真空下超聲波驅動接觸狀態研究
摘要：超聲馬達接觸界面的狀態直接影響超聲馬達的驅動特性。采用自制的模擬超聲馬達定子表面一質點橢圓振動的超聲波驅動模擬實驗裝置，研究了接觸預壓力、激勵電壓和真空度對超聲波驅動摩擦驅動頭與摩擦片接觸狀態的影啊。結果表明：隨著接觸預壓力和真空度的增加，摩擦驅動頭和摩擦片的接觸時間變長；激勵電壓對摩擦驅動頭和摩擦片的接觸效果影響較小。出真空卜粘結力的增加及聲懸浮力的減小是引起摩擦驅動頭和摩擦片的接觸時間變長的主要原兇。
關鍵詞：超聲波；摩擦驅動；接觸狀態
O引言
行波型超聲馬達定子表而某一質點在微觀狀態下做周期性高頻橢圓振動，而不同的質點在同一時刻處于橢圓振動軌跡的不同位置，且各點位置連續，在定子表面形成了高頻正弦行波，靠接觸摩擦力驅動轉子轉動…。對超聲馬達定子表面一個質點在一個周期內的微觀摩擦驅動狀態的研究，將有助于深入理解行波型超聲馬達的宏觀摩擦驅動機理。
在1988年Kurosawa和ueha就分析了超聲馬達定、轉子的接觸界面特性，在轉子的法向建立線彈性接觸模型P J。Maen0等用有限元方法研究了超聲馬達定、轉予間接觸狀態和相互作用指出只有把比普通摩擦試驗測得的更低的動、靜摩擦系數代入理論公式中，才能得到與超聲波驅動試驗結果一致的結論”0。Adachi等從實驗和理論的兩個方面研究了超聲波驅動r的摩擦微機理”0。storck和wallaschek等研究I=r超聲馬達疋、轉子之間接觸層的切向彈性對超聲馬達特性的影響，劉超聲馬達的設計具有重要的指導意義0 J。羅云霞等研究了接觸預壓緊力和兩相超聲波振動的激勵電壓峰峰值之比對超聲波驅動r的摩擦特性的影啊_6J。作者在前期工作中，對超聲波驅動中的垂直超聲波振動的減摩作用進行1r理論研究，得出垂直方向超聲波振動是導致超聲波驅動動摩擦系數降低的原兇l|J。周鐵英等測試了大氣與真空下行波超聲馬達定轉r接觸狀態，認為大氣F存在的聲懸浮力使定、轉子間分離時間比真空下的長Ⅸj。日前對真空下超聲波驅動接觸狀態研究報道較少，兇此，在真空下對超聲波驅動接觸狀態進行系統深入的研究顯得尤為重要。
本義采用文獻9提出的電接觸法，研制超聲波驅動模擬實驗裝置，間接測量超聲波驅動摩擦驅動頭與摩擦片的實際接觸狀態，結合測得的接觸界面的接觸波形圖，分析接觸預壓力、激勵電
壓和真空度對超聲波驅動特性的影響，為建立超聲馬達摩擦界面的驅動模型和分析超聲馬達摩擦磨損規律提供試驗依據和理論指導。
1試驗部分
1 1實驗裝置
為了模擬定予表面某點的橢圓振動效果，采用了文獻10提出的復合超聲波振動體，如圖1a1所示。該復合超聲波振動體的水平振動和垂直振動分別是利用兩組壓電陶瓷片產生。當向兩組
壓電陶瓷片分別施加同一頻率、相位相差90。的驅動電壓激振時，該超聲波振動體的摩擦驅動頭的前端點做高頻橢圓運動。將圖1a)所示超聲波振動體安裝在自制的模擬超聲波驅動摩擦試驗臺(圖1b)上，用壓電晶體式動態力傳感器測量接觸界面的動態接觸壓力和驅動力，通過測量R2兩端的電壓波形，間接測量接觸界面的接觸狀態。實驗裝置能夠方便地更換摩擦副、改變工作電壓和預壓力。其中，預壓力由振動體自重和試驗裝置頂端的砝碼提供。測量數據用計算機采集和處理。試驗中用的摩擦驅動頭和摩擦片材料均為紫銅，將試驗臺放入真空腔內。真空測試系統由真率腔、真空控制系統、超聲馬達控制系統等組成。通過調節真窄控制系統，可使真空室內的真空度達到試驗要求的范圍。
