機械傳動技術發展與展望

王向才

（吉林鐵道職業技術學院，吉林　吉林　132200）

引言

工業生產中需應用各式各樣的機械設備，這些機械設備間性能上雖有較大差異，但基本都由原動力系統、傳動系統、執行系統構成，任何一項缺失或故障都會對機械設備功能造成影響。傳動系統在系統中占據重要位置，所以傳動技術一直都是機械制造領域最為重要研究課題之一。機械傳動與其他傳動方式相比，傳動效率好、控制精度高、響應速度快、適應范圍廣，非常具有研究價值。

1　機械傳動技術的特性

從現代機械系統原理與結構來看，主要由原動力系統、傳動系統、執行系統構成。原動力系統為機械系統的運動提供基本動力，執行系統執行機械的具體功能，傳動系統負責動力和運動的傳遞[1]。執行系統與原動力系統不論運動方式，還是結構形式上，都存在一定差異，所以一些時候會出現原動力系統動力輸出無法滿足執行系統工作要求的情況。因此，機械系統運行中需要傳動系統將原動力系統提供的運動和動力進行轉換，并將其傳遞給執行系統，使執行系統正常運作，實現機械系統功能。根據傳動形式可分為機械傳動、電傳動、流體傳動等[2]。機械傳動與其他傳動形式相比，具有高效、高速、精密等特點，在機械工程中應用非常廣泛。機械傳動技術按動力和運動傳遞方式的不同可分為摩擦傳動和嚙合傳動兩大類。摩擦傳動常見方式，如帶傳動、繩傳動等。嚙合傳動常見方式，如鏈傳動、齒輪傳動、螺旋傳動等[3]。不同傳遞方式適用范圍不同，摩擦傳動能適應軸間距較大的傳動需求，但傳動比缺乏準確性，更不能適用于大功率的傳動場合。嚙合傳動與摩擦傳動相比，依靠主動件與從動件結合或借助中間件嚙合齒輪傳遞動力和運動，傳動比準確，能適用于大功率傳動場合。由于機械設備運行當中傳動技術對機械設備性能、壽命、能耗、噪聲都有較大影響，所以一直都是機械工程領域研究的重點。

2　機械傳動技術發展

機械傳動具有一定優勢，根據傳動方式不同分為嚙合傳動與摩擦傳動。機械傳動技術具有較長歷史，我國古代就有機械傳動雛形，如桔槔、指南車就基于機械原理，指南車便采用的是嚙合傳動方式，應用了相當復雜的齒輪傳動系統[4]。在14世紀，西方便已開始出現精細、精密的傳動齒輪，機械傳動技術得到發展。18世紀初，蒸汽機進入使用，機械傳動技術進入高速發展階段，更高質量的金屬傳動齒輪得到應用，使得齒輪傳動的傳動比越來越精確，因此開始被應用到機械制造領域。鏈傳動也是主要嚙合傳動方式之一，鏈傳動需基于鏈條實現，傳動過程中通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪上，如自行車便基于鏈傳動實現。鏈傳動工作效率高，傳動功率大，不打滑，能適應各類惡劣工作環境。但傳系統的動平衡性較差，實現成本高，傳動件易磨損，且傳動過程噪聲大。摩擦傳動主要依靠繩帶，靠緊繞在槽輪上的繩帶與槽輪間的摩擦力來傳遞運動和動力。這種傳動方式也有較長歷史，西漢時期手搖紡車就是典型繩帶傳動。現如今的汽車傳動帶、家用電器傳動帶都屬于繩帶傳動[5]。繩帶傳動結構簡單，傳動平穩，實現成本低，不需要潤滑，維護簡易，運轉噪聲低。但傳動比相對不準確，應用中也存在一定限制。

由于傳動系統決定機械設備性能，機械設備本身總是會和傳動技術聯系在一起。現如今內燃機與電動機對機械傳動技術要求越來越高，為提升機械設備性能，滿足機械系統傳動需求，許多新興技術開始應用到機械傳動技術領域，尤其嚙合傳動20世紀應用到航空領域后，相關的動力研究更加深入。宇航機械裝置對傳動可靠性、準確性都有較高要求，嚙合傳動也因此成為機械傳動研究熱點。自此傳動設計更加精細，零件和材料不斷更新，體積越來越小，質量越來越輕，并開始融入各類高新技術手段。例如：行星系列齒輪箱就是近些年較為常用宇航高精傳動設備，該設備高速軸轉速可達到73 000 r/min，采用自動高速齒式聯軸器和滑動軸承，無需高速軸承支撐，效率大于98.5%。當前機械傳動技術仍在不斷研究與發展當中，并開始出現太陽輪、齒圈整體浮動均載技術、齒式聯軸器技術、多軸疲勞分析技術、高重合度齒輪優化技術等眾多技術手段。顯然現如今機械傳動技術的技術含量越來越高，正在朝著高度集成化、自動化、智能化、綠化化方向發展。

