穿越了！ 2400年前齒輪已經轉動

記者張向陽

西安白鹿原上的霸陵，是西漢文帝劉恆的陵寢，這裏曾經出土一件極具穿越感的青銅齒輪。說起齒輪，人們最容易聯想到工業和機械，它是大機器時代的標誌與象徵，然而，諸多考古遺址出土的齒輪，卻改變了人們這一認知：早在兩千多年前，與齒輪有關的機械已經廣泛應用到生產生活的各個方面。

東周王城的戰國棘輪

西安霸陵漢文帝劉恆墓中出土的這件漢代青銅齒輪，製作精細，齒輪表面平滑，中間爲圓孔，排列規整，鋸齒分佈均勻，極有穿越感，讓考古人員歎爲觀止，很難想象這是手工業時代製造的產品。

其實，這還不是最早的青銅齒輪，據考古學家研究，早在戰國時期，我國就已經開始使用齒輪了。洛陽博物館珍藏的青銅齒輪就是戰國時期的產品。這件青銅器1976年出土於洛陽東周王城戰國糧倉遺址，距今已有2300多年的歷史，雖然這件文物年代久遠，但是製作工藝非常精湛。它是目前考古發現最早製作並使用、具有制動功能的棘輪裝置。

這套青銅機械構件由齒輪、鉤卡組成，機械學上叫做棘輪、棘爪。棘輪爲圓形，分佈40個斜齒，齒距均勻，中間方孔，輪徑4.2釐米、方孔邊長2.5釐米；棘爪呈弓狀，一端有用來安裝圓軸的圓孔，另一端有鉤爪，背部有小圓鼻，長5.9釐米。考古人員認爲，二者配搭完全吻合，顯然是機械上相當精密的制動零件——棘輪機構。棘輪的實際作用是一經轉動，便不能再倒回，可在水車、轆轤、原始吊車等機具上用於制動。比如，在吊取重物時，需要手搖捲筒和棘輪配合使用，在吊運途中可以停車休息或防止事故，是具有典型結構的齒輪傳動機件。

作爲一種低速傳動的機械構件，棘輪機構有其精準的工作原理和機械構件，說明先民在長期實踐中已經掌握了滑輪、齒輪等的性能或力學原理，製成了用來提舉、搬運重物的簡單機械。

考古人員認爲，青銅齒輪構件雖然出土於戰國晚期的糧窖廢棄層中，但這隻能證明戰國晚期僅爲青銅構件的廢棄年代，而不是它的製作年代與使用年代，實際“年齡”應該更早。

晉國遺址的齒輪陶範

山西侯馬東周晉國鑄銅遺址，年代爲春秋中期偏晚到戰國早期（公元前600年—前380年）。這裏出土陶範、陶模達十餘萬件，完整或者成套的近千件，陶範器型有容器類、樂器類、工具類、兵器類、車馬器類等。

令人驚奇的是，這裏發現了成套的齒輪陶範，有不同規格的4套，齒輪8個齒，中間有孔，這是迄今所知最早的齒輪陶範。戰國時期金屬冶鑄技術的進步，爲較複雜、較精密的機械構件的鑄造提供了前提，這些陶範說明在至少2400年前，已經開始生產齒輪了。

新中國成立以前，也曾發現過西漢古齒輪範。著名甲骨文學者羅振玉在所著《雪堂所藏古器物圖說》中載:“古機輪土範一，有文字曰東二。以書勢考之，乃西漢之物”。這件“古機輪土範”殘件，復原後爲十六齒，齒呈斜形，應該是製作棘輪的陶範，現保存在瀋陽博物館。

在山西省博物館珍藏着上世紀50年代在永濟縣薛家崖遺址出土的秦漢齒輪，包括幾種不同形式的齒輪。值得注意的是，同時還出土了幾件同現代汽車輪上的滾珠架一樣的東西，這是一種銅質的環形槽子，內分四或八格，格中都有鐵粒的殘餘。有學者研究認爲，這是中國最古老的具有現代滾動軸承結構雛形的軸承，在中國古籍中，關於車軸軸承的構造早有記載，這說明中國是世界上較早發明滾動軸承的國家之一。一千多年後的13世紀，元代科學家郭守敬主持改革曆法，需要進行精確的天文觀測，爲減少固定的百刻環與遊旋的赤道環之間的摩擦阻力，他在兩環之間安裝了4個小圓柱體，這種結構與近代滾柱軸承的原理相同。

考古資料顯示，在銀川兵溝漢墓曾出土秦漢青銅齒輪構件；l956年陝西長安洪慶村漢墓出土了人字形齒輪2件，器身中間各有一個方孔，通體刻有凹進去的人字形齒紋，兩輪都爲26齒，兩個齒輪並在一起，可以磨擦行動，說明當時已經懂得了用齒輪傳動力。寧夏鹽池縣出土了兩件漢代人字形銅齒輪。在現代機械傳動系統中，人字齒輪具有承載能力高、傳動平穩和軸向載荷小等優點，這些出土文物反映了較高的工藝水平。

湖南省博物館珍藏着衡陽出土的一套東漢青銅齒輪裝置。齒輪分別有25齒、20齒、12齒三種，當時出土的三件齒輪黏合在一起,似乎能互相扣接，疑爲一種離合裝置的齒輪結構，代表了漢代製作精密構件的水平。

除此之外，江蘇邗江楊壽鄉漢墓出土了3組人字紋的銅“齒輪”及鎖形器，該文物齒輪有6件3組，第一組26齒，第二組41齒，第三組44齒，每組有主動輪、被動輪，齒爲“人”字狀，咬合緊密。鎖形器略呈長方體，底方上圓。研究人員推測這可能是漢代的銅“密碼鎖”。

