機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展與展望

王向才

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林　吉林　132200）

引言

工業(yè)生產(chǎn)中需應(yīng)用各式各樣的機(jī)械設(shè)備，這些機(jī)械設(shè)備間性能上雖有較大差異，但基本都由原動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成，任何一項(xiàng)缺失或故障都會(huì)對(duì)機(jī)械設(shè)備功能造成影響。傳動(dòng)系統(tǒng)在系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，所以傳動(dòng)技術(shù)一直都是機(jī)械制造領(lǐng)域最為重要研究課題之一。機(jī)械傳動(dòng)與其他傳動(dòng)方式相比，傳動(dòng)效率好、控制精度高、響應(yīng)速度快、適應(yīng)范圍廣，非常具有研究?jī)r(jià)值。

1　機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的特性

從現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)來(lái)看，主要由原動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)構(gòu)成。原動(dòng)力系統(tǒng)為機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)提供基本動(dòng)力，執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)械的具體功能，傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳遞[1]。執(zhí)行系統(tǒng)與原動(dòng)力系統(tǒng)不論運(yùn)動(dòng)方式，還是結(jié)構(gòu)形式上，都存在一定差異，所以一些時(shí)候會(huì)出現(xiàn)原動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力輸出無(wú)法滿足執(zhí)行系統(tǒng)工作要求的情況。因此，機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行中需要傳動(dòng)系統(tǒng)將原動(dòng)力系統(tǒng)提供的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將其傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)，使執(zhí)行系統(tǒng)正常運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)功能。根據(jù)傳動(dòng)形式可分為機(jī)械傳動(dòng)、電傳動(dòng)、流體傳動(dòng)等[2]。機(jī)械傳動(dòng)與其他傳動(dòng)形式相比，具有高效、高速、精密等特點(diǎn)，在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛。機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)按動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞方式的不同可分為摩擦傳動(dòng)和嚙合傳動(dòng)兩大類。摩擦傳動(dòng)常見(jiàn)方式，如帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)等。嚙合傳動(dòng)常見(jiàn)方式，如鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)等[3]。不同傳遞方式適用范圍不同，摩擦傳動(dòng)能適應(yīng)軸間距較大的傳動(dòng)需求，但傳動(dòng)比缺乏準(zhǔn)確性，更不能適用于大功率的傳動(dòng)場(chǎng)合。嚙合傳動(dòng)與摩擦傳動(dòng)相比，依靠主動(dòng)件與從動(dòng)件結(jié)合或借助中間件嚙合齒輪傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確，能適用于大功率傳動(dòng)場(chǎng)合。由于機(jī)械設(shè)備運(yùn)行當(dāng)中傳動(dòng)技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)備性能、壽命、能耗、噪聲都有較大影響，所以一直都是機(jī)械工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

2　機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展

機(jī)械傳動(dòng)具有一定優(yōu)勢(shì)，根據(jù)傳動(dòng)方式不同分為嚙合傳動(dòng)與摩擦傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)具有較長(zhǎng)歷史，我國(guó)古代就有機(jī)械傳動(dòng)雛形，如桔槔、指南車就基于機(jī)械原理，指南車便采用的是嚙合傳動(dòng)方式，應(yīng)用了相當(dāng)復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)[4]。在14世紀(jì)，西方便已開(kāi)始出現(xiàn)精細(xì)、精密的傳動(dòng)齒輪，機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)得到發(fā)展。18世紀(jì)初，蒸汽機(jī)進(jìn)入使用，機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，更高質(zhì)量的金屬傳動(dòng)齒輪得到應(yīng)用，使得齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比越來(lái)越精確，因此開(kāi)始被應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域。鏈傳動(dòng)也是主要嚙合傳動(dòng)方式之一，鏈傳動(dòng)需基于鏈條實(shí)現(xiàn)，傳動(dòng)過(guò)程中通過(guò)鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪上，如自行車便基于鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。鏈傳動(dòng)工作效率高，傳動(dòng)功率大，不打滑，能適應(yīng)各類惡劣工作環(huán)境。但傳系統(tǒng)的動(dòng)平衡性較差，實(shí)現(xiàn)成本高，傳動(dòng)件易磨損，且傳動(dòng)過(guò)程噪聲大。摩擦傳動(dòng)主要依靠繩帶，靠緊繞在槽輪上的繩帶與槽輪間的摩擦力來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。這種傳動(dòng)方式也有較長(zhǎng)歷史，西漢時(shí)期手搖紡車就是典型繩帶傳動(dòng)?，F(xiàn)如今的汽車傳動(dòng)帶、家用電器傳動(dòng)帶都屬于繩帶傳動(dòng)[5]。繩帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)成本低，不需要潤(rùn)滑，維護(hù)簡(jiǎn)易，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲低。但傳動(dòng)比相對(duì)不準(zhǔn)確，應(yīng)用中也存在一定限制。

