Исследовательская группа Нью-Йоркского университета недавно разработала новую систему «жидкой передачи». Это устройство не требует зацепления друг с другом физических зубьев традиционных шестерен. Вместо этого он передает вращательную силу посредством движения жидкости, что, как ожидается, обеспечит большую адаптируемость и долговечность механического оборудования.

Исследование возглавил Чжан Цзюнь, профессор математики и физики Нью-Йоркского университета и профессор Нью-Йоркского университета в Шанхае. Соответствующие результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Исследователи заявили, что изобрели новый тип зубчатой ​​системы, которая опирается на вращение приводной жидкости, а не на зубья для «зацепления», и обнаружили, что эта конструкция может не только контролировать скорость вращения, но и регулировать направление вращения.

Зубчатые передачи, как основной компонент механических систем, имеют тысячелетнюю историю. Самые ранние следы можно проследить в Китае примерно в 3000 году до нашей эры, когда они использовались в двухколесных колесницах, пересекающих пустыню Гоби. С тех пор шестерни широко появились в различных устройствах, таких как древнегреческий механизм Антикиферы, ветряные мельницы, часы и современные роботы.

Однако традиционные механизмы уже давно имеют определенные ограничения. Независимо от того, является ли материал деревом, металлом или пластиком, сама структура зуба относительно жесткая и легко повреждается. В то же время он должен быть точно выровнен по положению, иначе это может повлиять на рабочий эффект. Из-за этого исследовательская группа начала изучать, можно ли добиться шестеренчатого поведения трансмиссии без физических зубьев или даже прямого контакта между компонентами.

Исследователи полагают, что, поскольку потоки воздуха и воды могут приводить в движение турбины и другие устройства, точно контролируемый поток жидкости теоретически может взять на себя функцию традиционных зубьев шестерни. Чтобы проверить эту идею, команда провела подробные эксперименты, используя цилиндрический ротор, погруженный в смесь глицерина и воды, для управления характеристиками движения жидкости путем регулирования вязкости и плотности жидкости.

В эксперименте один цилиндрический ротор приводился во вращение за счет внешней силы, а другой оставался пассивным. Исследователи прогнозируют, что движение активного ротора создаст поле потока в жидкости, которое повернет пассивный ротор. Чтобы более интуитивно наблюдать, как жидкость передает энергию, команда также добавила в жидкость крошечные пузырьки, чтобы отобразить траекторию потока; в то же время они также проверили производительность при разном расстоянии между роторами и различных скоростях.

Результаты показывают, что взаимодействие между вращающимся цилиндром и окружающей жидкостью действительно может моделировать различные типы механических трансмиссионных систем. Когда два цилиндра расположены близко друг к другу, жидкость действует как блокирующие зубья между традиционными шестернями, заставляя пассивный ротор вращаться в противоположном направлении. Когда расстояние между двумя цилиндрами больше и активный ротор вращается быстрее, жидкость действует на пассивный ротор подобно ремню, обматывающему шкив, заставляя два ротора вращаться в одном направлении.

Исследовательская группа считает, что это решение для зубчатых передач на основе жидкости имеет несколько потенциальных преимуществ по сравнению с традиционными зубчатыми передачами. Лейф Ристроф, доцент Курантского института математики, вычислений и данных Нью-Йоркского университета, сказал, что обычные шестерни должны быть точно спроектированы так, чтобы гарантировать точное совпадение зубьев. Любые дефекты, погрешности в расстоянии или мелкие частицы могут привести к заклиниванию; «Жидкие шестерни» не имеют этих проблем, а их скорость и направление вращения также могут регулироваться, чего трудно достичь с помощью традиционных механических передач.