具有增摩结构的超声电机涂层摩擦材料

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1、具有增摩结构的超声电机涂层摩擦材料曲建俊，王彦利，曲焱炎，毛庆波(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：超声电机摩擦材料应

2、一J时具有良好的摩擦学特性和一定的接触变形要求，目前所用单一均质结构摩擦材料较难满足，需要研制新型摩擦材料。本文从摩擦学的减摩结构模型反推出一种增摩结构模型，采片j表面粘涂法研制了一种具有增摩结构的涂层摩擦材料。利用超声电机模拟试验装置考察了涂层厚度对超声电机性能的影响，初步验证了模型的jF确性。在本文的试验条件下，当涂层材料表层厚度为Imm，底层厚度为0．7mm左右时，超声电机具有较好的

3、性能。与其他种类的摩擦材料比较表明：具有增摩结构的摩擦材料可以满足超声电机的使用要求，可望提升超声电机的性能，具有良好的发展前景。关键词：超声电机；摩擦材料；涂层；增摩摩擦材料的性能直接影响超声电机的驱动特性和使用寿命【l】。超声电机对摩擦材料的要求可分为两方面，其一是摩擦材料的摩擦学特性，具有较大的摩擦系数、低磨损、对偶件磨伤小，抗热衰退强；其二是摩擦材料的接触变形特性，需要摩擦材料具有一定的变形能力，以利于有效地传递能量；此外，具有较好的声学特性和合适的硬度，噪音小，热稳定性好，以及良好的精密加工性也是必要的。近年来

4、，国内外已研制出了多种超声电机摩擦材料【2删，不仅如此，在摩擦材料的性能，如硬度、弹性模量、尺寸厚度[2,10-12]以及各向异性结构【13，141等对超声电机输出特性的影响也进行了实验和仿真研究。然而，多数研究单位或学者在实验分析过程中采用的是单一均质片状结构的摩擦材料，此种摩擦材料要同时满足摩擦学和接触变形要求存在一定的限制，较难进一步提升超声电机的性能。目前，人们一方面在研究改进现有摩擦材料问题，以提高其性能；另一方面也在探索研制新型超声电机摩擦材料。针对超声电机对摩擦材料的特殊要求，建立具有指导意义的摩擦材料设计

5、模型。因此，本文首先提出一种具有增摩结构的摩擦材料设计模型，然后采用表面粘涂法研制一种具有增摩结构的涂层摩擦材料【l5

6、，考查了表、底涂层厚度变化对超声电机性能的影响。同时与其他摩擦材料进行超声电机性能对比，期望研制一种具有增摩结构的超声电机涂层摩擦材料。1增摩结构涂层设计原理1．1超声电机接触模型图1所示为在半个波长上行波超声电机定转子的接触情况，h为摩擦材料厚度，W为在预压力FN作用下摩摩擦材料的法向接触变形量，2L为定转子的接触区域。驱动力F=fgdP(X)ax2L．．326．图I超声马达定转子接触模型式中，胁为摩

7、擦系数，P(x)为接触区域单位长度上的预压力。从驱动力公式可以看出，摩擦材料的摩擦系数和接触区域对驱动具有重要影响。1．2增摩模型的建立根据粘着理论[16

8、，对于小摩擦的材料，一种减摩模型如图2所示，它是在刚度大的硬基体表面设置一薄层刚度较小的软表面膜的复合结构，当与对偶件摩擦时，可获得较小的摩擦力。摩擦力F=A，×f，彳，是接触面积，f是材料的剪切强度极限。图2减摩模型图件(薄)层图3增摩模型考虑摩擦材料是一种大摩擦特性材料，可以反向应用减摩模型。将刚度大的硬薄膜层置于表层，在其和硬摹体之间增加一层刚度小的软材料层，结

9、构如图3所示，以软材料层为整体材料的底层，硬材料层为整体材料的表层。接触变形量在一定程度上由刚度小的软底层材料决定，在预压力一定时，摩擦副可以获得较大的接触面积。由粘着理论可知，表层材料硬度大，剪切强度极限大，因此，在接触面间可以获得较大的摩擦力，此种结构就构成了增摩模型，同时这种结构还可以使摩擦材料获得较好的耐磨性。2涂层摩擦材料的制备2．1涂层组成及表层摩擦性能增摩结构涂层摩擦材料的表层是以热固性环氧树脂胶粘剂为基体，以MoS2、晶须、Cu为填料，通过正交设计和回归分析后确定的复合材料，称为表层摩擦材料A。以8mm厚

10、的聚苯酯翅料块为基体，在其表面制成2mm厚涂层摩擦材料，摩擦试块总体尺寸为20×7×10mm3，用M一200型磨损试验机，测得其与45钢环的摩擦系数和磨损率分别为0．54和0．31x10。2(m3／hi·min)。底层材料是利用另一种环氧胶粘剂改性后制备的复合材料B。2．2制备工艺增摩结构涂层材料采用如下粘涂工艺制备，先将模具和转子基体清洗，烘干，然后把底层材料B刷涂在模具中，安装转子，在烘箱中使B表干，再将摩擦材料A涂覆在B表层，把带有底层材料的转子安装在模具上压平，在100。C固化3个小时，最后将经研磨抛光，制得试样

11、试件。图4为B材料完全固化和仅表于时制备的涂层摩擦材料界面分布的SEM照片。图4a)为B完全固化制得的涂层摩擦材料的截面图，从中可以看出，上下两层之间有明显的界面存在。图4b)为B表干制得的涂层摩擦材料的截面图，从中可以看出，在两个涂层之间有一定厚度的过渡层，此工艺制备的具有增摩结构的涂层摩擦材料能够较好的使两层材料