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機(jī)械傳動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程與展望

前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了機(jī)械傳動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程與展望范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請(qǐng)閱讀。

機(jī)械傳動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程與展望

1機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的萌芽

因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)是機(jī)械不可缺少的組成部分,所以傳動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)械是同時(shí)產(chǎn)生的,甚至可以說,因?yàn)橛辛藗鬟\(yùn)裝置,機(jī)械才得以產(chǎn)生。比如,我國春秋時(shí)期即已經(jīng)廣泛使用的桔槔,便可以視為簡(jiǎn)單的機(jī)械,其中,最為智慧的,就是杠桿原理的運(yùn)用,而這里的杠桿,恰恰就是傳動(dòng)系統(tǒng),可見傳動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械中的重要作用,同時(shí)也說明,對(duì)于機(jī)械的不自覺使用,早在春秋時(shí)期,智慧的先人就已經(jīng)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(dòng)系統(tǒng)和離合裝置來指示方向的車輛。關(guān)于指南車的記載,雖有神話成分,或存在史實(shí)上的矛盾,但《宋史•輿服志》記載的指南車結(jié)構(gòu)和技術(shù)規(guī)范,尤其是齒輪大小和齒數(shù)的詳細(xì)記載,不僅證明指南車在我國古代確實(shí)存在,也顯示了我國古代機(jī)械制造的高超水平。另據(jù)考證,早在戰(zhàn)國到西漢之間,機(jī)械傳動(dòng)的重要標(biāo)志——齒輪,就已經(jīng)誕生了,另參酌其他古籍,當(dāng)可推知,指南車的發(fā)明,肯定早于宋代,中國古代科技史學(xué)家王振鐸認(rèn)為,三國時(shí)期的馬鈞發(fā)明了指南車,頗為可信。放眼國外,關(guān)于機(jī)械的記載與使用也比較早。早在古希臘時(shí)期,就有機(jī)械傳動(dòng)的記載。羅馬時(shí)代,則發(fā)明了水力驅(qū)動(dòng),木制齒輪傳動(dòng)的“谷物碾磨機(jī)”,后來,瑞典人在谷物磨中率先采用了斜齒輪傳動(dòng),在傳動(dòng)技術(shù)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(jìn)入14世紀(jì),以時(shí)鐘的發(fā)明為標(biāo)志,齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。因?yàn)闀r(shí)鐘比較精細(xì),傳動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)也和機(jī)械本身一樣,處于原始階段。直到18世紀(jì)初,蒸汽機(jī)進(jìn)入實(shí)用,相續(xù)在礦井排水、鐵路機(jī)車、加工制造等領(lǐng)域大顯身手,現(xiàn)代意義的機(jī)械才得以產(chǎn)生。從本質(zhì)上來說,蒸汽機(jī)是機(jī)械的動(dòng)力系統(tǒng),它的飛躍對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)自然提出了更高的需求,從那以后,高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的金屬齒輪傳動(dòng)得到了極大應(yīng)用。

