動力傳動與驅動

動力傳動與驅動焦宗夏北京航空航天大學2011-10-13北京.北航“給我一個支點，我就可以撬動地球”F35地面試車一、內(nèi)涵與研究范圍發(fā)展背景三次工業(yè)革命是機電技術進步的三個重要標志蒸汽機時代，內(nèi)燃機的發(fā)明，首次實現(xiàn)了利用人造能量驅動機械；電氣時代，一種新的可控能源形式，實現(xiàn)了能量長距離傳輸，同時逐漸取代機械成為信息的載體；信息時代，計算機與通訊技術的發(fā)展極大地推動了信息技術的進步。內(nèi)涵在機電系統(tǒng)中，需采用驅動與傳動單元實現(xiàn)能量的轉換、傳遞、分配，以實現(xiàn)運動形態(tài)的調(diào)控功能。驅動主要是實現(xiàn)相同或不同形式能量的轉換，傳動主要是根據(jù)負載的需求實現(xiàn)運動、能量的傳遞和分配。它是智能化、輕量化和多樣化方向發(fā)展中不可或缺的關鍵基礎部件。太行大推力渦扇發(fā)動機直升機減速器風力發(fā)電太陽能發(fā)電諧波齒輪RV傳動減速器礦山機械齒輪工程機械月球探測車高分辨率對地觀測衛(wèi)星航空作動器發(fā)動機直驅泵變體飛行器驅動與傳動多介質多形式高效驅動與傳動精密驅動與傳動基于功能材料的新型驅動驅動傳動負載功能：原動機，產(chǎn)生基本運動、動力。

(電機、內(nèi)燃機、液壓泵、液力耦合器、磁、電場、功能材料等)功能：運動、能量變換、傳遞、分配。(機械傳動、液體傳動、氣體傳動等)高效、精密、復合、可靠驅動研究范圍多介質多形式高效驅動與傳動精密驅動與傳動基于功能材料的新型驅動多介質多形式高效驅動與傳動精密驅動與傳動基于功能材料的新型驅動二、在國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和學科發(fā)展中的重要意義

機械傳動與驅動對機械學科的影響機構學與機械動力學機械傳動與驅動復雜機電系統(tǒng)集成科學機械的表面/界面科學高精度、數(shù)字化制造高性能潔凈成形制造機械的制造與運行參數(shù)及其精度測量機械結構與系統(tǒng)的安全服役理論生機電系統(tǒng)與仿生機械高能束與特種能場制造微納機械學與微納制造機電裝備“機械系統(tǒng)創(chuàng)新”的四個支撐領域之一對國民經(jīng)濟和社會影響深遠傳動與驅動基礎件已經(jīng)嚴重制約國內(nèi)大量關鍵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展：徐工集團，1000億產(chǎn)值，利潤小于2%，ARJ21,大于200架才能盈利,數(shù)控機床,汽車大量采用國外基礎件；航空元件可靠性，航空泵壽命，國內(nèi)最高3000小時，A380：40000小時；國內(nèi)飛行器或船舶舵機故障頻發(fā),可靠性問題亟待解決;氣動能耗，2000億度電/年，用電量占全國6%，效率只有5~20%，與空壓機和氣動元件密切相關;高精度對地觀測成像、掃描顯微鏡控制SPM、天文觀測,高精度轉臺、目標模擬器等對精密傳動與驅動提出更高要求.國外挑戰(zhàn)者號，密封件失效日本H2，舵機故障國家發(fā)展戰(zhàn)略分析陳宜瑜：“這是深入落實《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》的需要”：

68個優(yōu)先發(fā)展主題之“5、制造業(yè)-

(26)基礎件和通用部件”——“傳動與驅動”是關鍵基礎件之一；16項重大專項，大飛機、高檔數(shù)控、對地觀測等都是與驅動與傳動密切相關項目——均與“傳動與驅動”相關；交叉領域：27項前沿技術之“3、新材料技術(9)智能材料與結構技術”——“，與新材料的交叉是傳動與驅動的重要前沿領域；18項基礎研究之“3．面向國家重大戰(zhàn)略需求的基礎研究(8)極端環(huán)境條件下制造的科學基礎；(10)支撐信息技術發(fā)展的科學基礎”驅動與傳動是機械學科的基礎領域深化對機械的驅動與傳動科學本質規(guī)律的理解和探索；提高我國自主品牌機械基礎傳動部件產(chǎn)品市場競爭力；提高重大裝備研制所需的高效、高可靠功率傳動技術的支撐能力；提高航空航天、IC制造、生物信息等領域所需精密傳動、智能傳動技術的創(chuàng)新能力。三、研究現(xiàn)狀、存在問題和發(fā)展趨勢分析

