日动式环仪和环仪钟

一种日动式环仪和一种环仪钟，同属于教学仪器技术领域，主要用于天文地理知识的教学中，也将用于日常工作生活中，分别用以演示全球各地任意时刻的日期、星空、光照情况和显示全球任一地点现时的昼夜、日期、光照、星空等情况。

在已有技术中，用来演示天文地理现象的仪器设备有地球运行仪、三球仪、天球仪、天象仪等。但已有仪器设备不仅有的作用单一，有的不能明确显示出天文地理现象的具体时刻、方位、数量，有的价格昂贵，且总的来说都不能直接明确显示出地球上任一地点所处节气时刻与可见星空、昼夜长短、太阳高度等的对应关系。为此本申请人发明了普及型环球日光星象仪，并获得94240564.1号专利。普及型环球日光星象仪，适于做为天文地理教学中演示全球各地可见星空，太阳光照周年周日变化的仪器，但其重心偏于一端，稳定性差、演示时占空间大，造价较高不适宜做为益智玩具观赏陈列品和服务于生活工作的日用品，随着国际交往的日益频繁和普及，人们更需要能自动随时显示全球各地时刻、日期、昼夜等情况的环仪钟。

本实用新型的目的在于提供一种既能演示全球各地时刻、日期、昼夜、太阳高度，可见星空、中天星时的周年和周日变化，又美观稳定，占面积小，造价更低，除适用于做教学仪器外，还适于做益智玩具，服务于生活工作的日用品及陈列观赏品的环仪，同时提供一种所显示内容与客观天文地理现象同步，地球向日面方向不变的环仪钟。

根据天文学和地理学的基本原理，结合甲物体绕乙物体转，与乙物体同面同向绕甲物体转所产生的两种物体间方位变化结果相同的道理，针对不同用途的需要，本实用新型的基本构思是：借鉴已有环球日光星象仪，加以补充改造，将用球体表示的天球、地球、太阳(以上合称三球)和以空心圆薄片表示的黄道圈，子午圈、晨昏圈、赤道圈、经线圈(以上合称五圈)组合在一起，做为显示因地球自转、公转使地球上产生阳光分布和星宿视位进行变化的部件，三球五圈的中心同在黄道面上，除太阳固定在黄道圈外边的一点外，其余二球五圈，圆心是同一个点。最外边是天球，最里面是地球，仪器用节气盘指示三球五圈显示现象所处节气(或说太阳黄经位置)，节器盘和仪器上主要的定位传动支撑部件的中心及天球中心连成一线，该线垂直于黄道面和仪器底面，仪器通过手捻或机械传动，使地球自转和太阳或地球、天球同步绕黄轴转进行演示。

