專利名稱：一種地月運轉模擬儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬地、月在模擬天球中運轉，來反應天文現象的教學與演示儀器。
目前，教地理天文知識或其他需說明地、月運轉規(guī)律時，只是簡單地勾劃其平面圖，或是簡單地用球比附其位置關系，使人難于理解，影響教學質量或演示效果。
本實用新型的目的是提供一種設計合理，演示形象，且能反應很多天體運動規(guī)律的演示儀。
本實用新型是通過以下技術方案實現的根據機械變速和轉動的原理，并地球在運轉中的固有特點，設計出該模擬儀由變速箱、套管傳動裝置，彎軸錐齒輪傳動裝置和模擬天球裝置四大部分組成。
變速箱是根據地球自轉一轉為1天，公轉一轉為365天，月轉一轉為30天的數據而設計它必須能變出速率為1∶1/365∶1/30的三種轉速，分別以A、B、C字母代替。其中A，是由外力作用于變速箱的原動軸上的8齒鏈輪，與下(套管)部份8齒鏈輪鏈通，同步傳動得到，即8∶8＝1；其中B是原動軸上的另一11齒圓柱直齒輪經三檔11∶73齒圓柱直齒輪變速后，轉上8齒鏈輪，與下(套管)部份10齒鏈輪鏈通得到，即B＝1/(73＋11)3×1/(10＋8)＝1/365.34276，但其速向與鄰相反，須間裝一只11齒圓柱直齒輪返正統(tǒng)一；其中C，是利用B變速中的兩檔11∶73齒圓柱直齒輪變速后，轉上12齒鏈輪，與下(套管)部份8齒鏈輪鏈通而得，即C＝1/(73＋11)2×1/(8÷12)＝1/29.360877。這三速、變速箱應以C、A、B排列輸出。
套管傳動裝置是用大、中、小三根圓管同心套在一起恰能各自旋轉構成。它的一端，內、中管都裝8齒鏈輪，外管裝10齒鏈輪，依次與變速箱接成C、A、B集成同心旋轉，并由外至內變速位成B、A、C排列。它的另一端，外管裝公轉臂，接B為B1，進行公轉，內、中管都裝皮帶盤，接A、C為A1、C1，繼續(xù)傳動。
彎軸錐齒輪傳動裝置前述公轉臂的一端已受B1，可以公轉了?，F將它的另一端打孔裝上已打有自轉軸孔的錐齒輪襯套，這襯套外，再裝上內外兩只同體制有皮帶盤的先動錐齒輪，其皮帶盤用松緊皮帶[注]連通A1、C1成A2、C2，再用一根一端水平，另一端上翹23°26′的彎軸，其水平端穿過襯套孔至公轉臂另側，裝上垂砣，使彎軸另一端始終上翹，作地球自轉軸。并在此軸上，裝上內外兩只后動錐齒輪，與A2、C2齒合成A3、C3進而在內組錐齒輪末端裝上模擬地球，接受A3，進行自轉。在外組錐齒輪末端，用一拓出月轉軌道的金屬絲，裝上模擬月球，接受C3進行月轉。
模擬天球裝置是視天球模擬制作在一個實球體上的裝置，它的內向標有赤經和赤緯作坐標網，還標出了主要星座、銀河、南北天極和黃道的投影點，還在赤緯O°處分成南北兩半天球，演示時可打開分述，并在此圈口上，裝有節(jié)氣和月份的分度圈。
另用兩根較硬的電線，從套管裝鏈輪端穿進，到裝皮帶盤端拉出，拉到地球公轉軌道面圓心處，裝上小燈泡，使其發(fā)亮，作模擬太陽。
