中，还要平衡法兰盘在减重中的影响，并有可能在减重过程中去牺牲掉一部分花鼓的几何形状。

相反，如果从花鼓中心到法兰盘全部都使用碳纤维设计，则可以更容易的获得更好的几何形状，并保持轻量化。

比如下边的这个例子：

ENVE碳纤维花鼓的重量为252g，法兰盘直径为55mm。竞品DT180采用碳纤维/铝合金的混合花鼓壳体，中联为283g，法兰盘直径为45mm。

ENVE之所以可以使用全碳纤维材料的花鼓，要得益于他们的专利模压辐条孔的技术。在了解这项技术之前，我们先来科普一点碳纤维的知识，这会有助于理解。对于ENVE来说，用碳纤维制造他们的花鼓的主要在于碳纤维独特的拉伸强度（在张力下承载负荷的能力），轻量，韧性好，并且能够根据最终产品的要求进行调整。考虑到以上这些优点，碳纤维就成了在轮框和花鼓中支撑辐条的理想材料。需要注意的是，为了发挥碳纤维的所有性能，纤维丝就必须不间断的存在。如果纤维丝被切断，那么就消除了纤维的拉伸性能。而不间断的碳纤维就是模压辐条孔的技术关键。

圆形代表花鼓孔/辐条孔，线条代表碳纤维丝

这和ENVE在轮框上使用的技术一样，碳纤维花鼓法兰盘上的每一个孔都是模压成型的。这项技术可以在减轻重量的同时，创造出强度非常高的辐条孔。和第一代碳纤维花鼓相比，新的碳纤维花鼓上的辐条孔强度提高了14%，可以承受平均258公斤的拉力。

除了上边的模压辐条孔技术以外，在辐条孔的直径和宽度上也得到了细化，是辐条头/花鼓法兰交叉处的抗疲劳程度提高了67%。这一数据提了可靠性，让车手使用时充满信心。花鼓被设计使用J型辐条，因为这不仅可以提供更可靠的车轮结构，同时在辐条断裂时，也更容易获得。最后，为了进一步减重，多余部分的材料被去除，最终形成ENVE上熟悉的扇形法兰盘。

花鼓几何形状

车轮的复杂性往往会被低估。首先，你的轮框必须要轻，还要能够承受住胎压和辐条以及车手的重量，道路的冲击，并且气动性能还要好。考虑到种种原因的世界上最优秀的轮框，如果使用了一个设计平庸的花鼓，法兰间距，几何形状由此被破坏的话，那么也只能产生一个平庸的轮组。

所以，基于以上原因，ENVE通过重新设计几何形状，来增强ENVE轮组在路感，加速，冲刺，摇车，转弯等多维度的性能。

以下是轮鼓几何结构经过改进后超越其他竞争对手的方法，并提升了完整ENVE车轮的性能。

上图表格中的第一列为法兰盘直径，然后第二列蓝色部分为杠杆臂长度。第三列红色部分为切线角度，最后一列为法兰盘面积。在这里ENVE虽然具有最大的法兰盘直径，但是因为去掉了多余部分，所以面积并不是最大的。

这一代上的辐条孔采用成对设计，通过这样的设计，可以创建他们的称之为虚拟3X的辐条编制方式，以改善辐条和轮框的相切性。

轴心，轴承等

在ENVE对市场做出的调查中，大部分的人都把可靠性放在了第一位。ENVE凭借自己的技术积累，把碳纤维外壳做到最轻，最坚固。这可以让花鼓内部的部件也更加耐用，而其他人则需要增加重量换取耐用性或者牺牲掉耐用性。

在ENVE的花鼓上，使用了10mm的前轴和17mm的后轴。更粗大的后轴可以让弯曲更少，提供传动效率，并有助于延长轴承寿命。在前轮上，10mm的轴心采用不锈钢顶盖，以确保耐用性和使用寿命。