由于傳動(dòng)系統(tǒng)決定機(jī)械設(shè)備性能，機(jī)械設(shè)備本身總是會(huì)和傳動(dòng)技術(shù)聯(lián)系在一起。現(xiàn)如今內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)要求越來(lái)越高，為提升機(jī)械設(shè)備性能，滿足機(jī)械系統(tǒng)傳動(dòng)需求，許多新興技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其嚙合傳動(dòng)20世紀(jì)應(yīng)用到航空領(lǐng)域后，相關(guān)的動(dòng)力研究更加深入。宇航機(jī)械裝置對(duì)傳動(dòng)可靠性、準(zhǔn)確性都有較高要求，嚙合傳動(dòng)也因此成為機(jī)械傳動(dòng)研究熱點(diǎn)。自此傳動(dòng)設(shè)計(jì)更加精細(xì)，零件和材料不斷更新，體積越來(lái)越小，質(zhì)量越來(lái)越輕，并開(kāi)始融入各類高新技術(shù)手段。例如：行星系列齒輪箱就是近些年較為常用宇航高精傳動(dòng)設(shè)備，該設(shè)備高速軸轉(zhuǎn)速可達(dá)到73 000 r/min，采用自動(dòng)高速齒式聯(lián)軸器和滑動(dòng)軸承，無(wú)需高速軸承支撐，效率大于98.5%。當(dāng)前機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)仍在不斷研究與發(fā)展當(dāng)中，并開(kāi)始出現(xiàn)太陽(yáng)輪、齒圈整體浮動(dòng)均載技術(shù)、齒式聯(lián)軸器技術(shù)、多軸疲勞分析技術(shù)、高重合度齒輪優(yōu)化技術(shù)等眾多技術(shù)手段。顯然現(xiàn)如今機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的技術(shù)含量越來(lái)越高，正在朝著高度集成化、自動(dòng)化、智能化、綠化化方向發(fā)展。

3　對(duì)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的展望

3.1　智能化與信息化程度的提升

信息技術(shù)、智能技術(shù)融入機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域已成為必然趨勢(shì)，未來(lái)機(jī)械傳動(dòng)必然要呈現(xiàn)出信息化、智能化的特征。當(dāng)前很多傳動(dòng)設(shè)備都在嘗試與信息技術(shù)融合，以此實(shí)現(xiàn)智能控制與調(diào)節(jié)[6]。例如，汽車自動(dòng)變速就是信息技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的融合，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)功率和速比進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。另外，近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用到機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域[7]?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的非接觸識(shí)別與控制，控制準(zhǔn)確性和可靠性更高，安全性更好?；谖锫?lián)網(wǎng)的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備應(yīng)用傳感設(shè)備和感應(yīng)終端，進(jìn)行非接觸信息采集和信號(hào)識(shí)別，以網(wǎng)絡(luò)作為控制指令和運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完成高精度控制。系統(tǒng)故障時(shí)，傳統(tǒng)故障檢測(cè)先找故障點(diǎn)，分析故障原因，再進(jìn)行故障維修。而這種傳動(dòng)設(shè)備控制方式，故障率低，發(fā)生故障后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)故障原因，并將故障信息反饋給系統(tǒng)。維修人員根據(jù)故障信息便能展開(kāi)有效維修，維修時(shí)間被縮短。