本实用新型所述日动式环仪其特征在于除由表示地球的地球仪(以下各部件均直书所表示的事物名)太阳、天球、黄道圈、子午圈、晨昏圈、赤道圈、经线圈构成外，还由地向轴、地转轴、黄道架、天球架，显节盘、支撑架、底盘盒、上传动轮、下传动轮和附件量天尺构成。上述天球由两个半球组成，每个半球均自南黄极伸出球柄，球柄由转轴闩在天球架的架板内。上述地球和由空心圆薄片表示的上述五个圈，以及地转轴、地向轴上段的轴柱，中段的连接片、连接片上的上连动轮、黄道架上段的架弧，均装在上述天球内；地球位于天球中心，天球、地球和五个圈同圆心。上述的黄道架由黄道架弧和黄道架管组成，架弧位于天球内，架管由天球南黄极伸出，下端连着支撑架中层中心的齿轮。上述黄道圈，固定在黄道架弧上，上述子午圈由向日弧和背日弧组成，子午圈与黄道圈相交叉，相交线垂直于黄道圈与黄道架弧的相交线，向日弧和背日弧的中点骑在黄道圈上。上述展昏圈由晨弧和昏弧组成，两弧分别固定在子午圈的东面和西面，晨昏圈面垂直于子午圈与黄道圈相交线。上述经线圈由子弧和午弧组成，两弧北端相交处内侧有柱插在地球北极内，南端相交处有管插在子午圈下端的夹轴孔中。上述赤道圈与经线圈上子弧午弧相交线垂直，与两弧中点固定在一起。上述太阳以小灯管表示，固定在黄道圈与子午圈向日弧相交处的外侧。上述底盘盒底方形位于仪器最下面，其一侧有二个方孔，露出两个捻轮的各一部分。上述底盘盒盖顶部中心为空心园，空心园周围为隆起的上细下粗的梯形斜坡，坡的外侧面标有24节气名，底盘盒盖盖在底盘盒底上组成底盘盒，盒内固定着支持架。上述支撑架分为三层由四条螺丝柱固定为一体，架上顶托着8个下传动轮，其中心向上伸出盒外五条管柱。上述显节盘碟形，扣在底盘盖的隆起部分上，其坡边有30度的缺口，与其连为一体的转管，其下端与支撑架上层中心的齿轮为一体。上述天球架由下部插在显节盘转管内，下端固定于支撑架上层中心的中心管和固定于中心管两侧的架板组成，两块架板形状相同，每块架板左右对称，中心管两侧各有一个贯穿两侧架板的天球柄转轴，和一个天球起落口，天球起落口，起始于天球转轴正上方的上下口，接着上下口上端是以转轴为圆心的40°孤形口，天球起落口与天球柄上的竖口共同夹持着一根可在口中滑动的圆柱。上述地向轴、由轴柱、连片、和底管组成轴柱插在地转轴内，连片顶托着三个上传动轮，底管插过黄道架管，下端固定在支撑架中层中心。上述地转轴套在地向轴轴柱外中部穿过经线圈南极管的中心孔，上部与地球固定为一体，下端与以地向轴为中心轴的上传动轮固定为一体。上述上传动轮和下传动轮分别是三个弧形齿轮和8个正齿轮，弧形齿轮传动链两端齿轮的轴心相距地心角23.5°，正齿轮中位于支撑架中层外侧的一个和下层外侧的一个分别带有捻轮。

上述附件量天尺，由顺时针标有360度的地平圈和从两端向中心标0至90度的高度弧组成，弧的两端与圈上的90度和270度处垂直连接。

本实用新型所述环仪钟其特征在于，其由天球、太阳、子午圈、赤道圈、经线圈、晨昏圈、地球、地转轴、地向轴、黄道架、上传动轮、天球架、节气盘、支撑架、下传动轮、底盘盒盖、底盘盒底构成。上述天球架及其上面的部件，名称、构造、连接方式与在日动式环仪上相同，但上述天球架的中心管，下端与支撑架上层中心的齿轮固定在一起，上述黄道架架管的下端固定在支撑架上层的中心，上述地向轴的底管下端与支撑架中层中心上的齿轮固定在一起，上述底盘盒底槽状、底边正方形，位于仪器最底，上述支撑架固定在底盘盒底内，分三层擎托着13个下传动轮，中心向上擎着四条管柱——天球架的中心管、黄道架架管地向轴的底管和贯穿支撑架三层中心的上传动轮和下传动论的连动轴柱。上述节气盘碟形，碟口扣向支撑架斜边外侧逆时针顺序标有24节气名，中心固定在天球架中心管下部。上述底盘盖外围方形有下折边扣在底盘底上，中心为空心圆，空心圆周围有如节气盘形状相同的隆起，唯斜边上有30度的缺口，隆起扣在节气盘上面，上述上传动轮3个，下传动轮13个较日动式环仪上的齿轮特殊要求是上传动轮链两端齿轮齿数相等，下传动轮中起动轮轴，钟表机械传动12小时转一周。

