機械傳動科學技術的發(fā)展歷程與展望

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1機械傳動技術的萌芽

因為傳動系統(tǒng)是機械不可缺少的組成部分，所以傳動系統(tǒng)與機械是同時產生的，甚至可以說，因為有了傳運裝置，機械才得以產生。比如，我國春秋時期即已經廣泛使用的桔槔，便可以視為簡單的機械，其中，最為智慧的，就是杠桿原理的運用，而這里的杠桿，恰恰就是傳動系統(tǒng)，可見傳動系統(tǒng)在機械中的重要作用，同時也說明，對于機械的不自覺使用，早在春秋時期，智慧的先人就已經開始了。另外，指南車是展示我國先人智慧的又一發(fā)明，這是利用齒輪傳動系統(tǒng)和離合裝置來指示方向的車輛。關于指南車的記載，雖有神話成分，或存在史實上的矛盾，但《宋史•輿服志》記載的指南車結構和技術規(guī)范，尤其是齒輪大小和齒數的詳細記載，不僅證明指南車在我國古代確實存在，也顯示了我國古代機械制造的高超水平。另據考證，早在戰(zhàn)國到西漢之間，機械傳動的重要標志——齒輪，就已經誕生了，另參酌其他古籍，當可推知，指南車的發(fā)明，肯定早于宋代，中國古代科技史學家王振鐸認為，三國時期的馬鈞發(fā)明了指南車，頗為可信。放眼國外，關于機械的記載與使用也比較早。早在古希臘時期，就有機械傳動的記載。羅馬時代，則發(fā)明了水力驅動，木制齒輪傳動的“谷物碾磨機”，后來，瑞典人在谷物磨中率先采用了斜齒輪傳動，在傳動技術史上稱得上是突破，只不過，這種斜齒輪是由石頭制成的，在材料上顯得過于原始。進入14世紀，以時鐘的發(fā)明為標志，齒輪傳動系統(tǒng)產生了一個飛躍。因為時鐘比較精細，傳動齒輪自然也需要精密化、小巧化，于是，人們開始研究金屬齒輪。先人的智慧值得景仰，但在工業(yè)革命之前，各類傳動系統(tǒng)也和機械本身一樣，處于原始階段。直到18世紀初，蒸汽機進入實用，相續(xù)在礦井排水、鐵路機車、加工制造等領域大顯身手，現代意義的機械才得以產生。從本質上來說，蒸汽機是機械的動力系統(tǒng)，它的飛躍對于傳動系統(tǒng)自然提出了更高的需求，從那以后，高標準、高質量的金屬齒輪傳動得到了極大應用。

2機械傳動技術的發(fā)展

19世紀末，電動機和內燃機獲得廣泛使用，對機械傳動技術提出了更高要求，到20世紀初期，機械傳動技術有了很大發(fā)展，直齒輪、斜齒輪、錐齒輪和蝸桿傳動相繼問世，性能、精度及耐久性方面都有了很大發(fā)展，基本上可以滿足機械工業(yè)的需要。20世紀40年代后，齒輪幾何學逐漸發(fā)展成為一門獨立的學科，齒形、嚙合及齒輪之間的展成關系，可以通過數學計算實現精確化，這使得機械傳動真正成為一門科學。在精確計算的支撐下，研究人員逐步掌握了齒輪傳動的表面接觸強度及輪齒彎曲強度，基于動載荷的機械傳動設計也初步成型，并應用于高速重載的汽輪發(fā)電機傳動系統(tǒng)。這期間，研究人員還提出了齒輪齒廓和齒向修形設計的方法，以提高承載能力。進入20世紀60年代，肇端于美國的宇航技術取得突破性進展，導航系統(tǒng)、火箭助推器對傳動系統(tǒng)的要求非常高，不僅要求傳動系統(tǒng)體積小、承載能力強，可靠性更成為首要的考量標準。為此，研究人員不遺余力，對直齒、斜齒、錐齒的表面疲勞強度進行了深入研究，并進行嚴謹的可靠性增長試驗，通過研究，發(fā)現傳動系統(tǒng)的原材料和齒輪的嚙合性不僅關乎其承載能力，也與其可靠性密切相關，這一發(fā)現促成了非金屬材料（如高強度塑料）齒輪的產生。進入70年代后，機械傳動技術更有了飛躍式的發(fā)展，空間嚙合理論成為這一時期的亮點，研究人員相繼推出曲線錐齒輪、環(huán)面蝸桿、點接觸蝸桿及圓弧齒輪等新式傳動系統(tǒng)，極大推動了機械傳動技術的發(fā)展。值得一提的是，我國正是在這一時期，在機械傳動技術領域，迎頭趕上發(fā)達國家，達到了世界先進國家的水平。20世紀80年代以后，隨著知識經濟的到來，機械傳動技術更是突飛猛進，在空間嚙合理論的推動下，少齒差行星傳動、變型伺服傳動、新型蝸桿傳動等新型傳動系統(tǒng)相繼出現，彈性變形理論、制造誤差的嚙合理論、局部共軛理論及失配嚙合理論，都達到很高水平，齒間載荷分配和應力分析也得到廣泛應用。這期間，傳動系統(tǒng)減振降噪研究，也成為一個熱點，并獲得諸多成果，輪齒三維任意可控修形設計便是其中最為重要的創(chuàng)舉，根據輪齒修形的要求，多自由度數控齒輪加工機床紛紛問世。傳動系統(tǒng)動力學研究更為深入，研究人員提出了齒輪傳動系統(tǒng)故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控和失效預警的思路，并開發(fā)出相應的監(jiān)控與診斷軟件，用于冶金、船舶、電廠等大型關鍵設備的傳動系統(tǒng)，使之走上了智能化的臺階，取得了較好的效果。同時，傳動系統(tǒng)的研究由微觀返向宏觀，即傳動系統(tǒng)的研究并不單純以傳動系統(tǒng)為對象，而是把機械作為一個整體來研究，傳動系統(tǒng)與整機的匹配、協(xié)調，越來越受到重視。