午汲古城的鐵質棘輪

除了青銅材質的齒輪，還有大量鐵質齒輪在考古中陸續被發現。位於河北邯鄲武安市的午汲古城是一座自春秋、戰國至東漢時代的古城遺址，遺址發掘中出土了許多戰國時期的鐵器。上世紀50年代，考古人員對一座戰國至漢代的灰坑進行了清理發掘，出土了一批鐵質的生產工具，其中最重要的是出土了一隻殘缺的鐵質“棘齒輪”。

這件棘齒輪是用單模鑄成的，一面平，一面略凸，表面鏽蝕程度不太嚴重，與同時出土的其他鐵器比較，質料較爲精良。武安由於富產鐵礦，戰國時冶鐵業就非常興盛，這是目前國內發現最早的鐵質齒輪。

漢代的冶煉設備有了較大改進，擴大了高爐的容積，提高了爐溫；還使用了耐火材料和鼓風裝置，動力設施即鼓風技術有了改進發展。工藝上，在前代工藝基礎上發展了退火技術，自主發明了新工藝，像炒鋼和百鍊鋼都是當時位居世界前列的冶煉工藝。由於冶煉技術的提高，鑄造工藝的改善，產品能夠成批生產，生產效率提高，促進了鐵器的普及。在保定壁陽城址發掘中，也出土了漢代單模鐵齒輪；河南鄭州博物館有直徑7.0釐米、厚1.2釐米的十六齒棘輪；洛陽文物考古研究院也珍藏有出土的漢代鐵質齒輪；上世紀80年代，在西安千戶村也出土了漢代鐵質棘輪。

陝西曾經出土多件漢代鐵質齒輪，有研究人員進行了梳理。僅在上世紀六七十年代，在陝西禮泉縣、蘭田、岐山、華陰、長武、永壽等縣，就出土了6批漢代鐵齒輪共17件。1964年，在禮泉縣，出土1件16齒齒輪，孔爲正方形，齒呈斜形；1972年，岐山出土了3件西漢鐵齒輪，均爲正方形孔，共16齒，齒呈斜形，同時有一批鐵穿出土，有六棱八棱圓形等種類；在長武縣出土8件鐵齒輪，均爲正方形孔，其中7件爲16齒，齒呈斜形，一件爲48齒，爲直齒；永壽縣發現西漢鐵齒輪3件，一件爲直齒，有48齒，另兩件爲斜齒，16齒；華陰也出土了鐵齒輪一對，都是16齒，齒呈斜形。這些齒輪不但數量多，而且分佈地區廣泛，有利於研究古代機械的發展歷程。

研究發現，17件齒輪中，2件是48個直齒的正齒輪，在齒輪上可以看到齧合磨損痕跡，在機械工程中被稱作傳動齒輪，有兩個以上組合在一起的可以組成齒輪系。另外15件，都是16齒的“棘輪”。研究人員還注意到，這6批出土的齒輪雖然出土地各不相同，但其大小形制是統一的，通徑、厚度相差甚微，尤其是棘輪。可見，西漢時齒輪和棘輪的製造，一定有統一的規格。西漢自武帝開始鹽鐵官營，全國重要產鐵地區都設有鐵官，所冶鑄器物都有統一的規格和標準。

衆多考古資料可以說明，至少在漢代時期，齒輪就已經分爲很多種類了，輪齒有直齒、斜齒、人字齒，說明齒輪製造已經多樣化，並廣泛應用在生產生活的很多領域。

澠池鐵器遺址的軸承

漢魏之際出土的文物中，也發現了早期工業文明中的齒輪和軸承。1974年春,在河南澠池出土一批窖藏的漢魏至北朝的鐵器，共六十餘種，四千餘件。其中一件鐵齒輪，周邊16個斜齒，有4個斜齒因爲磨損殘缺較重，圓心部位有方孔，應該是一件棘輪。

澠池遺址還出土了480件鐵質軸承，包括六角軸承、圓軸承和凹字形軸承三種。其中最多的六角軸承有445件，這種軸承徑長每相差0.5釐米成爲一種規格，共有17種規格，軸孔上可見不同程度的磨損痕跡；圓形承32件，軸孔已磨損，可分爲大、中、小3型。大型外面鑄有3個等距離的子榫，中、小型外面鑄有兩個等對稱的子榫；凹字形軸承3件，外面鑄有子榫，軸孔呈半圓形，內壁有磨損痕跡。

考古人員認爲，澠池鐵器顯示了早期的產品規格化和系列化：不同作坊生產的軸承，器型相同，化學成分也很相近，同一產品還有不同規格，反映出當時使用機械的多樣性，以及產品的規格化、系列化。軸承是當時車輛和各種機械的重要零件，應用廣泛，磨損後需要及時更換，因而需要相應的統一規格，纔能有效地進行生產和分配。從秦始皇統一中國，實行“車同軌”和統一度衡，到漢魏時期產品規格化的出現，完全是符合規律的歷史發展。

此外，研究人員對其中32號六角軸承金屬組織進行了分析檢驗，發現其最外層爲硬度高，但韌性較差、耐磨性較好的白口鑄鐵，中間爲麻口鑄鐵，內部爲耐磨性好的灰口鑄鐵，這是因爲在鑄造時使用了鐵範，鑄件層和內層冷卻的速度不同而形成，從而使內層有了較好的耐磨性能。