《考工記》中的“三材”的材質(zhì)的選擇與現(xiàn)代制車工業(yè)的對比

張悅

摘 要：《考工記》是我國最早的系統(tǒng)地記錄手工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的專著，它詳細記載了木工、金工、皮革、染色、陶瓷、刮磨等六大類30種手工業(yè)的內(nèi)容，本文僅就《考工記》中車輪的制造進行探索，針對轂、輻、牙這“三材”的材質(zhì)的選擇與現(xiàn)在制車工業(yè)中這三個部位的材質(zhì)進行對比，探討發(fā)現(xiàn)《考工記》中車輪選材的原則和規(guī)范是十分全面而合理的，表明我國先秦時期人們對數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等方面的科學(xué)知識的認識和應(yīng)用已經(jīng)達到了相當高的水平，反映了當時生產(chǎn)技術(shù)的成熟和制造工藝的進步。

關(guān)鍵詞：三材；選材原則與規(guī)范；生產(chǎn)技術(shù)；制造工藝

《考工記》曰：“輪人為輪，斬三材必以其時。三材既具，巧者和之。轂也者，以為利轉(zhuǎn)也；輻也者，以為直指也；牙也者，以為固抱也。輪敝，三材不失職，謂之完”。說輪人制作車輪，砍伐用作轂、輻、牙的三種木材必須依照一定的季節(jié)。三種木材具備之后，心靈手巧的工匠將它們加工組合，而成為車輪。轂，要使它利于車輪的轉(zhuǎn)動；輻，要使它直指車牙；牙，要使它牢固緊抱。輪子即使磨損壞了，轂、輻、牙也不松動變形，稱之為完美。

一輛車如果不堅固，就不能承載負重過多，所以車身是否堅固決定了車是否經(jīng)久耐用，而這則取決于車的材質(zhì)。并且只有把車制作得堅固結(jié)實，才能經(jīng)受住馬的強大拉力。

鄭玄注曰：“三材所以為轂、輻、牙也，斬之以時。材在陽則中冬斬之，在陰則中夏斬之。今世轂用雜榆，輻以檀，牙以橿也?！?/p>

1 輻的選材與對比

在輻的選材上，《考工記》曰：“輻也者，以為直指也”，就是要求材質(zhì)必須強韌，有一定承載重量的強度，不易中折，并且一輛車的每支車輻在長短、材料、粗細、輕重等各方面應(yīng)該是相同的、均勻的。鄭玄注曰：“輻以檀”。用檀木，檀木這一木材的形態(tài)特征是木質(zhì)堅硬，木材結(jié)構(gòu)細，略均勻；強度較高；耐腐，干燥宜慢。正滿足了上述所有要求。

而輻的出現(xiàn)也是為了減輕車的自重，增加車的負荷量，則要求車身造得盡量輕巧。從考古發(fā)現(xiàn)中顯示，最早的車輪應(yīng)是無輻而實心的“輇”。這種車輪不但浪費木材，而且增加車重，十分笨重?！犊脊び洝贩Q由轂、牙、輻這三材組合的“輪”來代替實心的“輇”，減輕了車身的重量，提高了抗壓力，并對其制作方法作了詳細規(guī)定，用三十根輻制作的輪代替了“輇”。所以這一結(jié)構(gòu)至今還被采用。

現(xiàn)代工業(yè)的輻在制造和運行上面，其主要目的是為了防止輪轂變形，但你會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)車的輪輻是單數(shù)輻的。汽車輪圈一般為鑄造或者鍛造，但鑄造成本更低，大多采用鑄造的方式，產(chǎn)品質(zhì)量相對穩(wěn)定。但在鑄造過程中鑄件由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時由于熱脹冷縮會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，偶數(shù)個的輪輻會使兩個輪輻處于同一水平線上，鑄造時無法變形而容易在內(nèi)應(yīng)力的作用下破裂。奇數(shù)的輪輻由于兩個輪輻不在同一水平線上，內(nèi)應(yīng)力可以通過輪輻的微小變形得到緩解。能夠使輪胎在高速轉(zhuǎn)動時，保持穩(wěn)定，減少振動所以，如果是奇數(shù)輻，內(nèi)應(yīng)力會消散均勻，產(chǎn)生變形可能小，但如果是偶數(shù)輻就容易發(fā)生變形現(xiàn)象。當然現(xiàn)在工藝控制得越來越好，偶數(shù)輻也多了起來。可見《考工記》中要規(guī)定的三十輻的偶數(shù)輻在當時是不科學(xué)的。

