Ein Forschungsteam der New York University hat kürzlich ein neues „Flüssigkeitsgetriebe“-System entwickelt. Bei diesem Gerät ist es nicht erforderlich, dass die physischen Zähne herkömmlicher Zahnräder ineinander greifen. Stattdessen überträgt es die Rotationskraft durch Flüssigkeitsbewegung, was zu einer größeren Anpassungsfähigkeit und Haltbarkeit mechanischer Geräte führen soll.
Diese Forschung wurde von Zhang Jun, Professor für Mathematik und Physik an der New York University und Professor an der New York University Shanghai, geleitet. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in „Physical Review Letters“ veröffentlicht. Die Forscher sagten, sie hätten eine neue Art von Zahnradsystem erfunden, das auf der Antriebsflüssigkeitsrotation basiert und nicht darauf, dass Zähne „eingreifen“, und fanden heraus, dass dieses Design nicht nur die Rotationsgeschwindigkeit steuern, sondern auch die Rotationsrichtung anpassen kann.
Als Grundbestandteil mechanischer Systeme haben Zahnräder eine jahrtausendealte Geschichte und lassen sich bis ins China um etwa 3000 v. Chr. zurückverfolgen, als sie in zweirädrigen Streitwagen eingesetzt wurden, die die Wüste Gobi durchquerten. Seitdem sind Zahnräder in verschiedenen Geräten weit verbreitet, beispielsweise im antiken griechischen Antikythera-Mechanismus, in Windmühlen, Uhren und modernen Robotern.
Allerdings weisen herkömmliche Getriebe seit langem gewisse Einschränkungen auf. Unabhängig davon, ob es sich bei dem Material um Holz, Metall oder Kunststoff handelt, ist die Zahnstruktur selbst relativ steif und kann leicht beschädigt werden. Gleichzeitig muss die Position genau ausgerichtet sein, da sonst der Betriebseffekt beeinträchtigt werden kann. Aus diesem Grund begann das Forschungsteam zu untersuchen, ob ein zahnradähnliches Übertragungsverhalten ohne physische Zähne oder sogar direkten Kontakt zwischen Komponenten erreicht werden kann.
Forscher glauben, dass der präzise kontrollierte Flüssigkeitsfluss theoretisch die Funktion herkömmlicher Zahnradzähne übernehmen kann, da Luft- und Wasserströme Turbinen und andere Geräte antreiben können. Um diese Idee zu überprüfen, führte das Team detaillierte Experimente durch, bei denen ein zylindrischer Rotor in eine Mischung aus Glycerin und Wasser getaucht wurde, um die Bewegungseigenschaften der Flüssigkeit durch Anpassung der Viskosität und Dichte der Flüssigkeit zu steuern.
In dem Experiment wurde ein zylindrischer Rotor durch externe Energie in Rotation versetzt, während der andere passiv blieb. Die Forscher gehen davon aus, dass die Bewegung des aktiven Rotors ein Strömungsfeld in der Flüssigkeit erzeugt, das den passiven Rotor dreht. Um intuitiver beobachten zu können, wie die Flüssigkeit Kraft überträgt, fügte das Team der Flüssigkeit außerdem winzige Blasen hinzu, um die Strömungsbahn anzuzeigen. Gleichzeitig testeten sie auch die Leistung bei unterschiedlichen Rotorabständen und unterschiedlichen Geschwindigkeitsbedingungen.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Wechselwirkung zwischen dem rotierenden Zylinder und der umgebenden Flüssigkeit tatsächlich verschiedene Arten mechanischer Übertragungssysteme simulieren kann. Wenn sich die beiden Zylinder nahe beieinander befinden, wirkt die Flüssigkeit wie die ineinandergreifenden Zähne zwischen herkömmlichen Zahnrädern und bewirkt, dass sich der passive Rotor in die entgegengesetzte Richtung dreht. Wenn der Abstand zwischen den beiden Zylindern größer ist und sich der aktive Rotor schneller dreht, wirkt die Flüssigkeit auf den passiven Rotor, ähnlich wie ein Riemen, der eine Riemenscheibe umschlingt, wodurch sich die beiden Rotoren in die gleiche Richtung drehen.
Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass diese flüssigkeitsbasierte Getriebelösung mehrere potenzielle Vorteile gegenüber herkömmlichen Getrieben bietet. Leif Ristroph, außerordentlicher Professor am Courant Institute of Mathematics, Computational and Data Sciences der New York University, sagte, dass gewöhnliche Zahnräder präzise konstruiert sein müssen, um sicherzustellen, dass die Zähne genau übereinstimmen. Eventuelle Defekte, Abstandsfehler oder kleine Partikel können zu Verklemmungen führen; „Flüssigkeitsgetriebe“ haben diese Probleme nicht, und ihre Geschwindigkeit und Drehrichtung können auch Anpassungen erreichen, die mit herkömmlichen mechanischen Getrieben nur schwer zu erreichen sind.