超声电机梯度摩擦材料设计原理

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1、超声电机梯度摩擦材料设计原理王彦利，曲建俊(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：超声电机的定／转子的接触状态对其输出性能具有重要影响，摩擦材料的磨损改变了定／转子的接触条件，导致超声电机输出性能的稳定性变差。为了提高超声电机输出性能的稳定性，延长超声电机的性能寿命，本文分析了摩擦材料磨损后定／转子接触条件的变化及其对超声电机输出特性的影响。从保持接触宽度稳定性的角度，分析了随着磨损的加剧，摩擦材料性能的变化趋势，从而得到梯度摩擦材料的设计原理及其理论结构模型。推论}{{超声电机摩擦材料的弹性模

2、量在法向上应具有由表及里呈现梯度递减的趋势，可望保持定／转子接触宽度的稳定性，提高超声电机输出性能，延长超声电机使用性能寿命。关键词：超声电机；摩擦材料；梯度0引言超声电机摩擦材料对超声电机性能、寿命、效率等具有重要影响【1】。超声电机是依靠摩擦耦合来传递动力的，摩擦界面的磨损和疲劳是不可避免的，这就大大限制了超卢电机的使用寿命和应用领域。近年来，随着超声电机技术的发展，应用领域不断扩大，某些场合对超声电机的使用寿命要求越来越高[21，甚至期望超声电机能够连续长时间地运转。因此，研究高性能的超声电机摩擦材

3、料就日益迫切。超声电机输出性能很大程度上取决于定子和转子的接触状态【3'4J，然而在超声电机运行过程中摩擦材料将不断地磨损，使得定／转子间的接触状态始终呈动态变化，导致超声电机的性能稳定性降低。通常的解决方案是研制耐磨性好的摩擦材料。目前，多数研究单位或学者在实验、模拟分析过程中采用的是单一均质片状结构的摩擦材料[5~101，此种各向同性的摩擦材料己个--'ZH-d匕<满足对超声电机使用寿命、性能稳定性的更高要求，急需研制新型的超声电机摩擦材料。为了提高超声电机输出性能的稳定性、延长使用寿命，需要研究随着

4、摩擦材料的磨损，定子和转子接触状态的变化趋势，进而研究当近似保持接触状态稳定时，所需摩擦材料性能的变化规律。本文根据简化的超声电机接触模型，模拟分析了摩擦材料磨损过程中定／转子接触条件的变化，在保持接触状态近似稳定的情况下，探讨了超声电机摩擦材料适应接触状态的要求，提出了梯度摩擦材料的设计构想，并建立梯度摩擦材料结构模型，为超声电机摩擦材料的选择和设计提供一个新的方向。1接触模型图l所示为定、转子在半个波长上的接触模型，此处将定转子问的摩擦材料层等效为分布的线性弹簧。将坐标系设定在定子上，则定予的法向位移

5、可表示为．361．图1超声电机定转子接触模型“。=厶cos孚(1)式中，厶为定子振幅，九为行波波长。接触区摩擦材料的法向变形w(z)：厶(cos军X--COS_2re‰)(2)接触区域内法向应力分布p(x)=kfw(x)(3)接触宽度由下式得到民=￡。p(工)dx=E吩厶(c。s等X--COS等‰)出(4)式中，R为接触界面的预压力。kr为摩擦材料单位长度上的法向等效刚度，表达式为kf=Efxbih(s)式中，b为径向接触宽度，E，为摩擦材料的杨氏模量，h为摩擦材料的厚度。根据库仑摩擦定律，接触区域的摩擦

6、力表达式为丁=亡o1．1dP(X)dx(6)式中，,Ud为定子与摩擦材料接触界面间的动态摩擦系数。2磨损对接触状态的影响摩擦材料的磨损在结构上表现为摩擦材料厚度的减薄，因此从摩擦材料厚度逐渐减薄的情况下分析接触条件的变化。设定转子接触界面施加预压力机构的刚度系数为也。2．1直接接触条件2．1．1定转子间的接触预压力超声电机定转子间的接触预压力是由弹簧或弹性梁等弹性元件的变形而得到的，接触预压力公式为FN=ks越(1、)随着定转子间摩擦材料厚度的减小，定、转子基体问的距离将减小，由预压力加载机构的原理可知，

7、产生预压力的弹性元件的变形4减小，那么接触预压力就相应的减小。选择不唰的七。，模拟分析了定转子问的预压力随着磨损的变化。设初始接触预压力为15N，摩擦材料厚度从1．0～0．1mm变化，接触预压力随摩擦材料磨损厚度的变化见图2。由图2可见，当舡值较小时，接触预压力随着摩擦材料的磨损变化不是很大。然而，当岛．．362．．值较大时，接触压力就发生了较大的变化。可见，超声电机施加预压力机构的刚度越大，随着摩擦材料的磨损，即使很微小的磨损量，接触预压力也会发生很大的变化，对电机的性能将产生较大的影响。而且，超声电机

8、间的预压力，在一台超声电机装配完成后是不可控的，随着摩擦材料的磨损，接触预压力逐渐减小。2．2．2摩擦材料单位长度上法向等效刚度由公式(5)可知，当摩擦材料厚度减小时，摩擦材料的法向等效刚度就会增大。选取摩擦材料的弹性模量E=1500N／mm2，定子齿的径向宽度b=3mm，模拟研究了摩擦材料单位长度上法向等效刚度随摩擦材料的厚度变化，如图3所示。由图3可见，当摩擦材料较厚时，如图中大于O．3mm时，厚度的变化对法向等效刚度的影