機械傳動技術的改進與發展

機械系統由原動機、傳動機構和執行機構3部分組成，其中，原動機為系統的運動提供動力。而執行機構隨機器功能的不同其運動方式和結構形式也不同，其是實現具體功能的執行器。正是由于動力機構比較單一、簡單，而執行機構相對復雜多變，所以才需要用傳動機構將動力源提供的動力進行相應的變化，以適應不同的執行機構。因此，只要有運動的地方，就一定會有傳動機構存在。機械傳動技術作為機械制造業研究的重要領域之一，其發展必將極大地推進機械行業的振興。
隨著當今科技的發展，機械傳動形式已經不僅僅局限于傳統的齒輪傳動等接觸式傳動，也出現了像電磁軸承、電磁傳動等非接觸式傳動，大大擴寬了機械傳動的研究范疇。對機械傳動技術的研究，我們一方面應該著眼于繼續尋找新的傳動形式，但更為重要的一方面，我們應該更加注重對現有傳動形式進行優化和改進。改進的目標有以下2個方面：首先是要提高承載能力和傳動效率，同時要盡可能降低傳動機構的成本；其次，要使傳動機構的適應性更強，可以在特殊環境下完成任務，比如在狹小空間中傳動，甚至是在高溫或強腐蝕環境中實現非接觸式的傳動。因此，本文重點介紹一種傳統的機械傳動方式——蝸輪蝸桿傳動的發展，以及一種新的機械傳動方式——電磁非接觸傳動的研究情況。
1、蝸輪蝸桿傳動
蝸輪蝸桿傳動是一種傳統的傳動方式，它的優點在于可以實現很大的傳動比，而且機構非常緊湊，傳動平穩，噪音小。但是，它也存在著致命的缺點，如：傳動效率低，壽命不長，成本較高等。近年來，渦輪傳動的研究主要著眼于渦輪材料以及渦輪蝸桿的加工工藝。
1.1 探索更好的蝸輪材料
關于蝸輪材料，國內外做過很多研究工作。通過改善蝸輪的材料，可以減小蝸輪蝸桿接觸面間的摩擦力，降低齒面工作溫度，使齒面不容易膠合，從而提高承載能力和效率。例如國外有研究表明，使用卡普?。ㄒ环N具有高耐磨性的材料）制作的普通圓柱蝸輪，與ZQ419-4 材料制作的普通圓柱蝸輪相比，額定扭矩可提高1～2倍，傳動效率可提高5%～20%。再如在碎石送料機中使用卡普隆蝸輪，可以提高壽命2 倍之多。使用石墨、石英砂填充MC 尼龍材料制作蝸輪，具有良好的自潤滑特性，可以提高蝸輪的使用壽命，降低成本。
國內也有很多關于蝸輪材料的研究，如河南周口石軸瓦廠研制的高耐磨鋅基合金ZnAlCuMn，性能優于錫青銅，成本也比錫青銅低很多。
采用高性能的工程塑料制造蝸輪是現在的研究方向之一，一些常用的高性能工程塑料，如聚酰亞胺等，具有良好的機械性能和耐磨性能。但是它們的合成成本高，成形困難，因此使用范圍很受限制。為了獲得高性能的工程塑料，可以采用對現有產品進行填充改性的方法，把各不相同的材料進行混合，構成復合材料，而合成的目標就是使其具有更高的機械性能和耐摩擦及耐高溫性能。
1.2 蝸輪蝸桿加工工藝的改進
蝸輪蝸桿在傳動過程中容易磨損，要經常更換，又因為蝸輪蝸桿有漸開線、阿基米德螺旋線等多種齒面齒形，加工方法都不相同。所以研究蝸輪蝸桿的加工，尤其是蝸桿的加工便成為了很重要的問題。近年來關于蝸輪蝸桿加工工藝的研究，集中于如何提高加工效率和加工精度這2 個方面。傳統的加工方法受蝸桿齒形、蝸桿中心距等因素的限制，一種機床往往只能加工有限的蝸桿種類，效率不高。西華大學數控研究所研究的一種四軸聯動的數控機床，對平面二次包絡蝸桿加工有較強的適應性，不受蝸桿中心距的限制，可加工中心距80～500 mm、蝸桿頭數1～8 頭的相應模數蝸桿，這為蝸桿加工工藝的研究開辟了一條新的道路。
2、非接觸傳動
非接觸傳動是通過電磁感應原理來傳遞動力的。與傳統傳動方式相比，非接觸傳動不需表面接觸，無磨損，壽命長。
2.1 磁力傳動的歷史及現狀