以上部件，經組裝后，使模擬地球與月球在模擬天球中運轉，襯托默契，能反應很多天文現象。環(huán)皮帶盤因A1、C1處的兩皮帶，各同時接受自轉(N代替)和公轉(M代替)兩速的轉動。現將這兩轉動的性質分析如下
π為圓周率，D為皮帶盤直徑。
通過分析，獲悉這是兩種性質各異而又混在一處的轉動。這使驅動被動皮帶盤C2的順利自轉與公轉造成麻煩。前述用松緊皮帶，雖可自然由松向緊處調節(jié)，特別對A1處皮帶，這里因N對M的比僅0.274％之微，容易滑進，是可行的(經試可行)，但對C1處的皮帶，因兩比值較大(8.219％)，難于滑進，故設計環(huán)皮帶盤。
環(huán)皮帶盤由盤芯、盤環(huán)和卡體組成。盤芯是皮帶盤的芯部，中心與套管組合，外周制有一側凹肩榫，把另一側凹肩榫及其基部車削成陷缺狀。盤環(huán)是一個環(huán)體，外周制有皮帶槽，內周制有凸肩榫，這凸肩榫剛好與盤芯的一側凹肩榫吻合。卡件就是盤芯另一側凹肩的分制件，它的基部打有4個小孔，裝配時填平盤芯缺陷部，并使兩凹肩卡住盤環(huán)的凸肩，然后用4小螺絲與盤芯螺合，并用其松緊程度來調節(jié)盤芯與盤環(huán)接觸處的磨擦力。這磨擦力必須調得剛好大于后面?zhèn)鲃泳€上所有觸處磨擦力的總和，使盤芯能吃住盤環(huán)同轉，但當B大于這磨擦力時，盤環(huán)又會抗住這磨擦力，沿盤芯滑進，進行公轉。(也可采用增加這段上C的轉速，也即縮小M/N的比值，順利促使被動皮帶盤C2的自轉與公轉后，再利用C1和C2兩皮帶盤的直徑比來還原C速的辦法也能解決)。
把上述部件組裝后，以北半天球為例，把模擬地球的球心校正在夏至點，即赤徑18h和6h的連線上，模擬地球就座落在天蝎座和蛇夫座區(qū)。打亮小燈泡、模擬地球背燈光(陽光)的一面是黑夜，向燈光的一面(受光面)是白天。球上的“人”，白天看到“太陽”在赤徑6h的金牛座和獵戶座，其中金牛座是視太陽經過的星座。太陽一年視經過十二個星座，俗稱黃道十二宮，其經過的視軌跡叫黃道。首先形象說明。這時驅動手柄，“地球”開始自轉與公轉。
當球上的“人”，轉到晝夜鄰界線后，進入黃昏，室女座、牧夫座、北冕座和北斗星早已掛在夜空。繼續(xù)搖轉手柄，球上的“人”漸漸進入午夜，前述星座已相繼被地平線淹沒，而蛇夫座、天琴座、天鷹座和天鵝座已相繼來到天頂，銀河也移至北極星的東面。呈南北走向。繼續(xù)轉動手柄，進入深夜，飛馬座、仙后座、雙魚座和白羊座相繼東來，接著紅日(小燈泡)東升，星星被“陽”光一掃而光。這就是“地球”自轉的演示。
對公轉的演示，首先得說明一個道理太陽向四周發(fā)光，可以理解為是無限個光圈球疊包太陽的結果。地心所處的光圈球面是地球晝夜分界面。由于地球自轉軸是傾斜的，所以它與晝夜分界面以球心為頂點產生正負相對的兩夾角。這兩夾角是隨公轉的進行而變化的，也是出現四季變化的原因所在。
夏至，由于自轉軸的投影與赤徑18h重合，自轉軸與晝夜分界面以球心為頂點的夾角最大，使北極偏進光球內，成了全白天、南極卻偏出光球外、成了全黑夜。同理，赤道也南偏，使北緯23°26′成了陽光直射線。這些，當模擬地球校正在夏至點，就能反應出來。
