高频强迫振动和自激振动耦合型摩擦驱动机理及其在超声电机中的应用研究

High-frequency vibration has a significant impact on precision machine tools, automotive braking systems, drilling, ultrasonic machining, ultrasonic welding, ultrasonic motors and other friction drive. The ultrasonic motor technology has arapid development in the past two decades, but due to the low friction drive efficiency, poor stability, the ultrasonic motor is restricted with its application in various fields. The project takes the ultrasonic motor as the research subjiect. The coupling effects between the high-frequency forced vibration and the self-excited vibration between stator and rotor on the driving frequency,the contact state will be studied.Due to particle's elliptical motion on the stator driving the rotor, friction materials with nonlinear elastic modulus and anisotropy friction material are prepared for increasing efficiency of the ultrasonic motor, and relation between nonlinear of elastic modulus, anisotropy and will be developed. Interface morphology bionics design on the surface of the stator is taken for increasing stability of friction driving, reducing the adhesion between the stator and rotor. Thereby the the efficiency and stability of the ultrasonic motor are enhanced, and the basic law of high-frequency vibrations and new technology for high frequency vibration of the friction drive are developed.

高频振动在精密机床、汽车制动系统、钻探、超声加工、超声焊接、超声电机等摩擦驱动领域有重大的影响。其中超声电机技术近二十年来发展迅猛，但是摩擦驱动效率低、稳定性差等问题严重制约了其在各个领域的应用。本项目以超声电机为研究对象，研究高频强迫振动和定转子之间摩擦自激振动的耦合效应，在此基础上研究微观接触表面形态及电机接触摩擦界面性能；针对定子表面质点独特的椭圆运动驱动转子的方式，研究摩擦材料对超声电机摩擦驱动效率的影响，建立摩擦材料弹性模量非线性、各向异性与摩擦驱动效率之间的数学描述，通过材料设计提高超声电机的运行效率。同时，对摩擦界面的定子表面进行形态仿生学设计，研究非光滑表面的摩擦驱动性能和摩擦磨损机理，提高摩擦驱动效率和摩擦系数的稳定性，降低定转子之间的粘合性，从而提高超声电机的稳定性，初步建立高频振动下接触和摩擦驱动的传递模型，掌握高频振动下的摩擦驱动基本规律。

摩擦驱动机构具有结构小巧、低噪音、优秀的启动/停止性能等优点，而高频下的摩擦驱动在诸多装置能量输送（超声加工、超声焊接、超声减摩汽缸、精密机床以及超声电机）中都有广泛的应用。针对高频振动下的摩擦驱动，以超声电机为研究对象，开展了自激振动和强迫振动的耦合影响分析，摩擦界面的特性分析及相应的摩擦材料研制、表面织构设计等研究，为高频下的摩擦驱动研究提供了基础数据和规律。主要研究内容如下：.1，.对自由定子和装配转子的定子进行理论分析，并分别加电进行振动测试，研究了与定子自由振动相比较，装配转子后定子的振动频率变化趋势及振动耦合情况。根据研究定转子间的耦合情况，设定了一些相应的措施方法，提高电机的运行稳定性和控制的可靠性。.2，.根据已有的对于超声电机理论研究分析和软件条件，建立了高频微振动超声电机接触界面运动转换模型，形成对于超声电机接触模型建立的详细的方案和途径，并通过实验分析了定转子间的相互作用及影响。.3，.基于前面对超声电机驱动机理的分析，以玻璃纤维布增强聚合物基复合材料为研究对象，结合常温和极端环境下超声电机对摩擦材料提出的要求，对玻璃纤维布增强聚合物基复合材料进行了无机/有机填料的改性探索和研究。探讨填料对复合材料力学性能、摩擦磨损机理、超声电机机械特性的影响机制，在此基础上提出了影响超声电机摩擦驱动机理及复合材料耐磨性能的微观机制。.4，.研制了各向异性的摩擦材料，使得它在纵向的弹性系数要适当小，周向的弹性系数要适当大。从理论和试验两个方面验证了各向异性摩擦材料有利于提高驱动效率，具体应用在超声电机上，驱动效率从24%左右提高到30%以上。.5，.在目前表面织构研究的基础上，在摩擦副表面分别设计了不同构型及其复合构型的表面织构，研究了其对摩擦系数及磨损率的影响规律，并且在超声电机进行了应用研究。.通过本项目的研究，揭示了高频振动下摩擦副自激振动和受迫振动的相互影响关系，以超声电机为例建立了高频微振动接触界面运动转换模型，研制的各向异性等摩擦材料以及表面织构提高了摩擦驱动的效率及稳定性，应用到超声电机上取得了明显的效果，促进了超声电机产业化的进程。