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。