超聲驅(qū)動(dòng)微摩擦機(jī)理分析及各向異性摩擦材料研究.pdf

1、超聲馬達(dá)的振子與動(dòng)子摩擦材料的高頻、微幅、間斷性接觸驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，從模型建立到仿真一直是研究難點(diǎn)，因?yàn)轳v波馬達(dá)的高頻微幅接觸與行波超聲馬達(dá)的單齒驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子具有等同的原理，所以模擬研究駐波馬達(dá)振子的驅(qū)動(dòng)機(jī)理對(duì)揭示超聲馬達(dá)高頻接觸摩擦機(jī)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(dòng)模型、有限元仿真、各向異性理論、材料制備方法和試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)做了系統(tǒng)研究。
　　根據(jù)棒板組合式振子縱振動(dòng)和彎振動(dòng)方程，推導(dǎo)出振子端部周期性的橢

2、圓運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由振子端部橢圓運(yùn)動(dòng)與動(dòng)子摩擦材料接觸問(wèn)題，基于壓電振子縱振方向的動(dòng)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(dòng)子橫向動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)振子水平振速與動(dòng)子穩(wěn)態(tài)輸出速度等速時(shí)間點(diǎn)分析，判斷摩擦力與相對(duì)速度方向，在一個(gè)周期內(nèi)，得出速度與等效推力(負(fù)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(duì)駐波超聲馬達(dá)負(fù)載特性的影響。
　　為解決多周期的驅(qū)動(dòng)問(wèn)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(xiàn)性的變形的特點(diǎn)，用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的小橢圓體來(lái)模擬縱彎振動(dòng)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(dòng)模型中，對(duì)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(fù)載特性進(jìn)行了計(jì)算分析。
　　根據(jù)縱彎振子振動(dòng)理論，設(shè)計(jì)出能夠在微觀狀態(tài)下做高頻橢圓振動(dòng)、宏觀狀態(tài)下做驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的超聲波振動(dòng)體。設(shè)計(jì)制造能夠承載該超聲波振動(dòng)體的試驗(yàn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)高頻動(dòng)態(tài)

4、力信號(hào)傳輸和高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為完成摩擦材料的測(cè)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(lái)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(xì)觀力學(xué)理論，計(jì)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(jì)算了2大類(lèi)，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(jì)算了制備的2大類(lèi)、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(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)試研究縱彎振子與各向異性摩擦材料的驅(qū)動(dòng)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(lì)電壓條件下的縱向動(dòng)態(tài)力和驅(qū)動(dòng)力變化規(guī)律。根據(jù)縱向和驅(qū)動(dòng)力時(shí)域波形分析，揭示了駐波馬達(dá)微驅(qū)動(dòng)機(jī)理。通過(guò)研究驅(qū)動(dòng)力和縱向正壓力幅值，分析在不同實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明軸向