和上边平庸的花鼓会降低轮框的性能同理，如果一个需要高维护或者表现不佳的轴承，也同样会影响到一对好的花鼓。在这一代的花鼓上，ENVE使用了不锈钢轴承。熟悉ENVE碳纤维花鼓的人都知道它使用了陶瓷轴承。虽然陶瓷轴承能够提供更低的滚动阻力，但这主要是通过使用非接触式轴承密封件来实现的，该密封件消除了轴承座圈和其密封件之间的摩擦。虽然目前很快，但是这种轴承设计很容易被污染，如果不能保持干净，那么在一次恶劣天气条件下的骑行，轴承的性能就会受到影响。

所以，在新一代的花鼓上使用不锈钢轴承，实际上是一种在效率和可靠性方面的升级。为了实现可靠性和效率的平衡，在轴承暴露的地方使用了接触式轴承密封圈，而在不暴露的内部轴承面上则使用非接触式的轴承密封。

在测试中，不锈钢轴承的滚动非常平顺，比最好的陶瓷轴承的使用寿命长达数千公里。此外，不锈钢还可以有更好的抗腐蚀性，比传统的轴承更加耐用多年。

完美预载

轴承间隙大多是由于轴承的预载量不足或过于宽松的公差所造成。基本上，花鼓外壳，轴心，轴承，需要紧密结合在一起，以便没有游隙和阻力。有几种常见的方法可以做到这一点。第一个是基本的堆叠，DT Swiss就是一个例子。通过这种设计，可以将所有部件压在一起，设计的公差可以提供所需的性能。这种方法需要精密加工，以确保一切都“正确堆叠”。正如DT所证明的那样，这种设计可以工作，但随着时间的推移，堆叠中的小缺陷会因轴承疲劳和性能下降而放大。

DT花鼓上的堆叠预载

管理轴承预载的一种更常见和宽容的方法是：设计具有可调节轴承预载机构的花鼓，如锁环。这是一种经过验证的管理轴承预载的方法，但并非没有缺陷。首先，如果您需要调整轴承预加载，您将需要一个工具，并且它通常不是一个那么容易获得的尺寸。如果你就此放弃调节轴承间隙，那么你有可能会永久性地损坏花鼓，这会导致昂贵的维修费用，或者失去更多的性能。另一个问题是过度拧紧预压环。如果过度拧紧，那么就没有了轴承间隙，这会增加轴承的阻力，从而降低效率并消耗更多的体力。

Vision花鼓上的轴承预压环，也是非常常见的方式

对于ENVE来说，Perfect Preload™则是他们认为最好的是解决方案。

Perfect Preload™可以让预压环在轴承上保持最佳的预压量，从而延长花鼓的使用寿命。轴承预载通过校准的波形垫圈和卡环实现。波形垫圈位于轴承和安装在轴上的卡环之间。该系统可产生一致且动态的预载量设置，从而消除轴承倾斜，并且无需车手调整预载量。由于预加载经过优化和固定，轴承性能最大化，有效减少了轴承过早磨损。

塔基离合机构

在开发新一代花鼓时，“同类最佳”的性能指标一直是贯彻到底的设计理念，而其中的驱动系统则设定了整个产品的基调。新一代的碳纤维花鼓采用40t棘轮结构，仅需9度就完成一次咬合，在响应性和长期可靠性之间取得了良好的平衡。在测试中，当棘轮齿数齿数大于40时，可靠性会以指数方式降低。

ENVE研究和测试了从棘爪到棘轮式系统的设计，并最终决定采用棘轮式系统，原因与减重，效率，可靠性和骑乘反馈有关。此外，ENVE棘轮设计也最大限度地减少了系统中小部件的数量，主要机构由：驱动棘轮，花鼓内的棘轮和单个弹簧组成。棘轮式设计可最大限度地减轻重量，提高可靠性，乘坐测试者也更喜欢这样的设计的和声音。