2機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

19世紀(jì)末,電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)獲得廣泛使用,對(duì)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)提出了更高要求,到20世紀(jì)初期,機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)有了很大發(fā)展,直齒輪、斜齒輪、錐齒輪和蝸桿傳動(dòng)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(jī)械工業(yè)的需要。20世紀(jì)40年代后,齒輪幾何學(xué)逐漸發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科,齒形、嚙合及齒輪之間的展成關(guān)系,可以通過數(shù)學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)精確化,這使得機(jī)械傳動(dòng)真正成為一門科學(xué)。在精確計(jì)算的支撐下,研究人員逐步掌握了齒輪傳動(dòng)的表面接觸強(qiáng)度及輪齒彎曲強(qiáng)度,基于動(dòng)載荷的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)也初步成型,并應(yīng)用于高速重載的汽輪發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。這期間,研究人員還提出了齒輪齒廓和齒向修形設(shè)計(jì)的方法,以提高承載能力。進(jìn)入20世紀(jì)60年代,肇端于美國的宇航技術(shù)取得突破性進(jìn)展,導(dǎo)航系統(tǒng)、火箭助推器對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求非常高,不僅要求傳動(dòng)系統(tǒng)體積小、承載能力強(qiáng),可靠性更成為首要的考量標(biāo)準(zhǔn)。為此,研究人員不遺余力,對(duì)直齒、斜齒、錐齒的表面疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究,并進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目煽啃栽鲩L(zhǎng)試驗(yàn),通過研究,發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的原材料和齒輪的嚙合性不僅關(guān)乎其承載能力,也與其可靠性密切相關(guān),這一發(fā)現(xiàn)促成了非金屬材料(如高強(qiáng)度塑料)齒輪的產(chǎn)生。進(jìn)入70年代后,機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)更有了飛躍式的發(fā)展,空間嚙合理論成為這一時(shí)期的亮點(diǎn),研究人員相繼推出曲線錐齒輪、環(huán)面蝸桿、點(diǎn)接觸蝸桿及圓弧齒輪等新式傳動(dòng)系統(tǒng),極大推動(dòng)了機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。值得一提的是,我國正是在這一時(shí)期,在機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域,迎頭趕上發(fā)達(dá)國家,達(dá)到了世界先進(jìn)國家的水平。20世紀(jì)80年代以后,隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來,機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)更是突飛猛進(jìn),在空間嚙合理論的推動(dòng)下,少齒差行星傳動(dòng)、變型伺服傳動(dòng)、新型蝸桿傳動(dòng)等新型傳動(dòng)系統(tǒng)相繼出現(xiàn),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(dá)到很高水平,齒間載荷分配和應(yīng)力分析也得到廣泛應(yīng)用。這期間,傳動(dòng)系統(tǒng)減振降噪研究,也成為一個(gè)熱點(diǎn),并獲得諸多成果,輪齒三維任意可控修形設(shè)計(jì)便是其中最為重要的創(chuàng)舉,根據(jù)輪齒修形的要求,多自由度數(shù)控齒輪加工機(jī)床紛紛問世。傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究更為深入,研究人員提出了齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷、狀態(tài)監(jiān)控和失效預(yù)警的思路,并開發(fā)出相應(yīng)的監(jiān)控與診斷軟件,用于冶金、船舶、電廠等大型關(guān)鍵設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng),使之走上了智能化的臺(tái)階,取得了較好的效果。同時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)的研究由微觀返向宏觀,即傳動(dòng)系統(tǒng)的研究并不單純以傳動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象,而是把機(jī)械作為一個(gè)整體來研究,傳動(dòng)系統(tǒng)與整機(jī)的匹配、協(xié)調(diào),越來越受到重視。

3機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械傳動(dòng)的模式早已不再局限于齒輪、鏈條等接觸式傳動(dòng),通過電磁感應(yīng)原理來傳遞動(dòng)力的非接觸傳動(dòng)(如電磁軸承、電磁傳動(dòng)等)已進(jìn)入實(shí)用,與傳統(tǒng)的接觸式傳動(dòng)相比,非接觸傳動(dòng)具有無磨損、壽命長(zhǎng)、效率高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然,傳統(tǒng)的軸承等接觸式傳動(dòng),仍大有用武之地。今后,機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的研究,應(yīng)在優(yōu)化改進(jìn)傳統(tǒng)傳動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上,探尋創(chuàng)新型傳動(dòng)模式,在一段時(shí)間內(nèi),研究重點(diǎn)仍然是前者。大體來說,機(jī)械傳動(dòng)的研究方向主要有以下幾點(diǎn):

