超聲波電動機轉子與摩擦材料間界面裂紋的有限元分析

    王一鈞．王志強

    (浙江工業大學，浙江杭州310014)

    摘要：超聲波電動機轉子與摩擦材料間的界面裂紋影響著整個電機的可靠性和壽命。采用較符合實際接觸狀況的柔性轉子和剛性定子模型，通過有限元軟件，得到超聲波電動機轉子與摩擦材料間界面裂紋****的應力強度因子的計算方法，對轉子與摩擦材料之間的界面斷裂研究，以及確定其界面加工與黏結工藝具有一定的實際價值。

    關鍵詞：超聲波電動機；摩擦材料；界面裂紋；應力強度因子；有限元法

    中圖分類號：TM38  文獻標識碼-A  文章編號：1004—7018(2008)09—0013—03

                       

O引  言

    目前，超波聲電動機在照相機自動聚焦系統、手表、汽車、機器人、核磁共振儀及卡片傳輸機等產品上都得到廣泛應用，且需求量巨大。

    近年來，我國雖然在超聲波電動機的設計理論、制造技術上取得了一定的成果，但是在其使用壽命和可靠性方面與日本、美國等還有很大的差距。我國已經研制出一些超聲波電動機的樣機，但是其可靠性和制造工藝還不足以制造完全商業化的應用產品。造成這種情況的主要原因是：國內生產的壓電陶瓷動強度低，在高頻下易斷裂；國內的摩擦材料可靠性并不高，在連續工作中易失效；同時國內也缺乏高強度、耐高溫和不易剝落的膠粘劑。。

    轉子是超聲波電動機重要的工作部件，其轉動是通過黏結在其表面的摩擦材料被定子驅動來實現的，如圖l所示。摩擦材料要承受較高的剪切應力和沖擊，因此，摩擦材料與轉子的連接界面強度及界面裂紋****的應力集中情況都影響著超聲波電動機的壽命和可靠性。本文通過有限元方法對轉子與摩擦材料間的界面裂紋****應力強度因子的計算方法進行了研究、這對超聲波電動機可靠性研究、載荷設計、預壓力設定、黏結工藝和界面表面加工及壽命預測等都有一定價值：

   

      圖1環形行波超聲波電動機結構圖

轉子材料和座擦材料的選擇

    超聲波電動機的轉子是由不銹鋼、硬鋁或工程塑料制成，硬鋁能有效減輕超聲波電動機的重量，且較容易進行切削加工，因此，本文選用硬鋁作為定子材料進行參數設定與研究。

    超聲波電動機是通過定子和轉子的摩擦進行驅動的。為了增加定子對轉子的摩擦力，在轉子上會粘結-層磨檫材料。摩擦材料一般為高分子聚合物，隨著高分子材料的飛速發展，出瑚了很多性能****的可作為摩擦材料的高分子材料。摩擦材料的選擇直接影響到電機的工作性能和使用壽命，因此選用合適的摩擦材料十分重要。

    摩擦材料如果太軟，在微觀上定子上的振動質點會與摩擦材料嚙合過深，導致定子在轉子運動方向產生的阻力超過了它所提供的驅動力，轉子無法轉動；摩擦材料太硬，定子上振動的質點與轉子是點接觸，驅動力太小，也無法達到有效驅動轉子的目的。因此，選擇合適的摩擦材料是超聲波電動機研究中的關鍵[3]。在頻率f=41．07 kHz、電壓130 v／ms的激勵下，對RTWUSM30以不同的四種摩擦材料(#l為環氧樹脂加丙綸纖維，#2為硬鋁，#3為PTFE，#4為環氧樹脂)進行實驗得出：PTFE(滲碳聚四氟乙烯)較適合作為轉子的摩擦材料(如圖2所示)。

   

    圖2不同摩擦材料的超聲波電動機轉速與效率和轉矩的關系曲線

2定子和摩擦材料的接觸模型

    定子和摩擦材料間的接觸并不是剛性定子和剛性摩擦材料的線性接觸模型，實際情況是定子在與摩擦材料接觸時，接觸處的摩擦材料必然要產生變形。因此，本文采用的接觸分析模型是較符合實際情況的剛性定子和柔性摩擦材料的接觸模型。超聲波電動機工作時，剛性定子與柔性摩擦材料間是面接觸關系，其接觸面的形狀是由定子產生行波的波長與振幅來決定的。

    如圖3所示，z軸通過定子行波波峰處，x軸為定子變形前的表面。在預壓力的作用下，摩擦材料在一X_o