搖轉手柄，“地球”開始公轉卻軌道不變，自轉軸形狀也不變，那勢必是自轉軸與晝夜分界面(光球面)的夾角變，到秋分變得最小。
當“地球”搖到秋分點時，南北極與晝夜分界面重合，夾角為0°，赤道也回到太陽直射點，晝夜持平。但人們卻把這看成是太陽南移，慣北緯23°26稱為北回歸線。秋分后，地球自轉軸與晝夜分界面的夾角開始負變大。
冬至，負夾角最大，南極偏入晝夜分界面，成了全白天，北極相反。赤道北移，使南緯23°26′成了“陽”光直射線，南半球白天長，受光多，而北半球卻是日短夜長的冬天。冬至到春分，負夾角變小。
春分，南北極與晝夜分界面又重合，夾角為0°，晝夜又持平，赤道北移至太陽直射點，把南緯23°26′叫作南回歸線。春分后，夾角開始正變大。
從夏至到夏至、“地球”公轉一周，叫作一回歸年，但陽歷是1月1日作為同歸年的起點，本儀器也可以校正到此點開始。
對月球的校正是根據陰歷的，是十五的話，“地球”在“月球”與“太陽”之間，校成一直線；是三十的話，“月球”在“地球”與“太陽”之間，也校成一直線；初八二十三的話，“月”、“地”以“太陽”為頂點呈直角三角形、兩者的區(qū)別是初八的月亮(上弦)是半夜下山，而二十三的月亮(下弦)是半夜上山，以此類推，校正正確。
校正后，轉動手柄，“地”、“月”繞“太陽”運轉時，三者位置角的變化基本與實相符。致于月食與日食，因三者太近，難于演示，但能說月食只能在十五、十六才有可能發(fā)生，日食只能在三十、初一有可能發(fā)生的形象道理。
本實用新型結構完善，地、月轉速基本與實相符，運轉中，能反映星星、銀道、黃道在一天中和一年中是如何變化的，四季是如何產生的，月亮為什么會產生盈虧和日食、月食是如何發(fā)生的等等現象，總之它能反應地球帶著人，在空中運轉時所看到天文現象的影象感受。


圖1為地月運轉儀的機構示意圖。
圖2為變速箱齒輪變速示意圖。
圖3為公轉臂、彎軸、垂砣結構示意圖。
圖4為模擬北天球示意圖。
圖5為支架示意圖。
圖6為演示說明圖。
圖7為環(huán)皮帶盤示意圖。
如
圖1所示，由手柄1驅動變速箱2，套管傳動裝置4。套管傳動裝置是由三根管子同心套在一起恰能各自旋轉構成。它的一端，內、中管都裝8齒鏈輪，外管裝10齒鏈輪，依次與變速箱的各鏈輪3鏈通成C、A、B集成同心旋轉，并由外至內，變速位為B、A、C排列。它的另一端，外管裝公轉臂5，接B為B1進行公轉，中、內管都裝皮帶盤，接A、C為A1、C1，寄后傳動。用一根一端水平，另一端上翹23°26′的彎軸6，將其水平端穿進齒輪襯套孔，至公轉臂另側裝上用鉛之類比重大的材料制成的垂砣7，使彎軸另一端始終上翹。然后在襯套外裝上同體制有皮帶盤的內、外兩只先動錐齒輪9和10。其皮帶盤用松緊皮帶8分別與A1、C1連通成A2、C2，然后在彎軸上翹端裝上內外兩只后動錐齒輪9和10，與A2、C2齒合成A3、C3，進而在內組錐齒輪末端裝上模擬地球15，接A3，進行自轉，在外組錐齒輪末端用一拓寬月轉軌道的金屬絲，裝上模擬月球16，接C3進行月轉。再用兩根較硬的電線11，從套管鏈輪端穿進，到公轉臂端拉出，拉到“地球”公轉軌道面圓心處裝上小燈泡，作模擬太陽14，以上裝置，都組裝在以0°處劈開，并在此圈口上制有節(jié)氣、月份分度圈13的模擬北半天球12中運轉，配合默契，能反應很多天文現象。
