《考工记》中的“三材”的材质的选择与现代制车工业的对比

张悦

摘 要：《考工记》是我国最早的系统地记录手工业生产技术的专著，它详细记载了木工、金工、皮革、染色、陶瓷、刮磨等六大类30种手工业的内容，本文仅就《考工记》中车轮的制造进行探索，针对毂、辐、牙这“三材”的材质的选择与现在制车工业中这三个部位的材质进行对比，探讨发现《考工记》中车轮选材的原则和规范是十分全面而合理的，表明我国先秦时期人们对数学、力学、物理学等方面的科学知识的认识和应用已经达到了相当高的水平，反映了当时生产技术的成熟和制造工艺的进步。

关键词：三材；选材原则与规范；生产技术；制造工艺

《考工记》曰：“轮人为轮，斩三材必以其时。三材既具，巧者和之。毂也者，以为利转也；辐也者，以为直指也；牙也者，以为固抱也。轮敝，三材不失职，谓之完”。说轮人制作车轮，砍伐用作毂、辐、牙的三种木材必须依照一定的季节。三种木材具备之后，心灵手巧的工匠将它们加工组合，而成为车轮。毂，要使它利于车轮的转动；辐，要使它直指车牙；牙，要使它牢固紧抱。轮子即使磨损坏了，毂、辐、牙也不松动变形，称之为完美。

一辆车如果不坚固，就不能承载负重过多，所以车身是否坚固决定了车是否经久耐用，而这则取决于车的材质。并且只有把车制作得坚固结实，才能经受住马的强大拉力。

郑玄注曰：“三材所以为毂、辐、牙也，斩之以时。材在阳则中冬斩之，在阴则中夏斩之。今世毂用杂榆，辐以檀，牙以橿也。”

1 辐的选材与对比

在辐的选材上，《考工记》曰：“辐也者，以为直指也”，就是要求材质必须强韧，有一定承载重量的强度，不易中折，并且一辆车的每支车辐在长短、材料、粗细、轻重等各方面应该是相同的、均匀的。郑玄注曰：“辐以檀”。用檀木，檀木这一木材的形态特征是木质坚硬，木材结构细，略均匀；强度较高；耐腐，干燥宜慢。正满足了上述所有要求。

而辐的出现也是为了减轻车的自重，增加车的负荷量，则要求车身造得尽量轻巧。从考古发现中显示，最早的车轮应是无辐而实心的“辁”。这种车轮不但浪费木材，而且增加车重，十分笨重。《考工记》称由毂、牙、辐这三材组合的“轮”来代替实心的“辁”，减轻了车身的重量，提高了抗压力，并对其制作方法作了详细规定，用三十根辐制作的轮代替了“辁”。所以这一结构至今还被采用。

现代工业的辐在制造和运行上面，其主要目的是为了防止轮毂变形，但你会发现大多数车的轮辐是单数辐的。汽车轮圈一般为铸造或者锻造，但铸造成本更低，大多采用铸造的方式，产品质量相对稳定。但在铸造过程中铸件由液态变为固态时由于热胀冷缩会产生内应力，偶数个的轮辐会使两个轮辐处于同一水平线上，铸造时无法变形而容易在内应力的作用下破裂。奇数的轮辐由于两个轮辐不在同一水平线上，内应力可以通过轮辐的微小变形得到缓解。能够使轮胎在高速转动时，保持稳定，减少振动所以，如果是奇数辐，内应力会消散均匀，产生变形可能小，但如果是偶数辐就容易发生变形现象。当然现在工艺控制得越来越好，偶数辐也多了起来。可见《考工记》中要规定的三十辐的偶数辐在当时是不科学的。

在材质方面，自行车的辐条一般都是采用中碳钢制作，有一定的韧度和硬度，也有一定弹性，高碳钢太硬，基本没有，高档些的有不锈钢辐条，再高档有钛合金辐条，碳纤维的也有，但是很少，主要是太脆，容易发生危险。汽车的车轮可分为辐板式车轮和辐条式车轮，辐条的作用多为装饰，因为整个轮毂都是一体的，可分为钢制、铝合金、镁合金。

2 牙的选材与对比

在牙的选材上，首先要追溯到车牙制作的关键点：牙口的结合。理想的牙片是一整片木材，但自然界中的木材很少有横截面如此大的一片木材，因为古人考虑到避震的问题，用加大车轮的尺寸来提高车的稳定性，所以要制作出无缝连接的车牙无论从选材上就无法实现。实践证明，用两片牙木合抱拼成一个成、正圆，不仅易于选材加工，且有两个接口。接口少，才能最大限度保证牙的强度。对牙口的结合方式，就考古文献及文物复原方面的研究，已发现了斜口对接，夹口榫接和搭口榫接三种结合方式。所以对于牙的选材与用材牙的基本功用在抱辐，《考工记》曰：“牙也者，以为固抱也”。就是要求牙木坚韧，此有利于提高车的可靠性；并且要求圆，此有利于车的行驶。郑玄注曰：“牙以橿”。橿，同檍是同一树木的不同名称，属田麻科，多曲少直，可以为弓材。多曲而少直的木材，可以方便煣制工艺加工成圆形，且富有弹性，亦能起到减震的作用。橿的材料应韧性极佳、材质均匀并且容易制成轮子所需要的正圆形。