图1为本实用新型最佳实施例之一，日动式环仪最佳的整体结构，正视和局剖示意图。

圈中1天球、2太阳、3子午圈、4赤道圈、5黄道圈、6经线圈、7晨昏圈、8地球、9地转轴、10地向轴、11黄道架、12上传动轮(Z1 Z2 Z3)、13天球架、14显节盘、15支撑架、16下传动轮(Z4-Z11)、17底盘盒盖、18底盘盒底。

下面对照附图对本实用新型实施侧之一进一步描述如下：仪器最底层是方槽形的底盘盒底18，底盘盒底用塑料制成(本仪器上的部件除了非专用件如螺丝和根据条件改变工艺外，均可用塑料制造)一个侧边上有2个孔分别露出Z10和Z11上捻轮的一部分，盖在底盘盒底上的底盘盒盖17，中心是个圆孔，围绕中心隆起为圆锥形，圆锥斜边上标有24节，固定在底盘盒底中的支撑架15，由四条丝柱固定着三层横梁组成，三层横梁承托着下传动轮16(Z4-Z11))和从横梁中心向上伸出的管柱。扣在底盘盒盖的隆起部分上的显节盘14，斜边上有30度的显节口，其转轴固定在下传动轮Z4上。位于显节盘上的天球架13，由两块薄板和夹于其中心的中心管组成，中心管插过显节盘转轴管，下端固定在支撑架上层的中心。位于夭球架上面的天球1，由两个带柄的半球组成，两个柄分别插在天球架中心管两侧的两块架板中间，柄两侧架板上有插在柄下部圆孔内的轴，柄上部有个上下口和其两侧架板上的弧形口共同夹持着一根滑动柱，天球内黄色的黄道圈是一个中心为空心圆的圆片(仪器上五个圈均为空心圆片)与黄道架上半圆的架弧垂直固定在一起；黄道架11由上部的架弧和下部的架管组成，架管穿过天球架中心管，下端固定在下转动轮Z5上；以红色小灯管表示的太阳2，固定在黄道圈外侧的一点，与黄道圈交叉，骑在黄道圈上的子午圈3，由绘有阳光射线，标有每条射线射点处高度角的白色向日弧和黑色的背日弧组成，子午圈与黄道圈相交线是向日弧中点和背日弧中点所在直径，在黄道圈上是太阳所在点的那条直径，向日弧中点与黄道圈相交于太阳所在点的内侧，由红色的晨弧和黄色的昏弧构成的晨昏圈7，其晨弧和昏弧分别固定于子午圈上向日弧的东面和西面，其圈面垂直于黄道圈与子午圈的相交线。装在子午圈昏弧一侧的凹槽里；由红黄白色区分五带的午弧和兰色的子弧组成的经线圈6，其北极处有柱插在地球北极孔内，其南极有管插在子午圈下端的夹轴孔中；与经线圈南北极连线垂直。与经线圈固定为一体的红色赤道圈4，圈面按逆时针方向标有24时又名太阳时圈，圈上的O时线，12时线分别与经线圈上的子弧中点线，午弧中点线为垂直相连线。位于天球和上述五圈中心的地球8是国家标准政区地球仪。与地球为一体的地转轴9，其轴管从地球南极向外伸出，穿过经线圈南极管中心孔，下端固定在下传动Z3上，地球中心的地向轴10，自上面下由轴柱、连片、定向管三部分组成，轴柱向上插在地转轴中，连片擎托着三个上传动轮(Z1 Z2 Z3)定向管插在黄道架管中，下端固定在支撑架中层的中心。仪器上传动轮Z3，下传动轮Z5Z4分别与地转轴、黄道架管、显节盘中心管固定在一起，其传动链分别如下：地转轴管：Z11→Z9→Z6↑Z1→Z2→Z3黄道架管：Z10→Z8→Z5显节盘中心管：Z10→Z8↑Z7→Z4

