Forscher der New York University (NYU) haben ein neues Getriebe entwickelt, das ohne klassische Zahnräder auskommt. Das neue System nutzt Flüssigkeitsströme, um Drehmoment kontaktlos zu übertragen. Dies könnte die Art und Weise, wie Maschinen und Geräte in Zukunft angetrieben werden, grundlegend verändern. Auch für das Übertragen von Kräften in Autos bietet das Getriebe theoretisch Möglichkeiten. Bisher kommen in Fahrzeugen neben klassischen Schaltgetrieben mit Zahnrädern auch Planeten- und Wandlergetriebe zum Einsatz.
Flüssigkeitsströme statt Zähne: Die Funktionsweise
In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in der Fachzeitschrift Physical Review Letters beschreibt das Forscherteam, wie sie Flüssigkeiten als Überträger für Drehbewegungen eingesetzt haben. Dabei wurde ein System mit zwei rotierenden Zylindern in einer Flüssigkeit entwickelt. Ein Zylinder wird aktiv durch einen Motor angetrieben, während der andere passiv auf die erzeugten Wirbel reagiert. Diese Strömungen übernehmen die Rolle der klassischen Zahnräder und übertragen das Drehmoment ohne direkten Kontakt.
Die Forscher verwendeten eine Mischung aus Wasser und Glycerin, um die Viskosität und Dichte der Flüssigkeit gezielt zu steuern. "Wir haben neue Arten von Zahnrädern erfunden, die durch das Aufwirbeln von Flüssigkeit statt durch ineinandergreifende Zähne ineinandergreifen – und wir haben neue Möglichkeiten zur Steuerung der Drehzahl und sogar der Drehrichtung entdeckt", erklärt Jun Zhang, einer der Hauptautoren der Studie.
Zwei Betriebsarten: Von Zahnrädern zu Riemen
Die Experimente zeigten zwei unterschiedliche Betriebsarten, abhängig von der Drehzahl und dem Abstand der Zylinder. Wenn die Zylinder nahe beieinander liegen, wirken die Strömungen wie "virtuelle Zähne", die den passiven Zylinder in die entgegengesetzte Richtung drehen. Dieser Modus entspricht einem klassischen Zahnradpaar.
Andererseits, wenn die Zylinder weiter voneinander entfernt sind und der aktive Rotor schneller dreht, umschließen die Strömungen den passiven Zylinder wie bei einem Riemenantrieb. In diesem Fall drehen sich beide Zylinder in die gleiche Richtung. Diese Flexibilität ermöglicht es, nicht nur Drehmoment zu übertragen, sondern auch die Drehrichtung zu verändern – und das ohne direkten mechanischen Kontakt.
Vorteile eines berührungslosen Getriebes
Die Vorteile dieses flüssigkeitsbasierten Systems liegen auf der Hand. Da kein direkter Kontakt zwischen den Komponenten besteht, entfällt der Verschleiß durch Zahnbruch oder Blockaden durch Fremdkörper. "Herkömmliche Zahnräder müssen sorgfältig konstruiert werden, damit ihre Zähne genau ineinander greifen, und jeder Defekt, jeder falsche Abstand oder jedes Sandkorn führt dazu, dass sie sich verklemmen", erklärt Leif Ristroph laut ingenieur.de. Ristroph weiter: "Fluidgetriebe sind frei von all diesen Problemen, und die Geschwindigkeit und sogar die Richtung können auf eine Weise verändert werden, die mit mechanischen Zahnrädern nicht möglich ist."