如圖2所示為齒輪變速示意圖。圖中手柄軸上裝有鏈輪O與11齒圓柱直齒輪α其O鏈接A，都是8齒鏈輪，傳動同步，即A＝8∶8＝1；其α齒合73齒圓柱直齒輪β、再由β同體11齒圓柱直齒輪βΔ齒合73齒圓柱直齒輪y，再由y、同體11齒圓柱直齒輪(經齒合返向11齒圓柱直齒輪F)齒合73齒圓住直齒輪δ，進而由δ同體8齒鏈輪鏈接10齒鏈輪B，即B＝1/(73÷11)3×1/(10÷8)＝1/365.34276；其中C是利用B變速中經兩檔11∶73齒的y處，再由y同體分支出12齒鏈輪y2鏈接8齒鏈輪C，即C＝1/(73÷11)2×1/(8÷12)＝1/29.360877。它們的關系是1/30∶1∶1/365＝C∶A∶B。C代表月轉速，A代表自轉速，B代表公轉速。
如圖3所示，公轉臂5的一端與套管裝接成B1，另一端有齒輪襯套，再把彎軸6水平端穿過襯套孔至公轉臂的另一側裝上垂砣7。這垂砣需用鉛之類比重大的材料制作，保持下垂，使彎軸上翹端始終上翹。
如圖4所示，把天球設計成一個模擬天球實體，標記出天象的視投影點，圖4為北半天球的示意圖，它是一個以赤緯0°處劈開的半球體，內向標有赤經和赤緯作為坐標網，標出了主要星座、銀道、北天極和黃道的視投影點，還在赤緯0°的圈口上，裝有節(jié)氣和月份的分度圈。這些標記與裝置都設計得與裝在其中的模擬地月球運轉時，襯托默契，能反應很多天文現象。
如圖5所示，用支架把變速箱1，套管裝置2，公轉臂3，模擬北半天球4，彎軸5和地月陽6(其他部件圖中從略)等全部固定一體，以供演示。
如圖6所示，把模擬地球1的球心校正在模擬北半天球中的夏至點，即赤徑18h至6h的連線上，打亮小燈泡，“地球”顯出明暗各半，明為白天，暗為黑，夜，這里被理解為是通過球心的陽光球面8所造成的，也叫晝夜分界面，夏至，它與自轉軸形成以球心為頂點，以明處為正15，以暗處為負16的23°26＇兩夾角。這時，明顯看出“地球”北極10偏進光球面，自轉時成了全白天，南極9卻偏出光球面，成了全黑夜。同理，赤道17也南偏，使北緯23°26′成了陽光直射線，人們把這叫作北回歸線11。
驅動手柄，“地球”進行自轉與公轉，球上的“人”6，經過晝夜鄰界線5(光球面)進入黃昏，室女座、北斗星等早已掛在夜空。繼續(xù)轉動手柄，球上的人隨著夜深，前述星座已相繼西沉，而天琴座、天鵝座已來到天頂，進而寶瓶座、飛馬座也相繼東來，接著“紅日”東升，球上的人經過夜晝鄰界線7，進入白天，看到太陽在金牛座，從而了解黃道是如何產生的。
搖到秋分時的地球2，南北極與晝夜分界面(光球面)重合14，夾角為0°，赤道也回到太陽直射點，晝夜持平。
搖到冬至時的地球3，南極偏入光球面13，成了全白天，北極相反；赤道北移，使南緯23°26＇成了陽光直射點，人們把這叫南回歸線12。
搖到春分時的地球4，南北極又與晝夜分界面重合，夾角為0°，赤道也回到太陽直射點，晝夜持平。
