机械传动技术发展与展望

2018-02-16王向才

机械管理开发 2018年2期

王向才

（吉林铁道职业技术学院，吉林　吉林　132200）

引言

工业生产中需应用各式各样的机械设备，这些机械设备间性能上虽有较大差异，但基本都由原动力系统、传动系统、执行系统构成，任何一项缺失或故障都会对机械设备功能造成影响。传动系统在系统中占据重要位置，所以传动技术一直都是机械制造领域最为重要研究课题之一。机械传动与其他传动方式相比，传动效率好、控制精度高、响应速度快、适应范围广，非常具有研究价值。

1　机械传动技术的特性

从现代机械系统原理与结构来看，主要由原动力系统、传动系统、执行系统构成。原动力系统为机械系统的运动提供基本动力，执行系统执行机械的具体功能，传动系统负责动力和运动的传递[1]。执行系统与原动力系统不论运动方式，还是结构形式上，都存在一定差异，所以一些时候会出现原动力系统动力输出无法满足执行系统工作要求的情况。因此，机械系统运行中需要传动系统将原动力系统提供的运动和动力进行转换，并将其传递给执行系统，使执行系统正常运作，实现机械系统功能。根据传动形式可分为机械传动、电传动、流体传动等[2]。机械传动与其他传动形式相比，具有高效、高速、精密等特点，在机械工程中应用非常广泛。机械传动技术按动力和运动传递方式的不同可分为摩擦传动和啮合传动两大类。摩擦传动常见方式，如带传动、绳传动等。啮合传动常见方式，如链传动、齿轮传动、螺旋传动等[3]。不同传递方式适用范围不同，摩擦传动能适应轴间距较大的传动需求，但传动比缺乏准确性，更不能适用于大功率的传动场合。啮合传动与摩擦传动相比，依靠主动件与从动件结合或借助中间件啮合齿轮传递动力和运动，传动比准确，能适用于大功率传动场合。由于机械设备运行当中传动技术对机械设备性能、寿命、能耗、噪声都有较大影响，所以一直都是机械工程领域研究的重点。

2　机械传动技术发展

机械传动具有一定优势，根据传动方式不同分为啮合传动与摩擦传动。机械传动技术具有较长历史，我国古代就有机械传动雏形，如桔槔、指南车就基于机械原理，指南车便采用的是啮合传动方式，应用了相当复杂的齿轮传动系统[4]。在14世纪，西方便已开始出现精细、精密的传动齿轮，机械传动技术得到发展。18世纪初，蒸汽机进入使用，机械传动技术进入高速发展阶段，更高质量的金属传动齿轮得到应用，使得齿轮传动的传动比越来越精确，因此开始被应用到机械制造领域。链传动也是主要啮合传动方式之一，链传动需基于链条实现，传动过程中通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮上，如自行车便基于链传动实现。链传动工作效率高，传动功率大，不打滑，能适应各类恶劣工作环境。但传系统的动平衡性较差，实现成本高，传动件易磨损，且传动过程噪声大。摩擦传动主要依靠绳带，靠紧绕在槽轮上的绳带与槽轮间的摩擦力来传递运动和动力。这种传动方式也有较长历史，西汉时期手摇纺车就是典型绳带传动。现如今的汽车传动带、家用电器传动带都属于绳带传动[5]。绳带传动结构简单，传动平稳，实现成本低，不需要润滑，维护简易，运转噪声低。但传动比相对不准确，应用中也存在一定限制。