在材質(zhì)方面，自行車的輻條一般都是采用中碳鋼制作，有一定的韌度和硬度，也有一定彈性，高碳鋼太硬，基本沒有，高檔些的有不銹鋼輻條，再高檔有鈦合金輻條，碳纖維的也有，但是很少，主要是太脆，容易發(fā)生危險。汽車的車輪可分為輻板式車輪和輻條式車輪，輻條的作用多為裝飾，因為整個輪轂都是一體的，可分為鋼制、鋁合金、鎂合金。

2 牙的選材與對比

在牙的選材上，首先要追溯到車牙制作的關(guān)鍵點：牙口的結(jié)合。理想的牙片是一整片木材，但自然界中的木材很少有橫截面如此大的一片木材，因為古人考慮到避震的問題，用加大車輪的尺寸來提高車的穩(wěn)定性，所以要制作出無縫連接的車牙無論從選材上就無法實現(xiàn)。實踐證明，用兩片牙木合抱拼成一個成、正圓，不僅易于選材加工，且有兩個接口。接口少，才能最大限度保證牙的強度。對牙口的結(jié)合方式，就考古文獻及文物復(fù)原方面的研究，已發(fā)現(xiàn)了斜口對接，夾口榫接和搭口榫接三種結(jié)合方式。所以對于牙的選材與用材牙的基本功用在抱輻，《考工記》曰：“牙也者，以為固抱也”。就是要求牙木堅韌，此有利于提高車的可靠性；并且要求圓，此有利于車的行駛。鄭玄注曰：“牙以橿”。橿，同檍是同一樹木的不同名稱，屬田麻科，多曲少直，可以為弓材。多曲而少直的木材，可以方便煣制工藝加工成圓形，且富有彈性，亦能起到減震的作用。橿的材料應(yīng)韌性極佳、材質(zhì)均勻并且容易制成輪子所需要的正圓形。

此時的木質(zhì)車轆相當于現(xiàn)在的輪胎，輪胎的出現(xiàn)源于橡膠，探險家哥倫布在1493～1496年第二次探索新大陸到達西印度群島中的海地島時，發(fā)現(xiàn)了當?shù)匦『⑺娴南鹉z硬塊，后來他把這個奇妙的東西帶回了祖國，若干年以后，橡膠得到了廣泛的應(yīng)用，車輪也逐漸由木制變成了硬橡膠制造。但這時的橡膠輪胎卻還是實心的，走起來還很不舒服，而且噪聲也很大。直到1845年，蘇格蘭的土木技師R·w·湯姆生發(fā)明了充氣輪胎。隨著時代的進步，充氣輪胎很快在自行車上得到了應(yīng)用，并迅速邁向了汽車領(lǐng)域。

從木質(zhì)輪胎到橡膠輪胎，橡膠不僅更加保證了車輪與路面的附著力，減輕和吸收車在行駛時的震動和沖擊力，同時防止了車的零部件受到劇烈震動和損壞，減少了車在高速行駛時的噪音，保證了行駛的安全性、操縱穩(wěn)定性、舒適性和節(jié)能經(jīng)濟性。

