超聲驅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動轉子具有等同的原理，所以模擬研究駐波馬達振子的驅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做了系統研究。
　　根據棒板組合式振子縱振動和彎振動方程，推導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，推導振子與各向異性摩擦材料縱向接觸預壓力與接觸包角以及摩擦材料物理參數關系，建立了動子橫向動力學模型，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，得出速度與等效推力(負載)方程。在此基礎上數值模擬了預壓力、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。在三種驅動模型中，對各種彈性常數、厚度的各向異性材料，以及振子的不同縱彎振幅和不同預壓力下的空載速度、阻力和負載特性進行了計算分析。
　　根據縱彎振子振動理論，設計出能夠在微觀狀態(tài)下做高頻橢圓振動、宏觀狀態(tài)下做驅動機構的超聲波振動體。設計制造能夠承載該超聲波振動體的試驗臺機構，開發(fā)高頻動態(tài)

4、力信號傳輸和高頻數據采集系統，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。根據復合材料細觀力學理論，計算了單層板的工程彈性常數。又根據復合材料宏觀力學理論，單層復合材料板沿任意方向上應力/應變關系以及工程彈性常數，并計算了2大類，各6種角度的單層復合材料板的工程常數。

5、最后根據層合板剛度理論，推導計算了制備的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。
　　在超聲微驅動實驗臺上，測試研究縱彎振子與各向異性摩擦材料的驅動特性。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)力和驅動力變化規(guī)律。根據縱向和驅動力時域波形分析，揭示了駐波馬達微驅動機理。通過研究驅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