由于传动系统决定机械设备性能，机械设备本身总是会和传动技术联系在一起。现如今内燃机与电动机对机械传动技术要求越来越高，为提升机械设备性能，满足机械系统传动需求，许多新兴技术开始应用到机械传动技术领域，尤其啮合传动20世纪应用到航空领域后，相关的动力研究更加深入。宇航机械装置对传动可靠性、准确性都有较高要求，啮合传动也因此成为机械传动研究热点。自此传动设计更加精细，零件和材料不断更新，体积越来越小，质量越来越轻，并开始融入各类高新技术手段。例如：行星系列齿轮箱就是近些年较为常用宇航高精传动设备，该设备高速轴转速可达到73 000 r/min，采用自动高速齿式联轴器和滑动轴承，无需高速轴承支撑，效率大于98.5%。当前机械传动技术仍在不断研究与发展当中，并开始出现太阳轮、齿圈整体浮动均载技术、齿式联轴器技术、多轴疲劳分析技术、高重合度齿轮优化技术等众多技术手段。显然现如今机械传动技术的技术含量越来越高，正在朝着高度集成化、自动化、智能化、绿化化方向发展。

3　对机械传动技术的展望

3.1　智能化与信息化程度的提升

信息技术、智能技术融入机械传动领域已成为必然趋势，未来机械传动必然要呈现出信息化、智能化的特征。当前很多传动设备都在尝试与信息技术融合，以此实现智能控制与调节[6]。例如，汽车自动变速就是信息技术与机械传动技术的融合，通过计算机对机械传动功率和速比进行实时控制。另外，近些年，物联网技术也开始应用到机械传动领域[7]。基于物联网技术的机械传动系统，能实现相关设备的非接触识别与控制，控制准确性和可靠性更高，安全性更好。基于物联网的机械传动设备应用传感设备和感应终端，进行非接触信息采集和信号识别，以网络作为控制指令和运行数据传输的媒介，通过计算机系统完成高精度控制。系统故障时，传统故障检测先找故障点，分析故障原因，再进行故障维修。而这种传动设备控制方式，故障率低，发生故障后系统会自动检测故障原因，并将故障信息反馈给系统。维修人员根据故障信息便能展开有效维修，维修时间被缩短。

3.2　绿色化的发展

当前环境污染、能源危机等一系列问题越来越突出，机械传动技术未来发展必然要走绿色化发展路线，要更加节能、环保。目前在部分机械传动系统设计中，由于缺乏对环保、节能的考虑，不仅能耗大，噪声明显，且使用的润滑剂对环境有一定污染性，这些润滑剂在使用过程中会因油箱呼吸作用挥发到空气中，残留液体污染物也会污染水资源。因此，未来机械传动要更加节能、环保才能持续发展，要尽可能使用无污染润滑剂，充分考虑原动力系统和执行系统的协调。具体设计中，要根据机械系统功率和速度，对传动系统进行合理设计，使系统各部分实现最佳匹配效果，从而降低机械运作污染物排放量。例如，汽车工业领域，传动系统设计就应结合变速器动力结构进行科学设计，从而实现汽车发动机的有效调节与控制，降低汽车能耗，实现减排目的。目前在这方面做的比较好的，如ABB传动系统，不仅运行效率非常高，且能耗小，众多工业自动化设备都应用了ABB传动系统。

3.3　材料技术水平的提升

未来机械传动系统不论科学技术水平，还是应用的材料科学技术水平都会有所提升。近些年，随着高新技术的快速发展，各种新型材料被研发，部分材料也被应用到了机械传动领域。这些新型材料的应用必然能促进机械传动技术的发展，使之突破以往机械传动技术障碍。如：梯度材料、高分子聚合物、智能材料，目前已开始在机械传动领域进行实践，并取得优异成绩，已被证明能对机械传动系统性能产生了影响。梯度材料适合用于制作机械传动零件，由于梯度材料由表至里呈梯度变，且变化很有规律，材料韧性与强度都非常好，梯度材料机械传动零件使用寿命长，成本更低，是目前新型机械传动系统首选新型材料之一。另外，高分子聚合物具有耐磨、耐热、耐腐等特点，同样非常适合制作机械传动零件，尤其是无需任何润滑介质的机械传动系统中值得应用，市面上已出现应用高分子聚合物的齿轮啮合传动制品。智能材料属于新兴材料，在机械传动系统中应用智能材料，能实现机械结构智能控制，对推进机械传动系统自动化、智能化发展有很大帮助。如：敏感材料、基体材料、驱动材料都非常适合应用于精密度要求高的机械传动系统设计。