磁力傳動技術早在20 世紀30 年代就已經被人們所提出，但是因為受到永磁材料發展的制約，一直沒能取得較大的進展。近年來，隨著稀土永磁材料的發展和應用，磁力傳動技術有了很大的發展，如采用釤鈷永磁體材料制成的磁力驅動器，在傳遞相同轉矩時，與采用鐵氧體永磁材料制成的磁力驅動器相比，質量差距很大。釹鐵硼永磁體的磁能積已達到以上，從而可使磁力驅動器傳遞扭矩的能力提高3～4 倍，傳遞的zui大功率已達到400 kW。到目前為止，磁力傳動設備已經廣泛應用于石油、化工、制藥等許多領域中。
磁力傳動技術在泵工業上的應用zui為典型。目前英國的HMD無密封泵公司，Seal Loss 無密封泵公司，德國的Dicker 泵公司及Klaus、Kcacs 泵公司，美國的Dresser 泵公司都在從事磁力驅動泵的研制。這些公司生產的磁力驅動泵機構相近，功率大多在2.2～7.5 kW。目前，上功率zui大的磁力驅動泵可以做到300 kW 以上，英國的HMD 公司今年研制的兩級磁力驅動泵，其功率可達350 kW。我國甘肅省科學院磁性器件研究院較早開展了磁力驅動泵的研制，試制了稀土鈷磁力驅動器和磁力驅動泵的系列產品，其磁力驅動泵功率可達185 kW。
2.2 磁力傳動的技術特點
2.2.1 無摩擦，無需潤滑
由于感應傳動器件在傳遞動力的過程中無接觸，無摩擦，這就從根本上消除了摩擦磨損現象。沒有摩擦磨損，也就不需要接觸面的潤滑，所以磁力傳動不需要定期更換潤滑劑，減少了維護費用。
2.2.2 無振動
傳統的傳動形式如齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動都要求有較高的制造精度、安裝精度、接觸表面粗糙度，否則會引起強烈的振動和噪聲。而非接觸式傳動因為不存在接觸表面，因此對器件表面粗糙度、制造安裝精度等要求較低，也不會引起振動。
2.2.3 傳動效率高
磁力傳動的另一個特點在于傳動效率高。傳統的傳動形式，需要消耗很大的功率來克服接觸面間的摩擦阻力。而磁力傳動的主要功率損失在于導體對磁場的感應，這可以通過選用絕緣材料制作機體來消除。但是在實際生產過程中，因為考慮到機體的磁屏蔽作用，我們不可能全部使用絕緣材料。因此，合理選用機體材料，科學設計結構，以便把感應損耗降到zui低，這樣才能達到更高的傳動效率。
2.2.4 使用壽命長
傳統的機械傳動壽命主要表現在疲勞壽命和磨損壽命，而感應傳動無接觸，無磨損，因此使用壽命長。但是磁力傳動機械的使用壽命受永磁體磁性材料壽命的影響，永磁體在溫度過高時會發生退磁現象，影響壽命。目前磁性材料耐溫可達150 ℃，一般的傳動過程不需要這么高的溫度。
2.2.5 高速性能好
傳統機械傳動時，會因為摩擦、振動而導致系統發熱，產生噪聲，這嚴重制約著傳動機構的運轉速度。而非接觸傳動不存在這些問題，*的制約因素就在于軸承。隨著磁懸浮軸承等技術的采用，非接觸傳動的傳動速度將可達傳統傳動速度的幾十倍甚至上百倍。
2.3 磁力傳動存在的問題
縱然磁力傳動的好處很多，但其同樣存在著很多問題制約著它的發展。首先，磁場的存在會干擾周圍的環境，有可能使周圍環境中存在的儀器和設備工作不正常。其次，在啟動過程中，主動磁轉子的磁轉角與從動磁轉子的磁轉角存在著轉角差并隨時間變化而變化；在正常運轉中，負載轉矩變化時磁場力矩也同樣發生變化。這就會導致磁力傳動設備在啟動過程中容易產生滯后。對于要求傳動的設備不易使用磁力傳動。
3、結語
對于其他的機械傳動元件，如聯軸器、離合器、滾珠絲杠等，都可以從元件的材料、加工工藝等方面嘗試加以改進。而材料科學的發展，陶瓷材料、高分子聚合物、納米材料、智能材料等，因為其*的機械特性和摩擦特性，也必將對機械傳動元件的改進與發展起到巨大的推動作用。同時，隨著太空、深海等技術的發展，應用于特殊條件下，如超高溫、超低溫、真空、強腐蝕等條件下的機械傳動元件的開發也為我們提出了新的課題與挑戰。