超声驱动微摩擦机理分析及各向异性摩擦材料研究

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。

目录

超声驱动微摩擦机理分析及各向异性摩擦材料研究

ANALYSIS OF ULTRASONIC DRIVEMICRO-FRICTION MECHANISM ANDSTUDY OF ANISOTROPY FRICITIONMATERIAL

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景 及研究意义

1.1.1 超声马达特点及应用领域

1.1.2 超声马达进一步研究领域及意义

1.2 国外超声马达研究历史及其成果

1.2.1 理论与探索阶段

1.2.2 实用开发和商业应用阶段

1.2.3 理论研究、分析建模与驱动控制研究阶段

1.3 国内研究发展与现状

1.4 超声马达理论模型的研究

1.4.1 定子(振子)振动模型

1.4.2 定子/转子(动子)摩擦接触模型研究

1.5 摩擦材料的研究

1.5.1 各向同性摩擦材料的研究

1.5.2 各向异性摩擦材料的研究

1.6 本文研究内容

第2章 纵弯振子微摩擦驱动动力学模型

2.1 引言

2.2 棒板振子的纵振动和弯振动分析

2.2.1 棒的纵振微分方程

2.2.2 棒的弯振微分方程

2.2.3 棒板振动体端椭圆运动形成

2.3 微摩擦驱动动力学模型

2.3.1 纵振动接触模型

2.3.2 弯振动动力输出模型

2.4 纵振动减摩机理

2.5 数值模拟与分析

2.5.1 预压力与接触包角关系

2.5.2 马达负载与接触包角关系

2.5.3 马达的机械特性

2.5.4 马达负载与纵弯振幅关系

2.5.5 摩擦材料的特性与马达负载关系

2.6 本章小结

第3章 基于ABAQUS驻波马达高频接触建模与仿真

3.1 引言

3.2 纵弯振子及仿真椭圆运动分析

3.2.1 纵弯振子结构及运动分析

3.2.2 仿真椭圆运动分析及假设

3.3 纵弯振子及仿真椭圆与摩擦材料接触等效原理

3.3.1 摩擦材料与纵弯振子接触变形量

3.3.2 摩擦材料与仿真椭圆接触等效变形量

3.4 仿真建模

3.4.1 ABAQUS简介

3.4.2 ABAQUS仿真模型

3.4.3 建模过程

3.5 结果与分析

3.5.1 预压力对各向异性摩擦材料驱动性能的影响

3.5.2 摩擦材料厚度对摩擦材料驱动性能影响

3.5.3 振幅对摩擦材料驱动性能影响

3.5.4 不同轴向纤维角材料的驱动特性

3.5.5 预压力和纤维轴向角对驱动性能的综合影响

3.6 本章小结

第4章 超声微驱动试验系统研制

4.1 引言

4.2 超声波振动体的设计与调试

4.2.1 结构方案的确定

4.2.2 有限元模态分析和结构改进

4.2.3 振动频率检测及简并调试

4.3 试验台软硬件设计

4.3.1 机械结构设计

4.3.2 高频动态信号采集系统和操作软件

4.4 本章小结

第5章 各向异性摩擦材料制备及弹性常数计算

5.1 引言

5.2 原材料选择及技术参数

5.2.1 基体原料及改进剂的选择

5.2.2 增强纤维

5.3 各向异性摩擦材料制备

5.3.1 模具及缠绕设备

5.3.2 纤维增强树脂基摩擦片制备

5.4 单层复合材料工程常数

5.4.1 单层复合材料细观力学计算

5.4.2 单层复合材料应力应变关系

5.4.3单层复合材料弹性参数

5.5 实验制备的材料弹性常数计算

5.5.1 层合板刚度理论

5.5.2 管状复合材料工程弹性常数计算

5.6 本章小结

第6章 各向异性摩擦材料微驱动试验研究

6.1 引言

6.2 试验原理

6.2.1 动态正压力与驱动力的测量原理

6.2.2 试验条件

6.2.3 摩擦试验方案

6.2.4 磨损试验方案

6.3 摩擦微驱动特性分析

6.3.1 驱动力时域波形研究

6.3.2 动态压力时域特性分析

6.3.3 动态压力峰峰值特性研究

6.4 摩擦试验结果及分析

6.4.1 两类纤维材料驱动性能的比较

6.4.2 预压力与厚度对驱动性能的影响

6.4.3 预压力与不同轴向纤维角材料对驱动性能的影响

6.4.4 激振电压幅值与比值对驱动性能的影响

6.5 磨损机理的研究

6.5.1 预压力对材料磨损的影响

6.5.2 电压幅值和比值对材料磨损的影响

6.5.3 材料厚度对磨损的影响

6.5.4 相同工况不同各向异性材料的磨损特性

6.6 各向异性摩擦材料用于行波超声马达研究

6.6.1 三类摩擦材料的行波摩擦驱动试验

6.6.2 摩擦驱动模型

6.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历