真空下超聲波驅(qū)動(dòng)接觸狀態(tài)研究
摘要：超聲馬達(dá)接觸界面的狀態(tài)直接影響超聲馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)特性。采用自制的模擬超聲馬達(dá)定子表面一質(zhì)點(diǎn)橢圓振動(dòng)的超聲波驅(qū)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，研究了接觸預(yù)壓力、激勵(lì)電壓和真空度對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)頭與摩擦片接觸狀態(tài)的影啊。結(jié)果表明：隨著接觸預(yù)壓力和真空度的增加，摩擦驅(qū)動(dòng)頭和摩擦片的接觸時(shí)間變長；激勵(lì)電壓對(duì)摩擦驅(qū)動(dòng)頭和摩擦片的接觸效果影響較小。出真空卜粘結(jié)力的增加及聲懸浮力的減小是引起摩擦驅(qū)動(dòng)頭和摩擦片的接觸時(shí)間變長的主要原兇。
關(guān)鍵詞：超聲波；摩擦驅(qū)動(dòng)；接觸狀態(tài)
O引言
行波型超聲馬達(dá)定子表而某一質(zhì)點(diǎn)在微觀狀態(tài)下做周期性高頻橢圓振動(dòng)，而不同的質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻處于橢圓振動(dòng)軌跡的不同位置，且各點(diǎn)位置連續(xù)，在定子表面形成了高頻正弦行波，靠接觸摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)…。對(duì)超聲馬達(dá)定子表面一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)的微觀摩擦驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的研究，將有助于深入理解行波型超聲馬達(dá)的宏觀摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理。
在1988年Kurosawa和ueha就分析了超聲馬達(dá)定、轉(zhuǎn)子的接觸界面特性，在轉(zhuǎn)子的法向建立線彈性接觸模型P J。Maen0等用有限元方法研究了超聲馬達(dá)定、轉(zhuǎn)予間接觸狀態(tài)和相互作用指出只有把比普通摩擦試驗(yàn)測(cè)得的更低的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)代入理論公式中，才能得到與超聲波驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果一致的結(jié)論”0。Adachi等從實(shí)驗(yàn)和理論的兩個(gè)方面研究了超聲波驅(qū)動(dòng)r的摩擦微機(jī)理”0。storck和wallaschek等研究I=r超聲馬達(dá)疋、轉(zhuǎn)子之間接觸層的切向彈性對(duì)超聲馬達(dá)特性的影響，劉超聲馬達(dá)的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義0 J。羅云霞等研究了接觸預(yù)壓緊力和兩相超聲波振動(dòng)的激勵(lì)電壓峰峰值之比對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)r的摩擦特性的影啊_6J。作者在前期工作中，對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)中的垂直超聲波振動(dòng)的減摩作用進(jìn)行1r理論研究，得出垂直方向超聲波振動(dòng)是導(dǎo)致超聲波驅(qū)動(dòng)動(dòng)摩擦系數(shù)降低的原兇l|J。周鐵英等測(cè)試了大氣與真空下行波超聲馬達(dá)定轉(zhuǎn)r接觸狀態(tài)，認(rèn)為大氣F存在的聲懸浮力使定、轉(zhuǎn)子間分離時(shí)間比真空下的長Ⅸj。日前對(duì)真空下超聲波驅(qū)動(dòng)接觸狀態(tài)研究報(bào)道較少，兇此，在真空下對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)接觸狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究顯得尤為重要。
本義采用文獻(xiàn)9提出的電接觸法，研制超聲波驅(qū)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，間接測(cè)量超聲波驅(qū)動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)頭與摩擦片的實(shí)際接觸狀態(tài)，結(jié)合測(cè)得的接觸界面的接觸波形圖，分析接觸預(yù)壓力、激勵(lì)電
壓和真空度對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)特性的影響，為建立超聲馬達(dá)摩擦界面的驅(qū)動(dòng)模型和分析超聲馬達(dá)摩擦磨損規(guī)律提供試驗(yàn)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
1試驗(yàn)部分
1 1實(shí)驗(yàn)裝置
為了模擬定予表面某點(diǎn)的橢圓振動(dòng)效果，采用了文獻(xiàn)10提出的復(fù)合超聲波振動(dòng)體，如圖1a1所示。該復(fù)合超聲波振動(dòng)體的水平振動(dòng)和垂直振動(dòng)分別是利用兩組壓電陶瓷片產(chǎn)生。當(dāng)向兩組
壓電陶瓷片分別施加同一頻率、相位相差90。的驅(qū)動(dòng)電壓激振時(shí)，該超聲波振動(dòng)體的摩擦驅(qū)動(dòng)頭的前端點(diǎn)做高頻橢圓運(yùn)動(dòng)。將圖1a)所示超聲波振動(dòng)體安裝在自制的模擬超聲波驅(qū)動(dòng)摩擦試驗(yàn)臺(tái)(圖1b)上，用壓電晶體式動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量接觸界面的動(dòng)態(tài)接觸壓力和驅(qū)動(dòng)力，通過測(cè)量R2兩端的電壓波形，間接測(cè)量接觸界面的接觸狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)裝置能夠方便地更換摩擦副、改變工作電壓和預(yù)壓力。其中，預(yù)壓力由振動(dòng)體自重和試驗(yàn)裝置頂端的砝碼提供。測(cè)量數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)采集和處理。試驗(yàn)中用的摩擦驅(qū)動(dòng)頭和摩擦片材料均為紫銅，將試驗(yàn)臺(tái)放入真空腔內(nèi)。真空測(cè)試系統(tǒng)由真率腔、真空控制系統(tǒng)、超聲馬達(dá)控制系統(tǒng)等組成。通過調(diào)節(jié)真窄控制系統(tǒng)，可使真空室內(nèi)的真空度達(dá)到試驗(yàn)要求的范圍。
圖1超聲波驅(qū)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意同
1 2試驗(yàn)
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