基于行波型超声马达的超声波振动减摩试验研究

提出了行波型超声马达振动减摩的几何模型,采用电磁电机驱动、电磁电机结合一路驻波振动驱动及行波型超声马达驱动3种驱动方式模拟行波型超声马达摩擦驱动特点,借助超声马达摩擦特性模拟试验装置,引入摩擦系数降低率的概念,研究了电机转速、预压力、超声波激励电压和摩擦材料等对定、转子摩擦副摩擦系数的影响.结果表明:在较高相对滑动速度、小预压力及大振幅条件下,超声波振动减摩现象显著.     

行波型超声波电机摩擦特性的实验研究

超声波电机是通过逆压电效应产生高频振动并通过摩擦实现驱动的电机,其定转子摩擦接触面的高频、微幅的行波振动有其特殊性,跟以往的摩擦接触显著不同,并对电机的换能效率、电机寿命和摩擦材料的选择等都有影响.本文建立了超声波电机定转子接触面摩擦系数测量装置,通过试验比较了摩擦接触面在常规、定子驻波振动以及行波振动下的动态摩擦系数,分析了定子相对转速(速度)、预紧力以及温度对定转子接触面摩擦系数的影响.根据摩擦二项式和电机定转子表面弹塑性接触状态对摩擦系数与预紧力等的对应关系进行了说明,分析了驻波振动和行波振动的超声减摩效果以及温度对摩擦系数的影响,确定了适合行波型超声波电机的摩擦系数计算模型.超声波电机的驱动摩擦特性是1项基础性工作,有助于行波形超声波电机设计、建模和驱动控制等.     

纵扭复合型超声电机预压力和输出扭矩的关系

建立了纵扭复合型超声电机定子和转子之间的接触模型,根据模型讨论了预压力、纵振激振电压、扭振激振电压、摩擦力及电机能提供的最大扭矩之间的关系。指出在一定的条件下,施加某一预压力时电机的输出扭矩最大。所得计算结果和实验结果基本吻合。     

单相旋转型驻波超声电机的数学模型及仿真

尽管单相驱动的旋转型驻波超声电机的原理样机早巳研制成功，但对这类电机的运动机理的研究却一直局限在定性分析上。本文将从能量角度，根据Hamilton变分原理，定、转子摩擦界面采用纯滑动模型建立了该种电机的数学模型；并根据此模型，用MATLAB语言作了计算机仿真，得到了该种电机的开、关过程动态响应。     

行波型超声电机定子摩擦材料的研制及其摩擦磨损性能研究

针对超声电机的工作特性,以环氧树脂为基体,石墨、三氧化二铝和聚四氟乙烯等为填料,采用粘涂法研制出行波型超声电机定子用摩擦材料,与同种转子摩擦材料进行了对比试验研究.结果表明:所研制的定子摩擦材料在Φ60超声电机中具有良好的机械特性,工作频率明显变宽,半峰宽提高2倍左右,可以提高电机的工作稳定性;随着预压力增加,定子摩擦材料在超声振动条件下的摩擦系数降幅变小,其磨损机制主要为粘着磨损和疲劳磨损.     

柔性转子弹性对行波旋转超声电机接触特性的影响

转/定子间动态接触过程决定行波旋转超声电机(TRUM)的输出性能,但是柔性转子弹性在以往界面接触特性研究中常被忽略.本文中基于建立的考虑柔性转子和摩擦层三维弹性的转-定子动力学耦合模型,从接触界面的接触状态、速度、接触应力、摩擦应力驱动和阻碍子区等空间分布角度,研究了柔性转子弹性对TRUM摩擦界面的动态接触行为和摩擦损耗的影响.结果表明：柔性转子在轴向、径向和切向均呈现出一定的振动速度,且在接触界面沿圆周方向与定子各向速度形成一定的相位关系,显著影响界面动态接触特性、摩擦特性和摩擦损耗;柔性转子与定子轴向位移分布的相位一致性表明,定子与摩擦层的接触界面具有类齿轮啮合机制;与以往中间驱动两端阻碍的分布结果不同,考虑转/定子动力学耦合的接触区摩擦应力分布为一端驱动和一端阻碍的新机制.计算结果表明在建模过程中忽略柔性转子弹性得到的界面摩擦损耗要比考虑柔性转子弹性获得的摩擦损耗大得多,主要原因：(1)柔性转子径向刚度小,摩擦力作用下接触区的运动方向与定子相同,从而减小了径向速度差和径向摩擦损耗;(2)柔性转子界面的切向振动特性,改变了接触界面黏-滑子区分布,使得行波远离端的摩擦应力阻碍子区消失...     

定子表面织构对超声电机性能的影响

针对超声电机摩擦材料磨损严重和温升高的问题，采用在定子表面加工微织构的方法，提高了电机机械特性并降低了摩擦材料磨损. 首先，用显微镜测量超声电机定子表面摩擦材料黏着区域，设计出三种不同密度的凹坑织构，采用激光的方法加工在定子表面；然后，测试超声电机负载特性、效率特性和温升特性并观察定子表面. 结果表明:3-凹坑织构定子电机空载转速最高，相比光滑定子电机高出12.1%，5-凹坑织构定子电机堵转转矩和最大效率最高，分别高于光滑定子电机13.04%和17.1%，同时电机的温升也有所降低. 通过观察定子表面发现，凹坑织构有大幅降低摩擦材料黏着的作用，这种作用可以增加电机接触界面能量转换效率，提高了电机的性能并降低了摩擦材料的磨损.      

