超聲驅(qū)動微摩擦機理分析及各向異性摩擦材料研究.pdf

1、超聲馬達的振子與動子摩擦材料的高頻、微幅、間斷性接觸驅(qū)動問題，從模型建立到仿真一直是研究難點，因為駐波馬達的高頻微幅接觸與行波超聲馬達的單齒驅(qū)動轉(zhuǎn)子具有等同的原理，所以模擬研究駐波馬達振子的驅(qū)動機理對揭示超聲馬達高頻接觸摩擦機理和摩擦材料固有特性，以及研制新型摩擦材料都具有重要意義。本文從驅(qū)動模型、有限元仿真、各向異性理論、材料制備方法和試驗測試技術(shù)做了系統(tǒng)研究。
　　根據(jù)棒板組合式振子縱振動和彎振動方程，推導(dǎo)出振子端部周期性的橢

2、圓運動規(guī)律。由振子端部橢圓運動與動子摩擦材料接觸問題，基于壓電振子縱振方向的動量守恒，推導(dǎo)振子與各向異性摩擦材料縱向接觸預(yù)壓力與接觸包角以及摩擦材料物理參數(shù)關(guān)系，建立了動子橫向動力學(xué)模型，通過對振子水平振速與動子穩(wěn)態(tài)輸出速度等速時間點分析，判斷摩擦力與相對速度方向，在一個周期內(nèi)，得出速度與等效推力(負載)方程。在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬了預(yù)壓力、振子振幅、摩擦材料特性對駐波超聲馬達負載特性的影響。
　　為解決多周期的驅(qū)動問題，利用ABAQ

3、US有限元軟件能模擬高頻接觸和解決材料非線性的變形的特點，用高速轉(zhuǎn)動的小橢圓體來模擬縱彎振動觸頭與摩擦材料的高頻接觸，并給出了等同性原理的證明。在三種驅(qū)動模型中，對各種彈性常數(shù)、厚度的各向異性材料，以及振子的不同縱彎振幅和不同預(yù)壓力下的空載速度、阻力和負載特性進行了計算分析。
　　根據(jù)縱彎振子振動理論，設(shè)計出能夠在微觀狀態(tài)下做高頻橢圓振動、宏觀狀態(tài)下做驅(qū)動機構(gòu)的超聲波振動體。設(shè)計制造能夠承載該超聲波振動體的試驗臺機構(gòu)，開發(fā)高頻動態(tài)

4、力信號傳輸和高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為完成摩擦材料的測試提供保障。
　　研制了制備各向異性摩擦材料的設(shè)備和模具。提出用纖維與軸向的不同角度來改變摩擦材料各向異性，制備了與軸向成0°、15°、30°、45°、60°、90°纖維角的6種各向異性材料。根據(jù)復(fù)合材料細觀力學(xué)理論，計算了單層板的工程彈性常數(shù)。又根據(jù)復(fù)合材料宏觀力學(xué)理論，單層復(fù)合材料板沿任意方向上應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系以及工程彈性常數(shù)，并計算了2大類，各6種角度的單層復(fù)合材料板的工程常數(shù)。

5、最后根據(jù)層合板剛度理論，推導(dǎo)計算了制備的2大類、各6種各向異性摩擦材料沿縱向和切向的工程常數(shù)。
　　在超聲微驅(qū)動實驗臺上，測試研究縱彎振子與各向異性摩擦材料的驅(qū)動特性。研究六種軸向纖維角材料在不同厚度、在不同壓力、不同的縱彎激勵電壓條件下的縱向動態(tài)力和驅(qū)動力變化規(guī)律。根據(jù)縱向和驅(qū)動力時域波形分析，揭示了駐波馬達微驅(qū)動機理。通過研究驅(qū)動力和縱向正壓力幅值，分析在不同實驗條件下，振子銅觸頭與各向異性摩擦材料的摩擦磨損特性。實驗表明軸向