手捻下传动轮Z11则地球自转，手捻下传动轮Z10则黄道架，显节盘及受黄道架顶托夹持的黄道圈，太阳，子午圈，晨昏圈，经线圈同步转动。Z10和Z11各自带动一个传动链，两链互不连动，因而两链间没有齿轮转速比的要求，整个传动装置上，对齿轮转速的唯一要求是带动黄道架和显节盘同速转动，同步显示地球公转现象的齿轮Z4和Z5的转速要相等。

附图2为本实用新型实施例之二环仪钟的整体结构正视和局剖示意图(图中无剖线处为正视图，有剖线处为剖视图，虚线表示天球可变化的方位)。

图中1天球，2太阳，3子午圈，4赤道圈，5黄道圈，6经线圈，7晨昏圈，8地球，9地转轴，10地向轴，11黄道架，12上传动轮(Z1-Z3),13天球架，14节气盘，15支撑架，16下传动轮(Z4-Z16),17底盘盖，18底盘底，下面结合附图2对环仪钟作进一步描述：环仪钟的天球架13及其上面的部件——天球1、太阳2、子午圈3、赤道圈4、黄道圈5、经线圈6、晨昏圈7、地球8、地转轴9、地向轴10、黄道架11、上传动轮12等的构造与相互间的连接方式均与日动式环仪完全相同。

用定速传动装置，使日动式环仪上带动地球自转的齿轮Z3 24小时转一周，使带动黄道架和显节盘的齿轮Z4,Z5与Z3的转速比按日与年的时间比进行转动，就可以造成环仪钟，但日动式环仪钟恒星时方向固定，太阳时方向随日期变化，不便于定向观看，本设计环仪钟为天轴和地轴同步绕黄轴转向式环仪钟，钟上地球中心和太阳的方位不变，它是用地轴和夭轴同步每年绕黄轴向西转一周的方法来调整太阳时与恒星时的对应关系和24节与地球上太阳直射纬度的对应关系，它与日动式环仪演示部件和部件连结上的差异主要是底盘盖上无显节盘，底盘盖下有节气盘。黄道架管下端固定在支撑架15顶层的中心上。天球架管下端固定在支撑架顶层中心上面的齿轮Z4上。扣碟形斜边外坡上逆时针顺序标有24个节气名的节气盘14固定在天球架管上。地向轴10下部的地向管，其下端固定在支撑架中层上面的齿轮Z5上。

环仪钟的传动装置是由定速的传动轴启动的，它由3个上传动轮和13个下传动轮构成。

为详细说明环仪钟传动装置的构造，将其变速传动装置的构造独作一图加以说明。

图3为环仪钟变速传动装置图，图中9是地转轴，10是地向轴，13是天球架管，14是节气盘，Z1——Z16是传动轮。

各齿轮的代号和齿数如下：代号Z1  Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8 Z9 Z10 Z11 Z12 Z1321 21 21 96 96 16 32 21 16 16  16   59  18Z14 Z15 Z1680  78 16齿轮中Z6的轴是转速等于时钟上时针转速的机械轴，它每十二小时转一周(如改用反时针方向24小时转一周的轴作为齿轮Z1和Z8的转轴，则可省去齿轮Z6和Z7)。

带动地转轴9,24小时转一周的齿轮Z3，其受传动过程是：Z6→Z7↑Z1→Z2→Z3带动天球架管18和节气盘14同步每年转一周的齿轮Z4和Z5，其受传动的过程分别是：Z6→Z7↓Z8→Z9→Z12↑Z13→Z15↑Z16→Z14↑Z10→Z4Z6……………………………·Z14↓Z11→Z5根据上述传动装置，地球每天转一周，地轴，天轴，节气盘每365.2381天，绕黄轴向西转一周，这比一个回归年短0.0041天。

本设计是一种普通型的环仪钟，钟上各节气间的时间是等长的，这与实际交节时刻有时可能差到2天，但对周年变化的天文现象来说2天的差别几乎看不出来。