曲焱炎，曲建俊
(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱1 50001)
摘要：超聲電機是靠接觸摩擦驅動，理論分析表明各向異性轉子摩擦材料可使超聲電機具有較大的力矩輸出和更高的轉化效率。研制了各向異性摩擦材料的纏繞設備，設計了兩類纖維取同的纖維樹脂基復合材料，一種是纖維垂直于摩擦表面，另一種是纖維下行于運動方向。通過控制纖維排列方向與環氧樹脂的用量，制備出一系列縱向和周向彈性模量不同組合的各向異性復合材料。利用密度法測量出纖維與樹脂含量。由復合材料細觀力學，計算出各彈性常數。將兩類復合材料分別加工成不同厚度的摩擦片，粘附在轉予上。測試其在行波超聲電機運行時的負載特性，空載轉速和堵轉力矩。試驗表明摩擦片厚度在0.6mm、纖維垂商運動方向的轉子復合利料，使用性能****。分析了材料彈性常數對電機性能的影啊，得出摩擦材料的彈性模量、厚度和動態摩擦系數是決定電機性能的主要因素。
關鍵詞： 超聲電機；轉子復合利料；各向異性；摩擦磨損
超聲電機是依靠定轉子表面的微動摩擦傳遞運動和動力的新型動力裝置。摩擦界面的轉換效率和使用壽命直接影響電機的性能。為了降低振動噪聲和減少磨損，摩擦配副的選擇都是軟質高分子基體材料和硬質金屬材料組合。
現今的摩擦材料主要有橡膠基、樹脂基、粉末冶金基、陶瓷涂層等[1]。摩擦捌料豐要粘貼在轉子上[2][3]，最近也有粘涂在定子[4][5]。其中的聚四氟乙烯基摩擦材料應用較多[6][7],是由基體內添加硬度調節劑，摩擦改進劑和導熱劑制成的復合材料。超聲電機使用聚叫氟乙烯基摩擦材料是由于其良好的減震降噪性能和填加適量填料后改進了定轉子的接觸變形量。粘涂型摩擦材料是將加有摩擦改進劑、硬度調節劑、導熱劑的樹脂，涂敷在定子表而。這種方法工藝簡單，電機使用性能良好，定子工作頻率變寬[5]。
以上這些摩擦材料都屬于各向同性。隨著對超聲電機輸出性能和使用壽命要求的提高，人們在不斷研制新型摩擦材料。根據超聲電機接觸摩擦驅動特性，很早就有人預測具有各向異性摩擦材料在使用性能上優于各向同性[8]。一些學者也進行了實驗研究和理論探索[9][10][11]。但是對于各向異性摩擦材料制各工藝和摩擦驅動機理未作深入研究。本文從超聲電機驅動理論出發，探討各向異性摩擦材料的優勢，研制各向異性摩擦材料制作設備，并進行了初步的摩擦驅動試驗，為各向異性轉子復合材料摩擦片設計制造提供指導。
1各向異性摩擦材料超聲驅動理論
由電機的輸出功率W=F×V，要得到較人輸出功率，就要F大，v也要大。首先從行波電機接觸模型對超聲電機的速度分析，由圖1可知在波峰處質點水平速度****，存中線位置水甲速度為零。
從圖2可以看出定子表面各點的實際振動速度欠量。它是一個水平振速與垂直振速的合成。
但是波峰點速度并不是定子傳遞給轉子的速度，由于轉子受一定的預壓力，定子與轉子摩擦材料存在著一定粘彈性接觸區，接觸面積為Ar，定子質點振動傳遞給轉子是一個平均速度。如下圖3所示，從A至波峰是速度大于平均速度，屬于驅動區。在A以下是阻礙區，存在著幾何滑動。接觸面積Ar越小，傳遞的速度越大。但是摩擦驅動力F=Ar×ι，Ar趨近于零，F也趨近于零。因而存在一合適接觸區Ar，如圖4所示，使w=F×V為 ****。另外，在轉子壓力一定的情況下，接觸區Ar的大小與垂直方向彈性模量Ev存在反比關系。所以Ev也要有一個合適值。而轉子驅動也是一個能量傳遞過程，定子
質點沿水平振動撞擊摩擦材料，根據動量守恒原理，要使能量損失為零，****為完全彈性碰撞。實際是不可能的，只能使切向變形越小越好。
由應力應變關系，撞擊產生的應力是定值。所以要水平方向彈性模量EH適當大一些。又不能太大，如果太大會對定子有磨損。由上面分析可知， Ev與EH存在著合適的值，兩者之間有恰當匹配關系，才能實現超聲電機的****輸出功率。從以上超聲電機的驅動特性可知，超聲電機對摩擦材料在水平(即切向)和垂直(縱向)兩個方向的性能要求是不同的。
2各向異r洼摩擦材料制備
為研究水平和垂直兩個方向模量對超聲電機摩擦驅動性能的影響，要制備在這兩個方向不同纖維排列的復合材料。首先設計制造了壓制單層復合板的模具 |
