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和一臺纏繞設備，通過更換纏繞芯軸和模具環，可以達到一臺設備兩種功用。利用壓制模具和纏繞機，變化纖維與摩擦面平行或垂直的方向，改變纖維與樹脂的含量，以期達到復合材料的不同彈性參數。
2.1模具及纏繞設備
制備纖維平行于摩擦面的設備如圖5所示，它由可調速電機、聯軸器、安裝模具組件的軸、軸兩端各有兩個鎖緊螺母、模具組件、軸承、軸承壓蓋、支架、工作臺組成。模具數量根據軸長度選擇，要使模具組件累加長度大于中間軸8～10毫米，以便兩端螺母能夠壓緊模具組件。軸與模具內孔采用過渡配合。模具如圖6所示，制備摩擦片厚度由模具尺寸b決定，模具尺寸a要保
證纏入浸潤樹脂的纖維，模具不發生變形，摩擦片外徑由模具外徑D確定，內徑由模具內徑d確定，摩擦片粗糙度由模具兩側端面確定。
制備纖維平行于摩擦面的設備如圖7、8所示，它主要由SEM(片狀模塑料)預制模具和更換芯軸的卷繞設備組成。SEM預制模具由上模壓件、下模壓件、起模螺栓組成。本生產纖維垂直摩擦片的設備是在生產環繞式摩擦片設備基礎上，拆去圖5模具組件，更換上芯軸，卷繞SEM使纖維與軸同向，達到一種設備兩種功用。
2.2纖維增強樹脂基摩擦片制備
2．2.1纖維環繞的摩擦片
(1)接觸纖維的模具表面預先均勻涂抹硅油基脫模劑，將在浸潤過樹脂的一端纏入模具間隙，纖維中間部分浸潤在樹脂盛槽中。調速電機轉動，浸潤樹脂的纖維一圈圈纏入模具間隙成為片狀。纖維纏到模具外徑，剪斷纖維。(2)剪斷纏繞纖維后，拆卸下帶軸模具組件，放入燒結爐中固化，固化溫度170。c，時間24小時。制成品如圖9所示。
2.2.2纖維垂直的摩擦片
(1)首先制造出單向纖維片狀預制料。將纖維浸潤樹脂復合物剪成下模壓件的長度，并沿著同一方向單層排列布滿槽寬。放入熱壓機內，樹脂采用一定的加熱干燥溫度和時間，使單層材料達到一定的固化程度即進入部分聚合的階段，形成一種片狀半干態的預制料。烘干10分鐘后，在上模壓件加0.1Mpa壓力一分鐘。再卸壓加熱。(2)將單向纖維片狀預制料卷繞在芯軸上，纖維方向與軸線相同。電機轉動，將一片片預制料卷繞至稍大于的所需摩擦片外徑尺寸，以便后續加工。連同軸一起卸下，放入加熱爐內固化。(3)將固化成型的單向筒料從芯軸上卸下，在車床車至所需外徑尺寸，再于內圓切片機上切制成所需摩擦片的厚度。切割前的纖維垂直圓筒復合材料如圖10所示。
由上述制造方式可知，兩種方法得到的復合材料屬于橫觀各向同性的材料，即在垂直于纖維
斷面上，材料是各向同性，而在其它方向是各同異性的。由此可以簡化為在垂直于纖維方向的二維模型。根據細觀力學的公式，在兩個方向上的彈性常數分別由以下公式計算：
(1)對于纖維平行的摩擦片：
(2)對于纖維垂直的摩擦片：
其中E表示材料彈性模量，v表示體積含量，μ表示泊松比，G表示剪切模量。下角標h表示與纖維平行方向，v表示與摩擦表面垂直方向；f代表纖維，m代表樹脂基體。彈性常數計算結果如圖2所示。
碳纖維垂直于端面摩擦片是由長筒狀復合材料在內圓切割機上切磨成O．6、1、1-4、1．8厚的片狀材料，因而彈性參數都應相同，分別編號為l#、2#、3#、4#。而纖維平行于端面摩擦片是由纖維浸潤樹脂，環繞在模具間隙制成，每一片的彈性參數都不盡相同。纖維環繞摩擦片厚度分別為04、O 6、O 8、1，分別編號5#、6#、7#、8#。為兩大類摩擦片的外徑和內徑均為36mm和18mm。
3各向異性摩擦材料的驅動試驗
3．1使用性能測試
將不同纖維排列方向和厚度粘貼在轉子上，配副采用銅定子，試驗前摩擦片和定子表面打磨成相同粗糙度值。在行波超聲電機試驗臺采用相同的預壓力和激勵電壓、頻率，測試了兩大類、八種摩擦片的負載特性，同時也得到堵轉力矩。兩大類摩擦片負載特性如圖11、12所示，對于兩大類摩擦片，均有隨著摩擦片厚度的減小，相同轉速下電機轉矩增大；在相同轉矩下，轉速增大。即隨著摩擦片厚度減小，電機使用功率增加。對比11、12圖，可以看出纖維垂直摩擦片的具有更好的輸出特性。堵轉力矩如圖13所示，對于兩類摩擦片隨著厚度的減小，堵轉力矩增加。纖維垂直式摩擦片具有更大的堵轉力矩。
3.2摩擦驅動機理
超聲電機的力矩輸出是依靠定子表面形成的行波運動與轉子摩擦片接觸摩擦驅動進行的，轉子摩擦層要產生一定的變形。當預壓力P0相同時，在垂直于摩擦層表面由于彈性模量和厚度的不同產生的變形量δ不同。由簡化的摩擦層彈簧理論『13]，在垂直方向上彈性系數Kv=Evdsv／dHv，水平方向彈性系數Kh=EhdSh/dHh，ds為接觸面積微分變量，dH為摩擦層微分變形量。設摩擦表面的動態摩擦系數為μd，根據接觸理論，在彈性變形范圍內，假設垂直接觸作用力fv與摩擦層變形量成正比，切向摩擦力fh滿足庫侖摩擦定律，所以有：
式中：η為定子表面質點振動縱向位移。
由2.3節分析可知在纖維垂直摩擦片的Ev都是相同，但是厚度不同。因而垂直方向上彈性系數Kv隨著厚度的減小而增大。對于1至4號為同類摩擦片，表面形貌幾乎相同。μd也應相近或相同。由公式(1)(2)切向摩擦力fh增大。所以對于纖維垂直摩擦片，隨著厚度減小，負載變大。對于纖維平行摩擦片同樣也有上述原因解釋圖12。而對于兩大類的材料驅動性能的對比主要是因為兩類摩擦片摩擦界面的形貌不同，對于纖維垂直摩擦片，纖維與摩擦表面垂直因而動態摩擦系數μd遠大于纖維平行于摩擦表面的5-8號摩擦片[14]。對于兩類材料在材料的彈性常數和動態摩擦系數(亦即表面形貌)均對電機的負載特性和堵轉力矩有影響時，材料的動態摩擦系數對電機的輸出力矩影響更大一些。
4結論
1)研制出各向異性摩擦材料制備設備和兩種新型制備方法。
2)制備出兩類各同異性摩擦材料，纖維垂直式摩擦材料比纖維平行摩擦材料具有更好力矩輸}H特性和較高的堵轉力矩。
3)兩大類摩擦材料都是隨著厚度的減小而電機輸出特性變優，堵轉力矩變大。
4)對比纖維垂直和纖維平行摩擦片，材料的彈性常數和動態摩擦系數(亦即表面形貌)均
對電機的輸出特性有影響，其中材料動態摩擦系數影響更大。
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