3.1提高機(jī)械傳動(dòng)的信息化、智能化水平

信息化和智能化是現(xiàn)代社會(huì)的重要特征之一,涉及到生產(chǎn)、生活的方方面面,機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域也不能例外。機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)信息化和智能化,即根據(jù)原動(dòng)力系統(tǒng)的效率特征和執(zhí)行系統(tǒng)的功能要求,通過計(jì)算機(jī)控制技術(shù),精確實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)功率和速比的實(shí)時(shí)控制,從而使原動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)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(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的重要基礎(chǔ)。經(jīng)過科研人員的不懈努力,傳動(dòng)系統(tǒng)的信息化與智能化,以至于機(jī)械裝備的信息化和智能化,已經(jīng)獲得重大進(jìn)展,在汽車、工程機(jī)械和軍工機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。目前,自動(dòng)變速傳動(dòng)是最為主要的信息化、智能化傳動(dòng)模式,一般來說,包括三種形式,即機(jī)械自動(dòng)變速ASM(Automaticshiftmanualtransmisson)、液力機(jī)械自動(dòng)變速傳動(dòng)AT(Automatictransmission)和無級(jí)自動(dòng)變速傳動(dòng)CVT(Continuouslyvariabletransmission),這三種傳動(dòng)形式的技術(shù)已相當(dāng)成熟,代表著傳動(dòng)技術(shù)信息化、智能化的主流。但在國內(nèi),相對(duì)而言,AT、CVT技術(shù)還存在較大差距,應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)。

3.2傳動(dòng)系統(tǒng)新材料的突破

現(xiàn)代材料科學(xué)肇端于20世紀(jì)50年代,蘇聯(lián)成功發(fā)射人造地球衛(wèi)星之后,人們認(rèn)識(shí)到,先進(jìn)材料對(duì)于高科技的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用,此后,材料科學(xué)成為人們耳熟能詳?shù)臒衢T詞匯。在傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域,新材料的運(yùn)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(fù)材料等,均以其鮮明而獨(dú)特的性能特點(diǎn),推動(dòng)著機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和性能的提高。材料科學(xué)是多學(xué)科交叉與結(jié)合的結(jié)晶,是一門與工程技術(shù)密不可分的應(yīng)用科學(xué),我國材料科學(xué)的研究水平位居世界前列,有些領(lǐng)域甚至居于世界領(lǐng)先水平,我們應(yīng)保持并發(fā)揮這一優(yōu)勢(shì),將其擴(kuò)展到機(jī)械傳動(dòng)等生產(chǎn)領(lǐng)域,為國民生產(chǎn)提供科學(xué)技術(shù)支持。

3.3提升機(jī)械傳動(dòng)的適應(yīng)性

現(xiàn)代機(jī)械工程的發(fā)展日新月異,對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)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(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)強(qiáng)電場(chǎng)等特殊(極端)環(huán)境下的機(jī)械,就需要與該環(huán)境相適應(yīng)的傳動(dòng)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(yīng)性研究,以及傳動(dòng)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(diǎn)。此外,微機(jī)械中的微型傳動(dòng)系統(tǒng),也是一個(gè)重要的研究方向。因?yàn)槌叨刃?yīng)的影響,微型傳動(dòng)系統(tǒng)與普通機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械管理開發(fā)的工作原理和性能特征均有很大不同,當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸小到微米或納米級(jí)時(shí),會(huì)產(chǎn)生很多新的科學(xué)問題。比如傳動(dòng)副元件的表面積與體積之比增大,表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用,同時(shí)微傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦學(xué)、熱傳導(dǎo)與常規(guī)尺度的傳動(dòng)系統(tǒng)不同,這就需要加大研究力度。

4結(jié)語

本文回顧了機(jī)械傳動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程,并對(duì)其研究方向作了簡(jiǎn)要的展望。傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械的重要組成部分,是決定機(jī)械發(fā)展水平的重要標(biāo)志。隨著科技的發(fā)展,機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)也與原動(dòng)力系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)相協(xié)調(diào),產(chǎn)生了飛躍式的發(fā)展??傮w來說,機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展是朝著高效率、重荷載、低噪音,適用性強(qiáng)且成本低的方向發(fā)展,并特別強(qiáng)調(diào)傳動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境意識(shí)。

作者:張森 單位:晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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