超声电机各向异性摩擦材料制备及驱动试验

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1、超声电机各向异性摩擦材料制备及驱动试验曲焱炎，曲建俊(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：超卢电机是靠接触摩擦驱动，理论分析表明各向异性转子摩擦材料可使超声电机具有较大的力矩输出和更高的转化效率。研制了各向异性摩擦材料的缠绕设备，设计了两类纤维取向的纤维树脂基复合材料，一种是纤维垂直于摩擦表面，另一种是纤维平行于运动方向。通过控制纤维排列方向与环氧树脂的用量，制备出一系列纵向和周向弹性模量不同组合的各向异性复合材料。利用密度法测量出纤维与树脂含量。由复合材料细观力学，计算出各弹性常数。将两类复合材料分别加工成

2、不同厚度的摩擦片，粘附在转子上。测试其在行波超声电机运行时的负载特性，空载转速和堵转力矩。试验表明摩擦片厚度在0．6mm、纤维垂直运动方向的转子复合材料，使用性能最优。分析了材料弹性常数对电机性能的影响，得出摩擦材料的弹性模量、厚度和动态摩擦系数是决定电机性能的主要冈素。关键词：超声电机：转子复合材料：各向异性；摩擦磨损超声电机是依靠定转子表面的微动摩擦传递运动和动力的新型动力装置。摩擦界面的转换效率和使用寿命直接影响电机的性能。为了降低振动噪声和减少磨损，摩擦配副的选择都是软质高分子基体材料和硬质金属材料组合。现今的摩

3、擦材料主要有橡胶基、树脂基、粉末冶金基、陶瓷涂层等⋯。摩擦材料主要粘贴在转子上怛¨引，最近也有粘涂在定子上H儿5I。其中的聚四氟乙烯基摩擦材料应用较多。6儿“，是由基体内添加硬度调节剂，摩擦改进剂和导热剂制成的复合材料。超声电机使用聚四氟乙烯基摩擦材料是由于其良好的减震降噪性能和填加适量填料后改进了定转子的接触变形量。粘涂型摩擦材料是将加有摩擦改进剂、硬度调节剂、导热剂的树脂，涂敷在定子表面。这种方法工艺简单，电机使用性能良好，定子工作频率变宽怕1。以上这些摩擦材料都属于各向同性。随着对超声电机输出性能和使用寿命要求的提

4、高，人们在不断研制新型摩擦材料。根据超声电机接触摩擦驱动特性，很早就有人预测具有各向异性摩擦材料在使用性能上优于各向同性[81。一些学者也进行了实验研究和理论探索【9儿10儿儿儿12’。但是对于各向异性摩擦材料制备工艺和摩擦驱动机理未作深入研究。本文从超声电机驱动理论出发，探讨各向异性摩擦材料的优势，研制各向异性摩擦材料制作设备，并进行了初步的摩擦驱动试验，为各向异性转子复合材料摩擦片设计制造提供指导。1各向异性摩擦材料超声驱动理论由电机的输出功率w=F·v，要得到较大输出功率，就要F大，V也要大。首先从行波电机接触模型

5、对超声电机的速度分析，由图l可知在波峰处质点水平速度最大，在中线位置水平速度为零。从图2可以看出定子表面各点的实际振动速度矢量。它是一个水平振速与垂直振速的合成。．331．矛求粉心以舣么A—X一图l行波水平振动速度图2定子表面各点振动规律但是波峰点速度并不是定子传递给转子的速度，由于转子受一定的预压力，定子与转子摩擦材料存在着一定粘弹性接触区，接触面积为时，定子质点振动传递给转子是一个平均速度。如下图3所示，从A至波峰是速度大于平均速度，属于驱动区。在A以下是阻碍区，存在着几何滑动。接触面积灯越小，传递的速度越大。但是摩

6、擦驱动力F=Ar*-，舡趋近于零，F也趋近于零。因而存在一合适接触区Ar，如图4所示，使W=F*V为最大。另外，在转子压力一定的情况下，压力舅l⋯一1．型力I。，汐=行星方向64卜‘一行拄方向’图3电机定子和转子接触区的速度分布图4定转子接触区域接触区时的大小与垂直方向弹性模量Ev存在反比关系。所以Ev也要有一个合适值。而转子驱动也是～个能量传递过程，定子质点沿水平振动撞击摩擦材料，根据动量守恒原理，要使能量损失为零，最好为完全弹性碰撞。实际是不可能的，只能使切向变形越小越好。由应力应变关系，撞击产生的应力是定值。所以要

7、水平方向弹性模量EH适当大一些。又不能太大，如果太大会对定子有磨损。由上面分析可知，Ev与EH存在着合适的值，两者之间有恰当匹配关系，才能实现超声电机的最大输出功率。从以上超声电机的驱动特性可知，超声电机对摩擦材料在水平(即切向)和垂直(纵向)两个方向的性能要求是不同的。2各向异性摩擦材料制备为研究水平和垂直两个方向模量对超声电机摩擦驱动性能的影响，要制备在这两个方向不同纤维排列的复合材料。首先设计制造了压制单层复合板的模具和一台缠绕设备，通过更换缠绕芯轴和模具环，可以达到一台设备两种功用。利用压制模具和缠绕机，变化纤维

8、与摩擦面平行或垂直的方向，改变纤维与树脂的含量，以期达到复合材料的不同弹性参数。2．1模具及缠绕设备制备纤维平行于摩擦面的设备如图5所示，它由可调速电机、联轴器、安装模具组件的轴、轴两端各有两个锁紧螺母、模具组件、轴承、轴承压盖、支架、工作台组成。模具数量根据轴长度选择，要使模具组件累加长度大于中间轴8～10毫米，以