3 轂的選材與對比

《考工記·輪人》曰：“轂也者，以為利轉(zhuǎn)也”。制轂的木材不僅要質(zhì)地堅硬，且要強度均勻。

鄭玄注曰：“轂用雜榆”，榆木木材紋理通直，花紋清晰，木材彈性好，耐濕，耐腐。木性堅韌，紋理通達清晰，硬度與強度適中。其木材的特征，材質(zhì)輕、較硬，力學(xué)強度較高，紋理直，結(jié)構(gòu)粗。可供家具、裝修等用，是主要家具用材之一。轂是輪與軸相連接的核心部件，所以古人制轂，在尺寸比例形狀上要求甚嚴。而現(xiàn)代工業(yè)上輪轂的鑄造是一體化形成的，可以說現(xiàn)在的輪轂包含了輻和部分轂的功能，并配以軸承連接與軸之間的轉(zhuǎn)動。輪轂按材質(zhì)可以分為二大類：鋼輪轂，合金輪轂。兩者各有利弊。鋼質(zhì)輪轂最主要的優(yōu)點就是制造工藝簡單，成本相對較低，而且抗金屬疲勞的能力很強，也就是我們俗稱的便宜又結(jié)實。但鋼質(zhì)輪轂的重量較大，慣性阻力大，散熱性也比較差，而且非常容易生銹。而相對來說，合金材質(zhì)輪轂正好可以彌補這樣的問題，較輕的重量，慣性阻力小，制作精度高，在高速轉(zhuǎn)動時的變形小，慣性阻力小，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力，從而減少了油耗。

《考工記》也一直強調(diào)只肯在需要的部位選硬木，而其他部件盡量選用軟木，不使一寸無用的余木附在車上，其余包括衡用梓屬，軸用銀松樹，轆用榆樹，蓋弓用樸樹，這些木材恰適其用。

凡是這些木材都有統(tǒng)一的砍伐標準：向陽的樹木應(yīng)在冬天砍伐，向陽面的木材紋理較密而木質(zhì)堅硬；背陰的應(yīng)在夏天砍伐，背陽面的木材紋理較疏而木質(zhì)柔軟，因而要用火烘烤背陽的一面，而使木質(zhì)變得與向陽面一樣堅硬，木材紋理及強度趨于一致，這樣才能保證木材的堅實可靠不變形。

綜上所述，《考工記》中車輪的選材的原則和規(guī)范是十分全面而合理的，它不僅考慮到車的實用和堅固，還考慮到車的輕巧及節(jié)省材料，在科學(xué)技術(shù)還不發(fā)達的時代，匠人們選擇木材作為主材料不僅是因為自然條件的限制，其實也具備一定的科學(xué)性，因為我有過一次經(jīng)歷讓我發(fā)現(xiàn)了這一點，當時我的車輪掉進了一個沒有蓋的陰井中，在用千斤頂在把車抬起之后我需要一塊板填補這個陰井把車降下來退回平地，考慮到車本身的自重近兩噸要承載車身的重量我首先考慮的是至少得是水泥板，當時身處一個工地，我先是找到一個大理石板，看上去很堅硬的大理石板在車緩緩降下后立即碎了，可是說這個材料是非常脆的，在局部受力的時候是承受不了這樣的壓強的，如果是水泥板也是同樣的性質(zhì)，除非是鋼筋混泥土結(jié)合的水泥板，但這樣一個水泥板是非常重的，后面我找到一塊較厚的木板，本來對它也是不抱希望的，但沒想到由于木頭的韌性，和木質(zhì)交織的紋理特性，雖然開裂但是不至于斷開，成功把車退了出來。所以木材的韌性非常重要，就好像它有一定的柔軟度和彈性，既能接觸硬的物質(zhì)又能接觸軟的物質(zhì)，進行一個中和。

通過《考工記》中“三材”的選擇的探索，會發(fā)現(xiàn)其中的設(shè)計合乎科學(xué)原理，盡管當時人們對科學(xué)知識的認識尚處在經(jīng)驗描述的階段，但所取得的成就卻是十分驚人的，表明我國先秦時期人們對數(shù)學(xué)、力學(xué)、物理學(xué)等方面科學(xué)知識的認識和應(yīng)用已經(jīng)達到了相當高的水平，反映了當時生產(chǎn)技術(shù)的成熟和制造工藝的進步。

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