1、高效高可靠機械驅動與傳動共性基礎理論和核心機理

高性能多參數(shù)驅動和傳動道依茨混合動力驅動部件大功率高速驅動與傳動系統(tǒng)振動特性JSF聯(lián)合攻擊機電動靜液舵機高效與綠色驅動與傳動電機/泵一體化發(fā)動機直驅泵技術2、精密驅動與傳動的設計制造及控制激光武器、空間光通信用中繼鏡高分辨率對地觀測反射鏡精密基礎傳動部件美國Riverhawk公司長壽命柔順軸承轉角范圍：±15°，精度優(yōu)于1urad，特點：

高的軸向徑向剛度

無摩擦、無間隙無需潤滑軸心偏差小工作溫度范圍寬（-240?-650?）?長壽命用途：衛(wèi)星光譜儀反射鏡傳動機構美國MOOG公司兩自由度傳動裝置雙軸四框結構傳動精度30uradSEAIPonUH-1航空遙感及偵察（美軍紅石技術中心）傳動精度角秒級高分辨率對地觀測反射鏡

（傳動精度角秒級）

歐洲超大口徑天文望遠鏡（VLT）項目用反射鏡傳動機構一體化組件傳動精度0.5角秒慣性約束核聚變動光柵精密拼接機構

5自由度超精密位姿調(diào)整機構

205mSingle25kJmodule平動精度要求在數(shù)十納米轉角精度要求優(yōu)于1μrad。PI、MIT大行程多自由度位置、姿態(tài)調(diào)整機構

自適應光學用二自由度快速反射鏡組件傳動精度角秒級、帶寬數(shù)百赫茲結構緊湊，負載、傳動、傳感、驅動一體化多自由度柔順傳動機構構高精度納米級、角秒級高剛度伺服帶寬數(shù)百赫茲多自由度直線與回轉運動復合結構緊湊機電集成技術度高高可靠性長壽命發(fā)展需求5自由度（X,Y,Z,θx,θy)精密傳動新方式的基礎研究精密驅動與傳動的性能成因和調(diào)控精密驅動與傳動的機構－控制集成分析理論與方法壓電纖維復合材料（MFC）固－液復合驅動器基于壓電疊堆的MD-900復合驅動器雙晶片型復合驅動器基于功能材料的驅動機理的研究3、基于功能材料的新型驅動與作動原理與方法

壓電超聲電機在自適應機翼控制中的應用MD-900直升機在其旋翼中嵌入壓電驅動器控制小翼轉角，明顯降低了直升機噪音和振動功能材料復合驅動系統(tǒng)原理的研究基于壓電纖維復合材料（MFC）的F/A－18垂尾的振動控制

基于形狀記憶合金驅動器的波音777-300ER發(fā)動機GE-115B的尾噴口噪聲控制功能材料驅動的多物理場耦合建模、分析、優(yōu)化與控制功能材料驅動一體化設計理論研究智能材料與結構技術被列為國家27項前沿技術之一為國內(nèi)開展新原理作動器與系統(tǒng)注入了新的活力發(fā)展路線綠色、健康、智能、輕量、精密主要問題原始創(chuàng)新成果偏少，特別是產(chǎn)生重要影響的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)還不夠多，影響還不夠大；傳動與驅動基礎件已經(jīng)嚴重制約國內(nèi)大量關鍵產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。過于依賴國外產(chǎn)品（如工程機械、大客、風電等）；受相關基礎學科發(fā)展水平的制約：摩擦學、材料、制造、設計方法等。四、未來5～10年的研究前沿與重要科學問題

未來5~10年的優(yōu)先發(fā)展領域研究前沿科學問題精密復合運動與力系統(tǒng)的創(chuàng)成機理、智能感知與控制方法

機械驅動與傳動的能量傳遞、轉換與作用規(guī)律

高效高可靠功率傳遞與能量調(diào)控

新型功能材料驅動

精密復合運動與力控制的新原理新方法

高性能高效高可靠功