機(jī)械傳動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷程與展望

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1機(jī)械傳動技術(shù)的萌芽

因?yàn)閭鲃酉到y(tǒng)是機(jī)械不可缺少的組成部分，所以傳動系統(tǒng)與機(jī)械是同時產(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，我國春秋時期即已經(jīng)廣泛使用的桔槔，便可以視為簡單的機(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，恰恰就是傳動系統(tǒng)，可見傳動系統(tǒng)在機(jī)械中的重要作用，同時也說明，對于機(jī)械的不自覺使用，早在春秋時期，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。早在古希臘時期，就有機(jī)械傳動的記載。羅馬時代，則發(fā)明了水力驅(qū)動，木制齒輪傳動的“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，在傳動技術(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)，以時鐘的發(fā)明為標(biāo)志，齒輪傳動系統(tǒng)產(chǎn)生了一個飛躍。因?yàn)闀r鐘比較精細(xì)，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(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(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量的金屬齒輪傳動得到了極大應(yīng)用。

2機(jī)械傳動技術(shù)的發(fā)展

19世紀(jì)末，電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)獲得廣泛使用，對機(jī)械傳動技術(shù)提出了更高要求，到20世紀(jì)初期，機(jī)械傳動技術(shù)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(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的表面接觸強(qiáng)度及輪齒彎曲強(qiáng)度，基于動載荷的機(jī)械傳動設(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(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試驗(yàn)，通過研究，發(fā)現(xiàn)傳動系統(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)械傳動技術(shù)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(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系統(tǒng)，極大推動了機(jī)械傳動技術(shù)的發(fā)展。值得一提的是，我國正是在這一時期，在機(jī)械傳動技術(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，隨著知識經(jīng)濟(jì)的到來，機(jī)械傳動技術(shù)更是突飛猛進(jìn)，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(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，傳動系統(tǒng)減振降噪研究，也成為一個熱點(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。傳動系統(tǒng)動力學(xué)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(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(jī)械作為一個整體來研究，傳動系統(tǒng)與整機(jī)的匹配、協(xié)調(diào)，越來越受到重視。

3機(jī)械傳動技術(shù)的展望

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(yīng)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(jìn)入實(shí)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(diǎn)。當(dāng)然，傳統(tǒng)的軸承等接觸式傳動，仍大有用武之地。今后，機(jī)械傳動技術(shù)領(lǐng)域的研究，應(yīng)在優(yōu)化改進(jìn)傳統(tǒng)傳動技術(shù)的基礎(chǔ)上，探尋創(chuàng)新型傳動模式，在一段時間內(nèi)，研究重點(diǎn)仍然是前者。大體來說，機(jī)械傳動的研究方向主要有以下幾點(diǎn)：

3.1提高機(jī)械傳動的信息化、智能化水平

信息化和智能化是現(xiàn)代社會的重要特征之一，涉及到生產(chǎn)、生活的方方面面，機(jī)械傳動領(lǐng)域也不能例外。機(jī)械傳動技術(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)動力傳動功率和速比的實(shí)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(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)自動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(jī)械自動變速ASM（Automaticshiftmanualtransmisson）、液力機(jī)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(shù)已相當(dāng)成熟，代表著傳動技術(shù)信息化、智能化的主流。但在國內(nèi)，相對而言，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)識到，先進(jìn)材料對于高科技的發(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)，推動著機(jī)械傳動技術(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，將其擴(kuò)展到機(jī)械傳動等生產(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)械傳動的適應(yīng)性

現(xiàn)代機(jī)械工程的發(fā)展日新月異，對于機(jī)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(qiáng)磁場或強(qiáng)強(qiáng)電場等特殊（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)械中的微型傳動系統(tǒng)，也是一個重要的研究方向。因?yàn)槌叨刃?yīng)的影響，微型傳動系統(tǒng)與普通機(jī)械傳動機(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)傳動系統(tǒng)的尺寸小到微米或納米級時，會產(chǎn)生很多新的科學(xué)問題。比如傳動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，同時微傳動系統(tǒng)的摩擦學(xué)、熱傳導(dǎo)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(jié)語

本文回顧了機(jī)械傳動科學(xué)技術(shù)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(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)械傳動系統(tǒng)也與原動力系統(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(shù)學(xué)院