Výzkumný tým z New York University se zaměřil na vývoj převodového mechanismu, který nevyužívá tradiční zuby. Místo toho se spoléhá na víry tekutin, které umožňují přenos momentu otáčení bez fyzického kontaktu a dokonce i řízení směru otáčení.

Zuby převodů patří mezi základní prvky techniky, jež spolehlivě přenášejí otáčivé pohyby. Nicméně, mají jednu nevýhodu: jejich zuby musí dokonale zapadat. I malé výrobní chyby, prach nebo opotřebení mohou způsobit problémy v jejich fungování. Nyní tento tým představuje alternativu. Nový koncept převodovky se opírá o cílené usměrnění proudění tekutin místo zubů.

Tato práce byla publikována v časopise Physical Review Letters a popisuje systém, který přenáší rotaci bezkontaktně. Myšlenka spočívá v tom, že tekutiny mohou převzít roli klasických zubových převodů.

Historie zubových převodů

Zubové převody existují po dobu přibližně 5000 let. V Číně poháněly vozy, a později našly uplatnění v mechanismu z Antikythéry. Dodnes slouží ve věžních hodinách, větrných mlýnech a robotech. Princip zůstal konstantní: tuhé zuby se zakusují do sebe.

Na tomto místě se nová výzkumná iniciativa zaměřuje. Tuhé zuby postrádají flexibilitu, mohou se lámat, opotřebovávat a jsou citlivé na odchylky. Tým vedený Jun Zhangem se rozhodl prozkoumat, zda lze funkci zubových převodů realizovat také bez pevného kontaktu.

Inovace v mechanice

„Vytvořili jsme nové typy převodů, které do sebe vzájemně nezapadají pomocí zubů, ale pomocí víření tekutin – a objevili jsme nové možnosti pro řízení otáček a dokonce i směru rotace,“ říká Zhang.

Tekutiny jako přenašeče momentu

Důraz je kladen na fyziku proudění. Vzduch a voda pohánějí turbíny již dlouhou dobu. Tento princip byl aplikován na dva rotující válce umístěné v tekutině. Byla použita směs vody a glycerinu, čímž bylo možné cíleně nastavit hustotu a viskozitu.

Jeden válec byl poháněn aktivně, zatímco druhý zůstal pasivní. Předpoklad zněl tak, že aktivní rotor vytváří víry, které pohánějí druhý válec. Pro vizualizaci těchto proudění sice výzkumníci přidali do tekutiny malé bublinky plynu, díky nimž mohli dobře pozorovat víry, proudové dráhy a síly.

Režimy provozu bez zubů

Experimenty ukázaly dva jasně odlišné režimy. Klíčovými faktory byly vzdálenost a rychlost otáčení. Při těsné vzdálenosti mezi válci měly víry funkci virtuálních zubů, které se bočně zakously a otočily pasivní rotor v opačném směru. Toto chování odpovídalo klasickému páru zubových převodů.

Pokud byly válce dále od sebe a aktivní rotor se otáčel rychleji, situace se změnila. Proudění obtáčelo pasivní válec jako řemen. Oba se pak otáčely ve stejném směru, čímž se systém choval jako řemenový pohon.

Tímto způsobem lze nejen přenášet moment otáčení, ale také záměrně měnit směr otáčení – pouze prostřednictvím geometrie a rychlosti.

Výhody bezkontaktních převodů

Výzkumníci poukazují na několik výhod oproti mechanickým řešením. Neexistuje přímý kontakt, žádné zuby se nelámou a nezapadají do nich cizí předměty. Také klesá výrobní náročnost, protože není potřeba přesných zubových profilů.

„Tradiční zubové převody vyžadují pečlivé konstrukce, aby se jejich zuby přesně do sebe vešly, a každý defekt, každá chyba ve vzdálenosti nebo zrnko písku vedou k jejich zablokování,“ vysvětluje Leif Ristroph. „Fluidgetrieby nemají žádné z těchto problémů a rychlost a dokonce i směr lze měnit způsobem, který není s mechanickými zuby možný.“