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机械传动科学技术的发展历程与展望

1机械传动技术的萌芽

因为传动系统是机械不可缺少的组成部分,所以传动系统与机械是同时产生的,甚至可以说,因为有了传运装置,机械才得以产生。比如,我国春秋时期即已经广泛使用的桔槔,便可以视为简单的机械,其中,最为智慧的,就是杠杆原理的运用,而这里的杠杆,恰恰就是传动系统,可见传动系统在机械中的重要作用,同时也说明,对于机械的不自觉使用,早在春秋时期,智慧的先人就已经开始了。另外,指南车是展示我国先人智慧的又一发明,这是利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向的车辆。关于指南车的记载,虽有神话成分,或存在史实上的矛盾,但《宋史•舆服志》记载的指南车结构和技术规范,尤其是齿轮大小和齿数的详细记载,不仅证明指南车在我国古代确实存在,也显示了我国古代机械制造的高超水平。另据考证,早在战国到西汉之间,机械传动的重要标志——齿轮,就已经诞生了,另参酌其他古籍,当可推知,指南车的发明,肯定早于宋代,中国古代科技史学家王振铎认为,三国时期的马钧发明了指南车,颇为可信。放眼国外,关于机械的记载与使用也比较早。早在古希腊时期,就有机械传动的记载。罗马时代,则发明了水力驱动,木制齿轮传动的“谷物碾磨机”,后来,瑞典人在谷物磨中率先采用了斜齿轮传动,在传动技术史上称得上是突破,只不过,这种斜齿轮是由石头制成的,在材料上显得过于原始。进入14世纪,以时钟的发明为标志,齿轮传动系统产生了一个飞跃。因为时钟比较精细,传动齿轮自然也需要精密化、小巧化,于是,人们开始研究金属齿轮。先人的智慧值得景仰,但在工业革命之前,各类传动系统也和机械本身一样,处于原始阶段。直到18世纪初,蒸汽机进入实用,相续在矿井排水、铁路机车、加工制造等领域大显身手,现代意义的机械才得以产生。从本质上来说,蒸汽机是机械的动力系统,它的飞跃对于传动系统自然提出了更高的需求,从那以后,高标准、高质量的金属齿轮传动得到了极大应用。

2机械传动技术的发展

19世纪末,电动机和内燃机获得广泛使用,对机械传动技术提出了更高要求,到20世纪初期,机械传动技术有了很大发展,直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动相继问世,性能、精度及耐久性方面都有了很大发展,基本上可以满足机械工业的需要。20世纪40年代后,齿轮几何学逐渐发展成为一门独立的学科,齿形、啮合及齿轮之间的展成关系,可以通过数学计算实现精确化,这使得机械传动真正成为一门科学。在精确计算的支撑下,研究人员逐步掌握了齿轮传动的表面接触强度及轮齿弯曲强度,基于动载荷的机械传动设计也初步成型,并应用于高速重载的汽轮发电机传动系统。这期间,研究人员还提出了齿轮齿廓和齿向修形设计的方法,以提高承载能力。进入20世纪60年代,肇端于美国的宇航技术取得突破性进展,导航系统、火箭助推器对传动系统的要求非常高,不仅要求传动系统体积小、承载能力强,可靠性更成为首要的考量标准。为此,研究人员不遗余力,对直齿、斜齿、锥齿的表面疲劳强度进行了深入研究,并进行严谨的可靠性增长试验,通过研究,发现传动系统的原材料和齿轮的啮合性不仅关乎其承载能力,也与其可靠性密切相关,这一发现促成了非金属材料(如高强度塑料)齿轮的产生。进入70年代后,机械传动技术更有了飞跃式的发展,空间啮合理论成为这一时期的亮点,研究人员相继推出曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆及圆弧齿轮等新式传动系统,极大推动了机械传动技术的发展。值得一提的是,我国正是在这一时期,在机械传动技术领域,迎头赶上发达国家,达到了世界先进国家的水平。20世纪80年代以后,随着知识经济的到来,机械传动技术更是突飞猛进,在空间啮合理论的推动下,少齿差行星传动、变型伺服传动、新型蜗杆传动等新型传动系统相继出现,弹性变形理论、制造误差的啮合理论、局部共轭理论及失配啮合理论,都达到很高水平,齿间载荷分配和应力分析也得到广泛应用。这期间,传动系统减振降噪研究,也成为一个热点,并获得诸多成果,轮齿三维任意可控修形设计便是其中最为重要的创举,根据轮齿修形的要求,多自由度数控齿轮加工机床纷纷问世。传动系统动力学研究更为深入,研究人员提出了齿轮传动系统故障诊断、状态监控和失效预警的思路,并开发出相应的监控与诊断软件,用于冶金、船舶、电厂等大型关键设备的传动系统,使之走上了智能化的台阶,取得了较好的效果。同时,传动系统的研究由微观返向宏观,即传动系统的研究并不单纯以传动系统为对象,而是把机械作为一个整体来研究,传动系统与整机的匹配、协调,越来越受到重视。