3機械傳動技術的展望

隨著科學技術的發(fā)展，機械傳動的模式早已不再局限于齒輪、鏈條等接觸式傳動，通過電磁感應原理來傳遞動力的非接觸傳動（如電磁軸承、電磁傳動等）已進入實用，與傳統(tǒng)的接觸式傳動相比，非接觸傳動具有無磨損、壽命長、效率高等優(yōu)點。當然，傳統(tǒng)的軸承等接觸式傳動，仍大有用武之地。今后，機械傳動技術領域的研究，應在優(yōu)化改進傳統(tǒng)傳動技術的基礎上，探尋創(chuàng)新型傳動模式，在一段時間內，研究重點仍然是前者。大體來說，機械傳動的研究方向主要有以下幾點：

3.1提高機械傳動的信息化、智能化水平

信息化和智能化是現代社會的重要特征之一，涉及到生產、生活的方方面面，機械傳動領域也不能例外。機械傳動技術應與計算機控制技術相結合，實現信息化和智能化，即根據原動力系統(tǒng)的效率特征和執(zhí)行系統(tǒng)的功能要求，通過計算機控制技術，精確實現動力傳動功率和速比的實時控制，從而使原動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)趨于最佳匹配與融合，這一研究也是機械裝備實現自動化和智能化的重要基礎。經過科研人員的不懈努力，傳動系統(tǒng)的信息化與智能化，以至于機械裝備的信息化和智能化，已經獲得重大進展，在汽車、工程機械和軍工機械生產領域廣泛應用。目前，自動變速傳動是最為主要的信息化、智能化傳動模式，一般來說，包括三種形式，即機械自動變速ASM（Automaticshiftmanualtransmisson）、液力機械自動變速傳動AT（Automatictransmission）和無級自動變速傳動CVT（Continuouslyvariabletransmission），這三種傳動形式的技術已相當成熟，代表著傳動技術信息化、智能化的主流。但在國內，相對而言，AT、CVT技術還存在較大差距，應重點攻關。

3.2傳動系統(tǒng)新材料的突破

現代材料科學肇端于20世紀50年代，蘇聯(lián)成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星之后，人們認識到，先進材料對于高科技的發(fā)展起著至關重要的作用，此后，材料科學成為人們耳熟能詳的熱門詞匯。在傳動技術領域，新材料的運用也方興未艾，比如梯度材料、陶瓷材料、納料材料、高分子聚合物、智能材料、表面涂層及自修復材料等，均以其鮮明而獨特的性能特點，推動著機械傳動技術的發(fā)展和性能的提高。材料科學是多學科交叉與結合的結晶，是一門與工程技術密不可分的應用科學，我國材料科學的研究水平位居世界前列，有些領域甚至居于世界領先水平，我們應保持并發(fā)揮這一優(yōu)勢，將其擴展到機械傳動等生產領域，為國民生產提供科學技術支持。

3.3提升機械傳動的適應性

現代機械工程的發(fā)展日新月異，對于機械傳動系統(tǒng)的要求也越來越高，比如，宇宙空間的高真空、微重力、大溫差，海洋環(huán)境下的海水腐蝕，以及強磁場或強強電場等特殊（極端）環(huán)境下的機械，就需要與該環(huán)境相適應的傳動系統(tǒng)。這類特殊（極端）環(huán)境下的傳統(tǒng)系統(tǒng)開發(fā)及其適應性研究，以及傳動系統(tǒng)在該環(huán)境下的服役特性研究，也是我們下一步研究的重點。此外，微機械中的微型傳動系統(tǒng)，也是一個重要的研究方向。因為尺度效應的影響，微型傳動系統(tǒng)與普通機械傳動機械管理開發(fā)的工作原理和性能特征均有很大不同，當傳動系統(tǒng)的尺寸小到微米或納米級時，會產生很多新的科學問題。比如傳動副元件的表面積與體積之比增大，表面力學、表面物理效應將起主導作用，同時微傳動系統(tǒng)的摩擦學、熱傳導與常規(guī)尺度的傳動系統(tǒng)不同，這就需要加大研究力度。

4結語

本文回顧了機械傳動科學技術的發(fā)展歷程，并對其研究方向作了簡要的展望。傳動系統(tǒng)是機械的重要組成部分，是決定機械發(fā)展水平的重要標志。隨著科技的發(fā)展，機械傳動系統(tǒng)也與原動力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)相協(xié)調，產生了飛躍式的發(fā)展?？傮w來說，機械傳動系統(tǒng)的發(fā)展是朝著高效率、重荷載、低噪音，適用性強且成本低的方向發(fā)展，并特別強調傳動系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境意識。

作者：張森 單位：晉中職業(yè)技術學院