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Forschung im Ingenieurwesen

, Volume 82, Issue 4, pp 331–339 | Cite as

Stiff and soft active control of friction by vibrations and their energy efficiency

  • J. Benad
  • M. Popov
  • K. Nakano
  • V. L. Popov
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Abstract

The present paper builds upon the results of two recent theoretical studies on the influence of friction by normal and sideways oscillations. The findings are in part rewritten to a more compact and dimensionless form so as to present the results for both oscillation modes side by side in a consistent manner. Thereby, it is shown that for the considered system the macroscopic coefficient of friction is only a function of a dimensionless sliding velocity and a dimensionless oscillation amplitude. Furthermore, the energy efficiency is characterized for both modes for the first time by comparing the total energy needed for a sliding motion which includes the superimposed oscillations with the energy needed for the same sliding motion without the additional oscillations. It is shown that this ratio is also only a function of the two dimensionless system parameters. We consider a simple one-spring model in a displacement-controlled setting. Any system-dynamical feedback is neglected. The lower end of the spring either slides, sticks or jumps on a rigid plane. In the case of normal oscillations, the macroscopic coefficient of friction can be reduced only when the contact point undergoes a stick-slip motion (“stiff control of friction”) whereas with sideways oscillations the macroscopic coefficient of friction can be reduced also when the contact point is continuously sliding (“soft control of friction”). It is found that the motion with superimposed sideways oscillations requires more energy for any combination of system parameters, than the corresponding motion without the oscillations. For the case of normal oscillations however, there are combinations of system parameters for which the motion with the superimposed oscillations requires less, the same, or more energy than for the reference case without the oscillations.

Weiche und steife aktive Reibungsbeeinflussung durch Schwingungen und deren Energieeffizienz

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit baut auf den Resultaten zweier kürzlich erschienener theoretischer Studien zur Beeinflussung von Reibung durch Normaloszillationen und durch seitliche Oszillationen auf. Die Resultate werden hier zum Teil in ein kompakteres und dimensionsloses Format gebracht, sodass die Ergebnisse für beide Moden in einer konsistenten Form gegenübergestellt werden können. Dabei wird gezeigt, dass im betrachteten System der makroskopische Reibungskoeffizient nur eine Funktion einer dimensionslosen Gleitgeschwindigkeit und einer dimensionslosen Schwingungsamplitude ist. Außerdem wird zum erstem Mal die Energieeffizienz beider Moden charakterisiert, indem die benötigte Energie für die Gleitbewegung einschließlich der Oszillationen mit der benötigten Energie für die Gleitbewegung ohne die Oszillationen verglichen wird. Es wird gezeigt, dass dieses Verhältnis auch nur eine Funktion der beiden dimensionslosen Systemparameter ist. Wir betrachten ein einfaches Modell einer Feder in einer verschiebungsgesteuerten Umgebung. Systemdynamische Rückkopplung wird vernachlässigt. Das untere Ende der Feder gleitet, haftet oder springt auf einer festen Ebene. Im Fall von Normaloszillation kann der makroskopische Reibungskoeffizient nur verringert werden, wenn der Kontaktpunkt eine Bewegung partiellen Haftens und Gleitens vollzieht („steife Reibungsbeeinflussung“). Im Fall von seitlichen Oszillationen hingegen kann der makroskopische Reibungskoeffizient auch verringert werden, wenn der Kontaktpunkt kontinuierlich gleitet („weiche Reibungsbeeinflussung“). Es wird gezeigt, dass die Bewegung mit den überlagerten seitlichen Oszillationen für jede Wahl der Systemparameter mehr Energie benötigt als die entsprechende Bewegung ohne Oszillationen. Im Fall der Normaloszillationen gibt es jedoch Kombinationen von Systemparametern, für die die Bewegung mit den überlagerten Oszillationen weniger, gleich viel oder mehr Energie benötigt als für die Referenzbewegung ohne Oszillationen.

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  1. 1.Technische Universität BerlinBerlinGermany
  2. 2.National Research Tomsk Polytechnic UniversityTomskRussian Federation
  3. 3.National Research Tomsk State UniversityTomskRussian Federation
  4. 4.Yokohama National UniversityYokohamaJapan

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