3机械传动技术的展望

随着科学技术的发展,机械传动的模式早已不再局限于齿轮、链条等接触式传动,通过电磁感应原理来传递动力的非接触传动(如电磁轴承、电磁传动等)已进入实用,与传统的接触式传动相比,非接触传动具有无磨损、寿命长、效率高等优点。当然,传统的轴承等接触式传动,仍大有用武之地。今后,机械传动技术领域的研究,应在优化改进传统传动技术的基础上,探寻创新型传动模式,在一段时间内,研究重点仍然是前者。大体来说,机械传动的研究方向主要有以下几点:

3.1提高机械传动的信息化、智能化水平

信息化和智能化是现代社会的重要特征之一,涉及到生产、生活的方方面面,机械传动领域也不能例外。机械传动技术应与计算机控制技术相结合,实现信息化和智能化,即根据原动力系统的效率特征和执行系统的功能要求,通过计算机控制技术,精确实现动力传动功率和速比的实时控制,从而使原动力系统、传动系统和执行系统趋于最佳匹配与融合,这一研究也是机械装备实现自动化和智能化的重要基础。经过科研人员的不懈努力,传动系统的信息化与智能化,以至于机械装备的信息化和智能化,已经获得重大进展,在汽车、工程机械和军工机械生产领域广泛应用。目前,自动变速传动是最为主要的信息化、智能化传动模式,一般来说,包括三种形式,即机械自动变速ASM(Automaticshiftmanualtransmisson)、液力机械自动变速传动AT(Automatictransmission)和无级自动变速传动CVT(Continuouslyvariabletransmission),这三种传动形式的技术已相当成熟,代表着传动技术信息化、智能化的主流。但在国内,相对而言,AT、CVT技术还存在较大差距,应重点攻关。

3.2传动系统新材料的突破

现代材料科学肇端于20世纪50年代,苏联成功发射人造地球卫星之后,人们认识到,先进材料对于高科技的发展起着至关重要的作用,此后,材料科学成为人们耳熟能详的热门词汇。在传动技术领域,新材料的运用也方兴未艾,比如梯度材料、陶瓷材料、纳料材料、高分子聚合物、智能材料、表面涂层及自修复材料等,均以其鲜明而独特的性能特点,推动着机械传动技术的发展和性能的提高。材料科学是多学科交叉与结合的结晶,是一门与工程技术密不可分的应用科学,我国材料科学的研究水平位居世界前列,有些领域甚至居于世界领先水平,我们应保持并发挥这一优势,将其扩展到机械传动等生产领域,为国民生产提供科学技术支持。

3.3提升机械传动的适应性

现代机械工程的发展日新月异,对于机械传动系统的要求也越来越高,比如,宇宙空间的高真空、微重力、大温差,海洋环境下的海水腐蚀,以及强磁场或强强电场等特殊(极端)环境下的机械,就需要与该环境相适应的传动系统。这类特殊(极端)环境下的传统系统开发及其适应性研究,以及传动系统在该环境下的服役特性研究,也是我们下一步研究的重点。此外,微机械中的微型传动系统,也是一个重要的研究方向。因为尺度效应的影响,微型传动系统与普通机械传动机械管理开发的工作原理和性能特征均有很大不同,当传动系统的尺寸小到微米或纳米级时,会产生很多新的科学问题。比如传动副元件的表面积与体积之比增大,表面力学、表面物理效应将起主导作用,同时微传动系统的摩擦学、热传导与常规尺度的传动系统不同,这就需要加大研究力度。

4结语

本文回顾了机械传动科学技术的发展历程,并对其研究方向作了简要的展望。传动系统是机械的重要组成部分,是决定机械发展水平的重要标志。随着科技的发展,机械传动系统也与原动力系统、执行系统相协调,产生了飞跃式的发展。总体来说,机械传动系统的发展是朝着高效率、重荷载、低噪音,适用性强且成本低的方向发展,并特别强调传动系统的节能与环境意识。

作者:张森 单位:晋中职业技术学院

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