如圖7所示、環(huán)皮帶盤是由盤芯1，盤環(huán)2，卡件4和4只小螺絲3構成。盤芯心部與套管5組合，外周制有一側凹肩榫7。盤環(huán)是個環(huán)體外周制有皮帶槽6、內周制有凸肩榫7?？耐庵苤朴辛硪粋劝技玳?，其基部打有4個小螺孔，組裝后剛好能卡住盤環(huán)的凸肩，然后用4只小螺絲與盤芯螺合，并用其松緊程度來調節(jié)盤芯與盤環(huán)的接觸處的磨擦力。
權利要求1.一種地月運轉模擬儀，其特征在于其結構由變速箱，套管傳動裝置、彎軸錐齒輪傳動裝置和模擬天球裝置四大部分構成。
2.如權利要求1所述的地月轉模擬儀，其特征在于其變速箱通過一外力轉動軸與若干個鏈輪鏈條，圓柱直齒輪變速成速率比為1∶1/365∶1/30的A、B、C三速；其中A是由轉動軸與其上的8齒鏈輪和下部分的8齒鏈輪鏈條連通，使運轉同步，即8∶8＝1得到；B由轉動軸與其上的另一11齒圓柱直齒輪，經三檔11∶73齒圓柱直齒輪后，轉上8齒鏈輪與下部分10齒鏈輪鏈條連通而得，即B＝1/(73÷11)3×1/(10÷8)＝1/365.34726；C是采取與B變速的兩檔11∶73齒圓柱直輪共用后，再分支12齒鏈輪與下部分8齒鏈輪鏈接所得，即C＝1/(73÷11)2×1/(8÷12)＝1/29.360877。
3.如權利要求1所述的地月運轉模擬儀，其特征在于套管傳動裝置是用大中小三根圓管同圓心套在一起恰能各自旋轉構成，它的接變速箱的一端，內管和中管都裝8齒鏈輪，外管裝10齒鏈輪，分別連通變速箱變出的C、A、B三速，使C、A、B變?yōu)锽1、A1、C1，并集成同心旋轉，套管傳動裝置的另一端，外管接公轉臂，直接B1進行公轉，中管和內管都裝皮帶盤，繼續(xù)傳遞A1、C1。
4.如權利要求1所述的地月運轉模擬儀，其特征在于彎軸錐齒輪傳動裝置的公轉臂的另一端設有齒輪襯套，在襯套外裝下內外兩只帶皮帶盤的前動錐齒輪，用皮帶連通A1，C1至A2、C2，同一根一端水平，另一端向上彎轉成23°26′的彎軸穿過襯套孔，其水平端下垂一垂砣，使彎軸傾斜端始終上翹，作自轉軸，并裝上內，外兩只后動錐齒輪，齒連A2、C2至A3、C3，在內組錐齒輪末端裝上模擬地球，接受A3進行自轉，在外組錐齒輪末端裝上模擬月球，接受C3進行月轉。
5.如權利要求1所述的地月運轉模擬儀，其特征在于其模擬天球裝置把天體設計成一個與裝在其中的模擬地球和月球運轉時襯托默契的球體，它的內向劃有赤經和赤緯作坐標網，標出了主要星座、北南天極、銀道和黃道的視投影點，還在赤緯0°處的圈口上，裝有節(jié)氣和月份的分度圈。
專利摘要一種模擬地球、月亮運轉及天體運動的教學及演示儀器，主要結構由變速箱，套管傳動裝置，彎軸推齒輪傳動裝置和模擬天球裝置四大部分構成，其變速箱通過若干個圓柱直齒輪，鏈輪鏈條變速，傳動出速率比為1∶1/365∶1/30的A、B、C三速，經大、中、小三根同心套接的套管傳動裝置和內設裝垂砣的向上彎轉成23°26′角的彎軸的前后動錐齒輪的彎軸錐齒輪傳動裝置傳速成B
文檔編號G09B27/00GK2354200SQ9821431
公開日1999年12月15日 申請日期1998年5月16日 優(yōu)先權日1998年5月16日
發(fā)明者孫志高 申請人:孫志高