机械传动科学技术的发展探索

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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