此时的木质车辘相当于现在的轮胎，轮胎的出现源于橡胶，探险家哥伦布在1493～1496年第二次探索新大陆到达西印度群岛中的海地岛时，发现了当地小孩所玩的橡胶硬块，后来他把这个奇妙的东西带回了祖国，若干年以后，橡胶得到了广泛的应用，车轮也逐渐由木制變成了硬橡胶制造。但这时的橡胶轮胎却还是实心的，走起来还很不舒服，而且噪声也很大。直到1845年，苏格兰的土木技师R·w·汤姆生发明了充气轮胎。随着时代的进步，充气轮胎很快在自行车上得到了应用，并迅速迈向了汽车领域。

从木质轮胎到橡胶轮胎，橡胶不仅更加保证了车轮与路面的附着力，减轻和吸收车在行驶时的震动和冲击力，同时防止了车的零部件受到剧烈震动和损坏，减少了车在高速行驶时的噪音，保证了行驶的安全性、操纵稳定性、舒适性和节能经济性。

3 毂的选材与对比

《考工记·轮人》曰：“毂也者，以为利转也”。制毂的木材不仅要质地坚硬，且要强度均匀。

郑玄注曰：“毂用杂榆”，榆木木材纹理通直，花纹清晰，木材弹性好，耐湿，耐腐。木性坚韧，纹理通达清晰，硬度与强度适中。其木材的特征，材质轻、较硬，力学强度较高，纹理直，结构粗。可供家具、装修等用，是主要家具用材之一。毂是轮与轴相连接的核心部件，所以古人制毂，在尺寸比例形状上要求甚严。而现代工业上轮毂的铸造是一体化形成的，可以说现在的轮毂包含了辐和部分毂的功能，并配以轴承连接与轴之间的转动。轮毂按材质可以分为二大类：钢轮毂，合金轮毂。两者各有利弊。钢质轮毂最主要的优点就是制造工艺简单，成本相对较低，而且抗金属疲劳的能力很强，也就是我们俗称的便宜又结实。但钢质轮毂的重量较大，惯性阻力大，散热性也比较差，而且非常容易生锈。而相对来说，合金材质轮毂正好可以弥补这样的问题，较轻的重量，惯性阻力小，制作精度高，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力，从而减少了油耗。

《考工记》也一直强调只肯在需要的部位选硬木，而其他部件尽量选用软木，不使一寸无用的余木附在车上，其余包括衡用梓属，轴用银松树，辘用榆树，盖弓用朴树，这些木材恰适其用。

凡是这些木材都有统一的砍伐标准：向阳的树木应在冬天砍伐，向阳面的木材纹理较密而木质坚硬；背阴的应在夏天砍伐，背阳面的木材纹理较疏而木质柔软，因而要用火烘烤背阳的一面，而使木质变得与向阳面一样坚硬，木材纹理及强度趋于一致，这样才能保证木材的坚实可靠不变形。

综上所述，《考工记》中车轮的选材的原则和规范是十分全面而合理的，它不仅考虑到车的实用和坚固，还考虑到车的轻巧及节省材料，在科学技术还不发达的时代，匠人们选择木材作为主材料不仅是因为自然条件的限制，其实也具备一定的科学性，因为我有过一次经历让我发现了这一点，当时我的车轮掉进了一个没有盖的阴井中，在用千斤顶在把车抬起之后我需要一块板填补这个阴井把车降下来退回平地，考虑到车本身的自重近两吨要承载车身的重量我首先考虑的是至少得是水泥板，当时身处一个工地，我先是找到一个大理石板，看上去很坚硬的大理石板在车缓缓降下后立即碎了，可是说这个材料是非常脆的，在局部受力的时候是承受不了这样的压强的，如果是水泥板也是同样的性质，除非是钢筋混泥土结合的水泥板，但这样一个水泥板是非常重的，后面我找到一块较厚的木板，本来对它也是不抱希望的，但没想到由于木头的韧性，和木质交织的纹理特性，虽然开裂但是不至于断开，成功把车退了出来。所以木材的韧性非常重要，就好像它有一定的柔软度和弹性，既能接触硬的物质又能接触软的物质，进行一个中和。

通过《考工记》中“三材”的选择的探索，会发现其中的设计合乎科学原理，尽管当时人们对科学知识的认识尚处在经验描述的阶段，但所取得的成就却是十分惊人的，表明我国先秦时期人们对数学、力学、物理学等方面科学知识的认识和应用已经达到了相当高的水平，反映了当时生产技术的成熟和制造工艺的进步。

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