超声波电机梯度摩擦材料设计及匹配行为研究博士学位论文

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1、博士学位论文超声波电机梯度摩擦材料设计及匹配行为研究DESIGNOFGRADIENTFRICTIONMATERIALFORULTRASONICMOTORANDMATCHINGBEHAVIOR王彦利哈尔滨工业大学2011年3月国内图书分类号：TH117学校代码：10213国际图书分类号：621.891密级：公开工学博士学位论文超声波电机梯度摩擦材料设计及匹配行为研究博士研究生：王彦利导师：曲建俊教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2011年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH117U.D.C:621.891Disserta

2、tionfortheDoctoralDegreeinEngineeringDESIGNOFGRADIENTFRICTIONMATERIALFORULTRASONICMOTORANDMATCHINGBAHAVIORCandidate：WangYanliSupervisor：Prof.QuJianjunAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：March,2011D

3、egree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要超声波电机是一种利用摩擦传递动力的新型驱动器，以其独特的优势在航空航天、导弹制导、精密定位等多种领域取到广泛关注。超声波电机特殊驱动模式及工作机理使其接触界面的疲劳和磨损难以避免，限制其优越性能的发挥。然而，摩擦材料作为提高超声波电机性能寿命的关键材料因素，对其设计及摩擦磨损规律的研究仍缺乏较深层认识。因此，有必要开展超声波电机接触界面摩擦磨损规律研究，打破摩擦材料的传统设计思路，研究摩擦可控型高性能摩擦材料，对提高超声波电机性能寿命及可靠性，促进电机快速发展与应用均具有

4、重要理论和实际意义。基于超声波电机的工作原理及接触界面磨损特征，提出一种等效磨损实验方法，建立磨损与超声波电机性能之间的联系。利用该方法研究超声波电机输出、定转子间接触特性、接触界面间摩擦与磨损特性的变化规律。基于一个简化接触模型，研究超声波电机关键接触参数随磨损的演变规律。为进一步提高超声波电机性能，探讨超声波电机对摩擦材料在接触变形特性、摩擦学特性和结构特性上的特殊要求，提出超声波电机摩擦材料特殊设计原则，超声波电机摩擦材料应是具有特殊结构和性能的梯度摩擦材料。考虑接触界面摩擦材料磨损的影响，并结合摩擦材料等效磨损方法，建立超声波电机摩擦材料梯度设计原理。按照摩擦材料不同部分在整个寿命

5、期间内的作用，设计摩擦材料的梯度结构形式。在法向上，以接触宽度不变为目标，设计摩擦材料弹性模量的梯度变化。在切向上，以接触界面摩擦输出力不变为目标，设计摩擦材料摩擦系数的梯度变化。在使用寿命上，以接触界面磨损率不变为目标，设计摩擦材料硬度的梯度变化。建立超声波电机摩擦材料梯度设计理论，为超声波电机高性能摩擦材料设计提供理论基础。以环氧树脂为基体，以固化剂、稀释剂、摩擦改进剂为性能调节剂，按照梯度摩擦材料设计要求，利用粘涂法制备出三层复合的梯度涂层摩擦材料，从弹性模量、摩擦系数、硬度三个角度对梯度涂层摩擦材料进行性能表征。在实验样机上考察梯度摩擦材料对超声波电机的接触、负载、摩擦和磨损特性的

6、影响，并与单一均质摩擦材料进行对比。结果表明，采用梯度摩擦材料的超声波电机可获得较稳定的接触和输出特性，验证梯度摩擦材料的设计理论，从而为超声波电机摩擦材料的选择提供新领域。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文将超声波电机接触模型、磨损等效方法和摩擦材料磨损预测模型相结合，建立超声波电机性能预测模型，并根据实验结果对模型修正。该模型可预测超声波电机的预压力、接触压力分布和负载特性随电机运行时间的变化以及给定负载下的超声波电机使用寿命。利用性能预测模型，分别研究摩擦材料弹性模量、摩擦系数和硬度的梯度特性对超声波电机接触、驱动和磨损特性的控制作用，并通过实验进行验证，为超声波电机性能主动控制提

7、供理论依据。为充分发挥梯度摩擦材料性能优势，研究摩擦材料在定转子上的匹配行为。为了研究的方便性，以一种均质摩擦材料为对象，在不同匹配方式下，考察定转子接触界面间摩擦系数，动态力差异。实机测试摩擦材料匹配方式对超声波电机负载与磨损特性的影响。探讨摩擦材料在定子和转子上的匹配原则，为梯度摩擦材料在超声波电机中合理应用提供指导。关键词：超声波电机；摩擦材料；梯度；磨损；匹配；控制行为-II-AbstractAbstractUl