圖1超聲波驅動模擬實驗臺示意同
1 2試驗方法
試驗分3部分，由于在前期T作中已揭示了垂南方向超聲波振動是導致超聲波驅動動摩擦系數降低的原因，所以試驗中只給超聲波振動體的縱振壓電片通以交流激勵電壓，讓其做高頻縱向
振動。第l部分，在常壓下，激勵電壓％擴250v，分別取超聲波振動體的預壓力丘為：ON，5N，10N，研究接觸預壓力對接觸界而接觸狀態的影n自。第2部分，在常壓下，預壓力R=5N，分別取激勵電壓峰峰值為：2【J(]v，250v，3()(】v，研究激勵電壓對接觸界面接觸狀態的影響。第3部分，預壓力只：5N，激勵電壓圪。=250v，分別取真空度為：常壓，5Pa，5×10。。Pa，5×10。Pa，5×10。Pa五種狀態，研究真空度對接觸狀態的影響。在這3部分試驗中，超聲波振動體的激勵電壓頻率均為戶16 1KHz，接觸界面的接觸電壓與動態接觸壓力的波形間時采集到示波器中，再通過wavestar軟件將其波形曲線保存到計算機中，進行分析處理。典型的接觸狀態波形如圖2所示，上面的圖形是摩擦驅動頭和
摩擦片的接觸(高電平)和分離(低電平)狀況，f，為摩擦驅動頭和摩擦片在一個周期內的接觸時問，F面的正弦波 0形表示動態接觸壓力，Ⅳ。．。表示振動體縱向伸長階段的動 一
態接觸壓力的幅值，％。。表示振動體縱向收縮階段的動態接觸壓力的幅值。
1 3動態接觸壓力測量原理
對摩擦片進行受力分析如圖3所示。在振動體做縱向伸長振動時，建立摩擦片的動力學方程有
其中，P為驅動頭受到的外加預壓力凡以及振動體的自身重量之和，一俐為底座對摩擦片的作用力，Q御為振子共振變形所產生的力，m為摩擦片由于Q御作用而產生變形部分的等效質量。由
式(1)知，在振動體縱向伸長振動階段，底座所提供的支撐力^御為：
由于動態力傳感器會把靜態力自動清零，所以在振動體作縱向伸長階段，傳感器所能感受到的動態力尸“f)應該是已經取消掉預壓力和自重的，故測試到的結果可以表示為
2 1預壓力對接觸狀態的影響
在常壓F，．。=250V，分別取超聲波振動體的預壓力疋為：ON，5N，10N，研究預壓力對接觸狀態的影響。為分析方便，將類似圖2的多組接觸狀態波形圖中的數據處理成表I的形式，從表1 ，見：
(1)動態接觸壓力的幅值隨著預壓力的增加而變大。
(2)隨著預壓力的增加，在一個周期內摩擦驅動頭與摩擦片接觸段的時間增加，即二者的接觸效果越來越好。
結合影響接觸狀態變化的因素與接觸界面力的變化情況對以上試驗結果進行分析。由于預壓力的增加實際上是增大廠超聲波振動體的自身重量，使得振動體的驅動力p，f，變大，從而使動態接觸壓力幅值增人。
預壓力的增加使得摩擦驅動頭與摩擦片之間的接觸壓力變大，接觸壓力的增加直接導致二者間接觸電阻降低，使整個測量電路的總電阻降低，電流增大，所以電阻雹兩端的輸出電壓增大。
