Том 20 (2017)
- Номер 1 (февраль 2017)
- Номер 2 (апрель 2017)
- Номер 3 (июнь 2017)
- Номер 4 (август 2017)
- Номер 5 (октябрь 2017)
- Номер 6 (декабрь 2017)
Multimode active control of friction, dynamic ratchets and actuators
M. Popov1,2,3, Q. Li41Department of Continuum Mechanics and Theory of Materials, Technische Universität Berlin, Berlin, 10587, Germany
2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, 634050, Russia
3National Research Tomsk State University, Tomsk, 634050, Russia
44 Department of System Dynamics and the Physics of Friction, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany
УДК 531.8, 531.44, 528.5-531.7
Active control of friction by ultrasonic vibration is a well-known effect with numerous technical applications ranging from press forming to micromechanical actuators. Reduction of friction is observed with vibration applied in any of the three possible directions (normal to the contact plane, in the direction of motion and in-plane transverse). In this work, we consider the multi-mode active control of sliding friction, where phase-shifted oscillations in two or more directions act at the same time. Our analysis is based on a macroscopic contact-mechanical model that was recently shown to be well-suited for describing dynamic frictional processes. For simplicity, we limit our analysis to a constant, load-independent normal and tangential stiffness and two superimposed phase-shifted harmonic oscillations, one of them being normal to the plane and the other in the direction of motion. As in previous works utilizing the present model, we assume a constant local coefficient of friction, with reduction of the observed force of friction arising entirely from the macroscopic dynamics of the system. Our numerical simulations show that the resulting law of friction is determined by just three dimensionless parameters. Depending on the values of these parameters, three qualitatively different types of behavior are observed: (a) symmetric velocity-dependence of the coefficient of friction (same for positive and negative velocities), (b) asymmetric dependence with respect to the sign of the velocity, but with zero force at zero velocity, and (c) asymmetric dependence with nonzero force at zero velocity. The latter two cases can be interpreted as a "dynamic ratchet" (b) and an actuator (c).
Многомодальное активное управление трением, динамические «храповики» и актюаторы
Активное управление трением посредством ультразвуковых колебаний имеет много технических приложений, начиная со штамповки и заканчивая микромеханическими актюаторами. Уменьшение трения наблюдается при приложении вибраций в любом их трех возможных направлений (перпендикулярно плоскости скольжения, в направлении скольжения и в плоскости скольжения перпендикулярно к направлению скольжения). Наш анализ основан на макроскопической модели контакта, эффективность которой для описания динамических процессов трения была продемонстрирована в недавних работах. Для простоты мы ограничиваемся случаем контакта с постоянной, независимой от нагрузки, нормальной и тангенциальной контактной жесткостью, под действием суперпозиции гармонических осцилляций со сдвигом фаз в направлении нормали в плоскости скольжения и в направлении скольжения. Как и в предшествующих работах, использующих эту модель, мы предполагаем постоянство локального коэффициента трения в контакте; наблюдаемое изменение макроскопического коэффициента трения при этом полностью связано с динамикой системы. Наши численные расчеты показывают, что макроскопический закон трения такой системы полностью определяется тремя безразмерными параметрами. В зависимости от значений этих параметров возможны три качественно различающихся режима: а) симметричная зависимость коэффициента трения от скорости (одинаковая для положительных и отрицательных скоростей), б) асимметричная по отношению к изменению знака скорости; при этом нулевой силе по-прежнему соответствует нулевая скорость и в) асимметричная зависимость с ненулевой силой при нулевой скорости. Последние два случая могут рассматриваться как "динамический храповик" (б) и актюатор (в).
стр. 26 – 32
Образец цитирования: