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《哈尔滨工业大学》 2009年
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超声驱动微摩擦机理分析及各向异性摩擦材料研究

曲焱炎  
【摘要】:超声马达的振子与动子摩擦材料的高频、微幅、间断性接触驱动问题,从模型建立到仿真一直是研究难点,因为驻波马达的高频微幅接触与行波超声马达的单齿驱动转子具有等同的原理,所以模拟研究驻波马达振子的驱动机理对揭示超声马达高频接触摩擦机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义。本文从驱动模型、有限元仿真、各向异性理论、材料制备方法和试验测试技术做了系统研究。 根据棒板组合式振子纵振动和弯振动方程,推导出振子端部周期性的椭圆运动规律。由振子端部椭圆运动与动子摩擦材料接触问题,基于压电振子纵振方向的动量守恒,推导振子与各向异性摩擦材料纵向接触预压力与接触包角以及摩擦材料物理参数关系,建立了动子横向动力学模型,通过对振子水平振速与动子稳态输出速度等速时间点分析,判断摩擦力与相对速度方向,在一个周期内,得出速度与等效推力(负载)方程。在此基础上数值模拟了预压力、振子振幅、摩擦材料特性对驻波超声马达负载特性的影响。 为解决多周期的驱动问题,利用ABAQUS有限元软件能模拟高频接触和解决材料非线性的变形的特点,用高速转动的小椭圆体来模拟纵弯振动触头与摩擦材料的高频接触,并给出了等同性原理的证明。在三种驱动模型中,对各种弹性常数、厚度的各向异性材料,以及振子的不同纵弯振幅和不同预压力下的空载速度、阻力和负载特性进行了计算分析。 根据纵弯振子振动理论,设计出能够在微观状态下做高频椭圆振动、宏观状态下做驱动机构的超声波振动体。设计制造能够承载该超声波振动体的试验台机构,开发高频动态力信号传输和高频数据采集系统,为完成摩擦材料的测试提供保障。 研制了制备各向异性摩擦材料的设备和模具。提出用纤维与轴向的不同角度来改变摩擦材料各向异性,制备了与轴向成0°、15°、30°、45°、60°、90°纤维角的6种各向异性材料。根据复合材料细观力学理论,计算了单层板的工程弹性常数。又根据复合材料宏观力学理论,单层复合材料板沿任意方向上应力/应变关系以及工程弹性常数,并计算了2大类,各6种角度的单层复合材料板的工程常数。最后根据层合板刚度理论,推导计算了制备的2大类、各6种各向异性摩擦材料沿纵向和切向的工程常数。 在超声微驱动实验台上,测试研究纵弯振子与各向异性摩擦材料的驱动特性。研究六种轴向纤维角材料在不同厚度、在不同压力、不同的纵弯激励电压条件下的纵向动态力和驱动力变化规律。根据纵向和驱动力时域波形分析,揭示了驻波马达微驱动机理。通过研究驱动力和纵向正压力幅值,分析在不同实验条件下,振子铜触头与各向异性摩擦材料的摩擦磨损特性。实验表明轴向纤维角为0°的材料具有更大的驱动力和纵向正压力。进一步研究了两种纤维轴向角为0°和90°各向异性摩擦材料应用于行波超声马达的使用性能,建立了摩擦驱动模型,较好地解释了摩擦驱动特性,得出了适合超声马达驱动要求的各向异性摩擦材料的性能。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB34

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【引证文献】
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