Włoski mistrz renesansu znany jest ze śmiałych wizji, takich jak choćby maszyny latające. Wprawny obserwator dostrzeże, że ten uczony oraz artysta często w swoich projektach wykorzystywał mechanizm przekładni, który dziś znamy choćby z przerzutek w rowerach czy samochodowych skrzyń biegów.

I mogłoby się wydawać, że w tej dziedzinie niewiele już można wymyślić. Przyzwyczailiśmy już się do tego, że przekładnie składają się z kół zębatych – i faktycznie większość mechanizmów jest zbudowana z takich elementów. Jak się okazuje, do stworzenia wydajnej przekładni zęby są zbędne. Taką bezzębną przekładnię zbudowali naukowcy z Politechniki Poznańskiej (PP).

Każdy z nas wie, jak przekładnia wygląda, ale do czego właściwie one służą? – Idea mechanizmu jest prosta: chodzi o to, żeby z mniejszego silnika wycisnąć moment obrotowy, który pozwoli poruszyć dużą maszyną. Bez przekładni silnik musiałby być potężny, z przekładnią już nie – tłumaczy mgr inż. Stanisław Pabiszczak z Politechniki Poznańskiej.

Oficjalna definicja przekładni mówi, że to mechanizm służący do przeniesienia ruchu z elementu czynnego (zwanego napędowym, np. silnika) na element bierny (zwany napędzanym, np. samochód) z jednoczesną zmianą parametrów ruchu, w tym prędkości i momentu obrotowego. Przekładnia służy więc do tego, żeby przeprowadzić mechaniczną transakcję „coś-za-coś”: zamienić dużą prędkość obrotową i mały moment na małą prędkość obrotową i duży moment. To dlatego, bez względu na to, czy jedziemy samochodem 30 km/h, czy 130 km/h, obroty silnika są mniej więcej takie same – pod warunkiem że wrzucimy odpowiedni bieg. Dlatego też, jadąc na jedynce, nie rozpędzimy auta do setki, bo przełożenie skrzyni biegów jest wówczas obliczone na duży moment – w związku z czym obroty musiałyby być jeszcze wyższe. Z tego też względu przekładnie montuje się w elektrowniach wiatrowych, gdzie powolny ruch ogromnego wirnika, ale z dużym momentem, przekładany jest na szybszy ruch łopatek w generatorze, ale z mniejszym momentem.

Z przekładniami mechanicznymi jest jednak ten problem, że przy fizycznym zetknięciu się powierzchni współpracujących elementów (zazębieniu się zębów dwóch kół) występuje tarcie wpływające negatywnie na sprawność i trwałość mechanizmu. – W naszej konstrukcji również pojawia się tarcie, ale szczególnego typu, to tarcie toczne. Różnicę między tarciem ślizgowym i tocznym można sobie wyobrazić następująco: znacznie więcej siły trzeba włożyć w przesunięcie beczki po asfalcie niż w jej turlanie. Podobnie jest w przekładniach: tarcie toczne sprawia, że straty energii mechanicznej są mniejsze – mówi Pabiszczak.

Oczywiście współczesna nauka zna i wykorzystuje przekładnie oparte na tarciu tocznym. Jak mówią naukowcy, spotykamy się z nimi za każdym razem, kiedy wsiadamy na rower, w którym przerzutki ukryte są w piaście. Przekładnie toczne stosowane są też np. w niektórych ciężarówkach i ciągnikach. Co ciekawe, maszyny te nie są wówczas wyposażone w biegi; operator dostaje za do dyspozycji ciągły zakres przełożeń, bez konkretnych, fabrycznych ustawień jak w większości aut.

W rzeczywistości poznański wynalazek trochę przypomina koła zębate, tyle że zamiast wystających zębów obwód jednego koła składa się z lekko wklęsłych łuków, po powierzchni których może toczyć się drugi element – łożysko toczne. – Dzięki wykorzystaniu tarcia tocznego zmniejsza się zużycie elementów, a eksploatacja staje się tańsza. Większość przekładni tocznych ma sprawność na poziomie ok. 90 proc. Obecnie prowadzimy badania, by poznać dokładne parametry pracy naszego urządzenia – tłumaczy dr inż. Adam Myszkowski z PP.

Naukowcy z Poznania mówią, że przekładnie wykorzystujące tarcie toczne to w ostatnich latach rozwiązanie bardzo modne wśród inżynierów. Do urzędów patentowych na świecie zgłasza się mnóstwo konstruktorów proponujących własne, oryginalne konfiguracje. Potrzeby te napędza przemysł maszynowy, w którym przekładnie są szeroko stosowane w napędach poruszających się elementów. Naukowcy z Politechniki Poznańskiej mają nadzieję, że także ich propozycja wzbudzi zainteresowanie producentów chcących polepszyć parametry użytkowe swoich konstrukcji.

Trwa szósta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 17 maja w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 54 prac nadesłanych przez uczelnie oraz instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi 22 maja podczas kongresu Impact'19 w Krakowie. Nagrodami są 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma, oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej), ufundowana przez organizatora.