3　對機械傳動技術的展望

3.1　智能化與信息化程度的提升

信息技術、智能技術融入機械傳動領域已成為必然趨勢，未來機械傳動必然要呈現出信息化、智能化的特征。當前很多傳動設備都在嘗試與信息技術融合，以此實現智能控制與調節[6]。例如，汽車自動變速就是信息技術與機械傳動技術的融合，通過計算機對機械傳動功率和速比進行實時控制。另外，近些年，物聯網技術也開始應用到機械傳動領域[7]。基于物聯網技術的機械傳動系統，能實現相關設備的非接觸識別與控制，控制準確性和可靠性更高，安全性更好。基于物聯網的機械傳動設備應用傳感設備和感應終端，進行非接觸信息采集和信號識別，以網絡作為控制指令和運行數據傳輸的媒介，通過計算機系統完成高精度控制。系統故障時，傳統故障檢測先找故障點，分析故障原因，再進行故障維修。而這種傳動設備控制方式，故障率低，發生故障后系統會自動檢測故障原因，并將故障信息反饋給系統。維修人員根據故障信息便能展開有效維修，維修時間被縮短。

3.2　綠色化的發展

當前環境污染、能源危機等一系列問題越來越突出，機械傳動技術未來發展必然要走綠色化發展路線，要更加節能、環保。目前在部分機械傳動系統設計中，由于缺乏對環保、節能的考慮，不僅能耗大，噪聲明顯，且使用的潤滑劑對環境有一定污染性，這些潤滑劑在使用過程中會因油箱呼吸作用揮發到空氣中，殘留液體污染物也會污染水資源。因此，未來機械傳動要更加節能、環保才能持續發展，要盡可能使用無污染潤滑劑，充分考慮原動力系統和執行系統的協調。具體設計中，要根據機械系統功率和速度，對傳動系統進行合理設計，使系統各部分實現最佳匹配效果，從而降低機械運作污染物排放量。例如，汽車工業領域，傳動系統設計就應結合變速器動力結構進行科學設計，從而實現汽車發動機的有效調節與控制，降低汽車能耗，實現減排目的。目前在這方面做的比較好的，如ABB傳動系統，不僅運行效率非常高，且能耗小，眾多工業自動化設備都應用了ABB傳動系統。

3.3　材料技術水平的提升

未來機械傳動系統不論科學技術水平，還是應用的材料科學技術水平都會有所提升。近些年，隨著高新技術的快速發展，各種新型材料被研發，部分材料也被應用到了機械傳動領域。這些新型材料的應用必然能促進機械傳動技術的發展，使之突破以往機械傳動技術障礙。如：梯度材料、高分子聚合物、智能材料，目前已開始在機械傳動領域進行實踐，并取得優異成績，已被證明能對機械傳動系統性能產生了影響。梯度材料適合用于制作機械傳動零件，由于梯度材料由表至里呈梯度變，且變化很有規律，材料韌性與強度都非常好，梯度材料機械傳動零件使用壽命長，成本更低，是目前新型機械傳動系統首選新型材料之一。另外，高分子聚合物具有耐磨、耐熱、耐腐等特點，同樣非常適合制作機械傳動零件，尤其是無需任何潤滑介質的機械傳動系統中值得應用，市面上已出現應用高分子聚合物的齒輪嚙合傳動制品。智能材料屬于新興材料，在機械傳動系統中應用智能材料，能實現機械結構智能控制，對推進機械傳動系統自動化、智能化發展有很大幫助。如：敏感材料、基體材料、驅動材料都非常適合應用于精密度要求高的機械傳動系統設計。

4　結語

現代工業生產已離不開對機械設備的應用，機械設備已成為生產的主要工具，而機械設備功能的實現需要得到傳動系統的支持。通過正文分析可知，機械傳統技術具有較長的研究歷史、較強的應用潛力，隨著高新技術在機械傳動領域的應用，未來機械傳動將逐步走向智能化、自動化控制，節能與環保效果也會更好。

[1]段佳明.基于LabVIEW的機械傳動綜合實驗臺的研究與設計[J].華北航天工業學院學報，2016（1）：39-40.

[2]李國強，雷福斗.工程機械傳動系節能技術的研究與應用——山推傾力打造傳動系統節能全面解決方案[J].液壓氣動與密封，2016，34（7）：70-72；76.

[3]邵忍平，黃欣娜，胡軍輝.基于DCT和FFT譜熵分析的機械傳動系統狀態檢測與趨勢預測[J].中國機械工程，2015，19（4）：95-99.

[4]張建明.精密機械傳動鏈動態傳動精度檢測分析系統的研制[J].實驗科學與技術，2016（5）：122-124.

[5]孫志禮，陳良玉，何恩山，等.機械傳動系統可靠性設計模型(Ⅱ)—考慮強度相關性的設計[J].東北大學學報，2015（6）：552-555.

[6]范順成，張驍，溫正忠.關于機械傳動方案設計專家系統（DES）開發中建立知識庫問題的探討[J].機械設計，2001（2）：31-34.

[7]沈敏德，馮培恩，宋燁.基于力學效應的機械傳動原理設計知識庫的結構研究[J].工程設計，2016（2）：16-18.