3.2　綠色化的發(fā)展

當(dāng)前環(huán)境污染、能源危機(jī)等一系列問(wèn)題越來(lái)越突出，機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展必然要走綠色化發(fā)展路線，要更加節(jié)能、環(huán)保。目前在部分機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于缺乏對(duì)環(huán)保、節(jié)能的考慮，不僅能耗大，噪聲明顯，且使用的潤(rùn)滑劑對(duì)環(huán)境有一定污染性，這些潤(rùn)滑劑在使用過(guò)程中會(huì)因油箱呼吸作用揮發(fā)到空氣中，殘留液體污染物也會(huì)污染水資源。因此，未來(lái)機(jī)械傳動(dòng)要更加節(jié)能、環(huán)保才能持續(xù)發(fā)展，要盡可能使用無(wú)污染潤(rùn)滑劑，充分考慮原動(dòng)力系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。具體設(shè)計(jì)中，要根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)功率和速度，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)最佳匹配效果，從而降低機(jī)械運(yùn)作污染物排放量。例如，汽車工業(yè)領(lǐng)域，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)就應(yīng)結(jié)合變速器動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的有效調(diào)節(jié)與控制，降低汽車能耗，實(shí)現(xiàn)減排目的。目前在這方面做的比較好的，如ABB傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅運(yùn)行效率非常高，且能耗小，眾多工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備都應(yīng)用了ABB傳動(dòng)系統(tǒng)。

3.3　材料技術(shù)水平的提升

未來(lái)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)不論科學(xué)技術(shù)水平，還是應(yīng)用的材料科學(xué)技術(shù)水平都會(huì)有所提升。近些年，隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型材料被研發(fā)，部分材料也被應(yīng)用到了機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域。這些新型材料的應(yīng)用必然能促進(jìn)機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，使之突破以往機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)障礙。如：梯度材料、高分子聚合物、智能材料，目前已開(kāi)始在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)踐，并取得優(yōu)異成績(jī)，已被證明能對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)性能產(chǎn)生了影響。梯度材料適合用于制作機(jī)械傳動(dòng)零件，由于梯度材料由表至里呈梯度變，且變化很有規(guī)律，材料韌性與強(qiáng)度都非常好，梯度材料機(jī)械傳動(dòng)零件使用壽命長(zhǎng)，成本更低，是目前新型機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)首選新型材料之一。另外，高分子聚合物具有耐磨、耐熱、耐腐等特點(diǎn)，同樣非常適合制作機(jī)械傳動(dòng)零件，尤其是無(wú)需任何潤(rùn)滑介質(zhì)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中值得應(yīng)用，市面上已出現(xiàn)應(yīng)用高分子聚合物的齒輪嚙合傳動(dòng)制品。智能材料屬于新興材料，在機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用智能材料，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)智能控制，對(duì)推進(jìn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化發(fā)展有很大幫助。如：敏感材料、基體材料、驅(qū)動(dòng)材料都非常適合應(yīng)用于精密度要求高的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4　結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)已離不開(kāi)對(duì)機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)備已成為生產(chǎn)的主要工具，而機(jī)械設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)需要得到傳動(dòng)系統(tǒng)的支持。通過(guò)正文分析可知，機(jī)械傳統(tǒng)技術(shù)具有較長(zhǎng)的研究歷史、較強(qiáng)的應(yīng)用潛力，隨著高新技術(shù)在機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用，未來(lái)機(jī)械傳動(dòng)將逐步走向智能化、自動(dòng)化控制，節(jié)能與環(huán)保效果也會(huì)更好。

[1]段佳明.基于LabVIEW的機(jī)械傳動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)[J].華北航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016（1）：39-40.

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