曲焱炎，曲建俊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱1 50001)

     摘要：超聲電機(jī)是靠接觸摩擦驅(qū)動(dòng)，理論分析表明各向異性轉(zhuǎn)子摩擦材料可使超聲電機(jī)具有較大的力矩輸出和更高的轉(zhuǎn)化效率。研制了各向異性摩擦材料的纏繞設(shè)備，設(shè)計(jì)了兩類纖維取同的纖維樹脂基復(fù)合材料，一種是纖維垂直于摩擦表面，另一種是纖維下行于運(yùn)動(dòng)方向。通過控制纖維排列方向與環(huán)氧樹脂的用量，制備出一系列縱向和周向彈性模量不同組合的各向異性復(fù)合材料。利用密度法測量出纖維與樹脂含量。由復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)，計(jì)算出各彈性常數(shù)。將兩類復(fù)合材料分別加工成不同厚度的摩擦片，粘附在轉(zhuǎn)予上。測試其在行波超聲電機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載特性，空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩。試驗(yàn)表明摩擦片厚度在0.6mm、纖維垂商運(yùn)動(dòng)方向的轉(zhuǎn)子復(fù)合利料，使用性能****。分析了材料彈性常數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影啊，得出摩擦材料的彈性模量、厚度和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)是決定電機(jī)性能的主要因素。

    關(guān)鍵詞：  超聲電機(jī)；轉(zhuǎn)子復(fù)合利料；各向異性；摩擦磨損

    超聲電機(jī)是依靠定轉(zhuǎn)子表面的微動(dòng)摩擦傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的新型動(dòng)力裝置。摩擦界面的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命直接影響電機(jī)的性能。為了降低振動(dòng)噪聲和減少磨損，摩擦配副的選擇都是軟質(zhì)高分子基體材料和硬質(zhì)金屬材料組合。

    現(xiàn)今的摩擦材料主要有橡膠基、樹脂基、粉末冶金基、陶瓷涂層等[1]。摩擦捌料豐要粘貼在轉(zhuǎn)子上[2][3]，最近也有粘涂在定子[4][5]。其中的聚四氟乙烯基摩擦材料應(yīng)用較多[6][7],是由基體內(nèi)添加硬度調(diào)節(jié)劑，摩擦改進(jìn)劑和導(dǎo)熱劑制成的復(fù)合材料。超聲電機(jī)使用聚叫氟乙烯基摩擦材料是由于其良好的減震降噪性能和填加適量填料后改進(jìn)了定轉(zhuǎn)子的接觸變形量。粘涂型摩擦材料是將加有摩擦改進(jìn)劑、硬度調(diào)節(jié)劑、導(dǎo)熱劑的樹脂，涂敷在定子表而。這種方法工藝簡單，電機(jī)使用性能良好，定子工作頻率變寬[5]。

    以上這些摩擦材料都屬于各向同性。隨著對(duì)超聲電機(jī)輸出性能和使用壽命要求的提高，人們?cè)诓粩嘌兄菩滦湍Σ敛牧稀８鶕?jù)超聲電機(jī)接觸摩擦驅(qū)動(dòng)特性，很早就有人預(yù)測具有各向異性摩擦材料在使用性能上優(yōu)于各向同性[8]。一些學(xué)者也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論探索[9][10][11]。但是對(duì)于各向異性摩擦材料制各工藝和摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理未作深入研究。本文從超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)理論出發(fā)，探討各向異性摩擦材料的優(yōu)勢，研制各向異性摩擦材料制作設(shè)備，并進(jìn)行了初步的摩擦驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，為各向異性轉(zhuǎn)子復(fù)合材料摩擦片設(shè)計(jì)制造提供指導(dǎo)。

1各向異性摩擦材料超聲驅(qū)動(dòng)理論

    由電機(jī)的輸出功率W=F×V，要得到較人輸出功率，就要F大，v也要大。首先從行波電機(jī)接觸模型對(duì)超聲電機(jī)的速度分析，由圖1可知在波峰處質(zhì)點(diǎn)水平速度****，存中線位置水甲速度為零。

    從圖2可以看出定子表面各點(diǎn)的實(shí)際振動(dòng)速度欠量。它是一個(gè)水平振速與垂直振速的合成。

但是波峰點(diǎn)速度并不是定子傳遞給轉(zhuǎn)子的速度，由于轉(zhuǎn)子受一定的預(yù)壓力，定子與轉(zhuǎn)子摩擦材料存在著一定粘彈性接觸區(qū)，接觸面積為Ar，定子質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)子是一個(gè)平均速度。如下圖3所示，從A至波峰是速度大于平均速度，屬于驅(qū)動(dòng)區(qū)。在A以下是阻礙區(qū)，存在著幾何滑動(dòng)。接觸面積Ar越小，傳遞的速度越大。但是摩擦驅(qū)動(dòng)力F=Ar×ι，Ar趨近于零，F(xiàn)也趨近于零。因而存在一合適接觸區(qū)Ar，如圖4所示，使w=F×V為 ****。另外，在轉(zhuǎn)子壓力一定的情況下，接觸區(qū)Ar的大小與垂直方向彈性模量Ev存在反比關(guān)系。所以Ev也要有一個(gè)合適值。而轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)也是一個(gè)能量傳遞過程，定子

質(zhì)點(diǎn)沿水平振動(dòng)撞擊摩擦材料，根據(jù)動(dòng)量守恒原理，要使能量損失為零，****為完全彈性碰撞。實(shí)際是不可能的，只能使切向變形越小越好。

    由應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力是定值。所以要水平方向彈性模量EH適當(dāng)大一些。又不能太大，如果太大會(huì)對(duì)定子有磨損。由上面分析可知，  Ev與EH存在著合適的值，兩者之間有恰當(dāng)匹配關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)的****輸出功率。從以上超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性可知，超聲電機(jī)對(duì)摩擦材料在水平(即切向)和垂直(縱向)兩個(gè)方向的性能要求是不同的。

2各向異r洼摩擦材料制備

    為研究水平和垂直兩個(gè)方向模量對(duì)超聲電機(jī)摩擦驅(qū)動(dòng)性能的影響，要制備在這兩個(gè)方向不同纖維排列的復(fù)合材料。首先設(shè)計(jì)制造了壓制單層復(fù)合板的模具