超声马达梯度摩擦材料设计及其控制接触摩擦机理研究

针对制约超声马达性能寿命关键材料因素，凝练出设计科学问题，将梯度概念引入超声马达摩擦材料中，提出基于梯度摩擦材料控制超声马达性能的学术构想。以建立梯度摩擦材料设计基础理论为目标，研究超声波振动下摩擦材料摩擦磨损行为演变规律，得出梯度摩擦材料摩擦学性能设计依据。建立接触界面摩擦驱动和磨损模型，研究摩擦材料磨损对接触状态，以及接触状态对马达性能的影响，得出摩擦材料梯度层结构设计参数。采用多参数组合仿真和试验，研究多层耦合对摩擦材料力学和摩擦学性能影响，得出梯度摩擦材料层间性能组合规律。分别建立定子和转子摩擦材料层接触模型，通过模拟仿真和试验，搞清摩擦材料与定子或转子匹配规律，为高性能梯度摩擦材料研制和摩擦副优化设计提供理论指导。项目突破传统的超声马达摩擦材料研究模式，赋予超声马达摩擦材料结构特性要求，创新出超声马达摩擦材料设计新理论和研究新方向，为提升超声马达性能提供关键摩擦材料基础技术支撑。

该项目针对制约超声马达性能寿命关键材料因素，凝练出设计科学问题，将梯度概念引入超声马达摩擦材料中，提出了基于梯度摩擦材料控制超声马达性能的学术构想。. 提出了一种等效磨损实验方法，定义了摩擦材料等效磨损剩余厚度的概念。建立了计及磨损的超声马达简化接触模型，研究了超声马达接触参数随磨损的演变规律，揭示了磨损是导致超声马达接触状态改变的根本原因，以及接触状态反过来影响磨损的耦合规律，得出磨损与超声马达性能之间的联系，提出了超声马达摩擦材料的特殊设计原则，得出超声马达摩擦材料是一种具有梯度性能的特殊功能摩擦材料。. 建立了计及磨损的超声马达摩擦材料梯度设计模型，依据摩擦材料不同部分在整个寿命期间内的作用，设计摩擦材料的梯度结构形式。在法向上，设计摩擦材料弹性模量梯度变化，控制接触宽度不变。在切向上，设计摩擦材料摩擦系数的梯度变化，保证接触界面摩擦输出力不变。在使用寿命上，设计摩擦材料硬度的梯度变化，达到接触界面磨损率不变，得出摩擦材料梯度层结构设计参数，建立了超声马达摩擦材料梯度设计理论，为超声马达高性能摩擦材料设计提供了理论基础。. 以环氧树脂为基体，采用粘涂法制备出三层复合梯度涂层摩擦材料并表征了其性能，实验研究了梯度层间耦合对摩擦材料的力学和摩擦性能的影响，得出层间组合规律，结果表明，采用梯度摩擦材料的超声马达可以获得较稳定的接触和输出特性，验证了梯度摩擦材料设计理论。. 将超声马达接触模型、磨损等效方法和摩擦材料磨损预测模型相结合，建立了超声马达性能预测模型，该模型可预测超声马达的接触状态、负载特性及使用寿命随运行时间的变化,研究梯度摩擦材料对超声马达接触、驱动和磨损特性的控制原理，为超声马达性能主动控制提供了理论依据。. 建立了不同定转子摩擦材料层的接触模型，研究了摩擦材料匹配方式对超声马达负载和摩擦磨损特性的影响，提出了摩擦材料在定子和转子上的匹配原则，为梯度摩擦材料应用提供了指导。. 本项目突破了传统的超声马达摩擦材料的研究模式，赋予了超声马达摩擦材料的结构特性要求，创新出超声马达摩擦材料设计新理论和研究新方向，为提升超声马达性能提供了关键摩擦材料基础技术支撑。