機械傳動科學技術的發展歷程與展望

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1機械傳動技術的萌芽

因為傳動系統是機械不可缺少的組成部分，所以傳動系統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，可見傳動系統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明，這是利用齒輪傳動系統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，以時鐘的發明為標志，齒輪傳動系統產生了一個飛躍。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，但在工業革命之前，各類傳動系統也和機械本身一樣，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，它的飛躍對于傳動系統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展，基本上可以滿足機械工業的需要。20世紀40年代后，齒輪幾何學逐漸發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電機傳動系統。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、火箭助推器對傳動系統的要求非常高，不僅要求傳動系統體積小、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，發現傳動系統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、環面蝸桿、點接觸蝸桿及圓弧齒輪等新式傳動系統，極大推動了機械傳動技術的發展。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。傳動系統動力學研究更為深入，研究人員提出了齒輪傳動系統故障診斷、狀態監控和失效預警的思路，并開發出相應的監控與診斷軟件，用于冶金、船舶、電廠等大型關鍵設備的傳動系統，使之走上了智能化的臺階，取得了較好的效果。同時，傳動系統的研究由微觀返向宏觀，即傳動系統的研究并不單純以傳動系統為對象，而是把機械作為一個整體來研究，傳動系統與整機的匹配、協調，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、效率高等優點。當然，傳統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，應在優化改進傳統傳動技術的基礎上，探尋創新型傳動模式，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，即根據原動力系統的效率特征和執行系統的功能要求，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、傳動系統和執行系統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傳動系統新材料的突破

現代材料科學肇端于20世紀50年代，蘇聯成功發射人造地球衛星之后，人們認識到，先進材料對于高科技的發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，我們應保持并發揮這一優勢，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

現代機械工程的發展日新月異，對于機械傳動系統的要求也越來越高，比如，宇宙空間的高真空、微重力、大溫差，海洋環境下的海水腐蝕，以及強磁場或強強電場等特殊（極端）環境下的機械，就需要與該環境相適應的傳動系統。這類特殊（極端）環境下的傳統系統開發及其適應性研究，以及傳動系統在該環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，也是一個重要的研究方向。因為尺度效應的影響，微型傳動系統與普通機械傳動機械管理開發的工作原理和性能特征均有很大不同，當傳動系統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，同時微傳動系統的摩擦學、熱傳導與常規尺度的傳動系統不同，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展歷程，并對其研究方向作了簡要的展望。傳動系統是機械的重要組成部分，是決定機械發展水平的重要標志。隨著科技的發展，機械傳動系統也與原動力系統、執行系統相協調，產生了飛躍式的發展。總體來說，機械傳動系統的發展是朝著高效率、重荷載、低噪音，適用性強且成本低的方向發展，并特別強調傳動系統的節能與環境意識。

作者：張森 單位：晉中職業技術學院