接觸電壓的峰峰值降低，也反映出了隨著預壓力的增大，摩擦驅動頭與摩擦片之間的接觸越來越緊密。試驗中超聲波振動體的振動頻率一定，即摩擦驅動頭與摩擦片之間接觸狀態變化的周期固定。由于預壓力的增加使摩擦驅動頭與摩擦片之間的接觸程度增強，從而在。個周期內接觸段的時間變長。
2 2不同激勵電壓r的接觸狀態
表2是在常壓下，預壓力Fc=5N，當激勵電壓峰峰值分別為：200,,，，250V’，300＼，時，動態接觸壓力和接觸時間的測試結果，由表2町見，動態接觸壓力幅值隨著激勵電壓的增加而變大，而激勵電壓峰峰值的改變對接觸時間的影響不大，這’點也可以從接觸電壓波形圖隨激勵電壓變化較小得以證實。
由于接觸電壓波形的變化與摩擦驅動頭和摩擦片接觸表面的接觸壓力有關，而超聲波振動體激勵電壓的變化，對接觸壓力的影響較小。所以，激勵電壓的改變對接觸電壓波形影響不大。
對于整個振動周期內的動態接觸壓力而言，增大激勵電壓峰峰值，則相應的增大了超聲波振動體所做高頻縱向振動的振幅，岡而動態接觸壓力的幅值隨著激勵電壓的增加而變人。
表2小同激勵電壓下的動態接觸壓力和接觸時間
2 3不同真空環境下接觸狀態
圖4是預壓力R=5N，激勵電壓圪。=250V，在5種真空度’F，動態接觸壓力和接觸時間的測試結果，從圖4可見：在給定超聲波振動體預壓力，激勵電壓的前提下，在常壓，低真宅及高真空環境下摩擦驅動頭與摩擦片的接觸時間及二者間的動態接觸壓力的幅值都有所變化，即真空度
對接觸狀態有較大的影響。
(1)隨著真空度的增加，摩擦驅動頭與摩擦片問接觸段的時問增加，當真空度高于10。Pa時，在一個周期內，摩擦驅動頭與摩擦片均處于接觸狀態。
(2)隨著真空度的增加，振動體縱同伸長振動階段的動態接觸壓力幅值變化不大，而振動體縱向收縮振動階段的動態接觸壓力幅值有明顯的上升。
當真空度增加時，在振動體縱向伸艮振動階段，摩擦驅動頭與摩擦片緊密接觸，二者問的接觸狀態變化不大；在振動體縱向收縮振動階段，由于聲懸浮力只的減小及摩擦驅動頭與摩擦片
粘結力兄何的增加，摩擦驅動頭與摩擦片分離變得困難。故隨著真空度的增加摩擦驅動頭與摩擦片閭接觸段的時間增加。隨著真空度的增加，式(3)中各變量幾乎不受影響，式(6)中Rm
增大，只減小，則Fz俐變大。所以，隨著真空度的增加，在振動體縱向伸長振動階段，動態接觸壓力幅值幾乎不變；在振動體縱向收縮振動階段，動態接觸壓力幅值變大。
3結論
(1)在環境壓力和激勵電壓一定的條件下，隨著接觸預壓力的增加頭與摩擦片接觸段的時間增加：摩擦界面動態接觸壓力的幅值增加。
(2)在環境壓力和接觸預壓力一定的條件下，隨著激勵電壓的增加化不大；摩擦界面的動態接觸壓力的幅值增加。
在一個周期內摩擦驅動摩擦界面的接觸時間變
(3)在接觸預壓力和激勵電壓一定的條件下，隨著真空度的升高，在一個周期內摩擦驅動頭與摩擦片接觸段的時間增加；振動體縱向伸長振動階段的動態接觸壓力幅值變化不大，而振動體
縱同收縮振動階段的動態接觸壓力幅值有明顯的上升；超聲波驅動特性受真空度的影響較大。
參考文獻
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