考虑压电材料非线性特性时旋转式超声电机定子的主共振响应

考虑压电材料非线性本构关系，建立了旋转式超声电机定子的非线性动力学模型，利用解析与数值方法研究超声电机定子的主共振响应，以揭示压电材料非线性本构关系对定子振动特性的影响，为深入研究旋转行波超声电机的动力学机理奠定基础．     

超声马达转子摩擦材料厚度对驱动性能的影响研究

制备了一系列不同厚度的摩擦材料 ,利用超声马达摩擦特性模拟试验装置 ,研究了摩擦材料厚度对超声马达空载转速和堵转力矩的影响 .基于一个简化的行波超声马达定子和转子接触模型 ,用有限元法计算了定子和转子接触变形随摩擦材料厚度的变化规律 ,提出了定子和转子具有合理接触变形的摩擦材料厚度范围 .根据试验和理论计算结果确定了摩擦材料最佳厚度 ,为超声马达摩擦材料厚度设计提供了理论依据     

一种用于旋转调制技术的微型超声电机定子

微型超声电机是实现旋转调制技术在微小型惯导上应用的关键部件，薄膜型MEMS超声电机是微型旋转调制技术的理想载体，然而现有MEMS超声电机存在着纵向稳定性和转速稳定性较差、晃动干扰大的问题，难以满足旋转调制需求。为解决该瓶颈问题，提出了一种基于MEMS制造工艺的工作在B15模态下的行波微型超声电机定子结构，设计悬空式圆环形定子结构，对定子薄膜型锆钛酸铅（PZT）层进行分区激励来获取两相正交驻波，以提高驻波模态频率匹配度；采用边缘引线和边缘支撑方式，以减小引线磨损。所设计定子结构包括半径为3 mm的环形Si基底，20个PZT分区、Pt电极和20根支撑梁；有限元仿真结果表明，该结构能够产生两相几乎对称且相位上相差四分之一波长的驻波，两驻波模态匹配度约100%，并验证了该结构下定子能够形成高质量标准行波，可为旋转调制技术提供稳定的驱动力矩。     

摩擦材料应用方式对超声波电机驱动特性的影响

摩擦材料是超声波电机的关键零件,其应用方式直接影响超声波电机的驱动特性.以行波超声波电机为研究对象,将摩擦材料分别应用到转子和定子上,与相应的定子和转子组合,模拟超声波电机的接触方式,研究了超声波电机的负载和磨损特性随摩擦材料应用方式的变化规律.借助于阻抗仪测试了摩擦材料应用到定子齿面前后的阻抗特性,采用精密粗糙度仪和金相显微镜评价了超声波电机定子和转子接触界面磨损前后的形貌变化及其磨损模式.结果表明:当摩擦材料应用到定子齿面时,定子的谐振频率略微降低;当2台超声波电机空载转速相同时,摩擦材料应用到定子齿面与金属转子配副时可获得较大的堵转力矩,定子摩擦材料表面呈现抛光的磨损特征,而当摩擦材料应用到转子表面与金属定子配副时,转子摩擦材料表面呈现较严重的犁沟磨损.     

超声马达摩擦学及其摩擦材料研究进展

超声马达是一种新型原动机，与普通电磁马达不同，这是一种摩擦驱动马达．为了促进超声马达的发展，对其研究中关于定子与转子界面接触驱动特性和摩擦磨损特性，超声波振动对定子和转子接触界面摩擦学特性的影响，转子摩擦材料的选择及其寿命预测等，从摩擦学角度对国内外的研究进展进行了综合归纳与评述，并且针对超声马达摩擦驱动的特点，提出了当前值得重视的一些研究内容．     

Estimation and elimination of eigenvalue splitting and vibration instability of ring-shaped periodic structure subjected to three-axis angular velocity components

Meccanica - Stable operation is one of the most crucial requirements for resonators in vibratory gyroscopes and ultrasonic motors, but eigenvalue splitting can deteriorate operation stability. This...     

Sliding friction in the presence of ultrasonic oscillations: superposition of longitudinal oscillations

Summary  It was often observed that friction forces can be reduced significantly if ultrasonic oscillations are superposed to the macroscopic sliding velocity. This phenomenon can be used to improve machining processes by addition of ultrasonic vibration to tools or workpieces, and forms the basis for many processes of ultrasonic machining. On the other hand, ultrasonic vibrations can be used to generate motion. The thrusting force of ultrasonic motors is provided to the rotor through friction. In the present paper, a simple theoretical model for friction in the presence of ultrasonic oscillations is derived theoretically and validated experimentally. The model is capable of predicting the reduction of the macroscopic friction force as a function of the ultrasonic vibration frequency and amplitude and the macroscopic sliding velocity. Received 22 November 2000; accepted for publication 6 February 2001     

纵扭型压电超声电机的结构优化

对纵扭复合型压电超声电机的结构进行了优化，包括压电陶瓷片的制作和安放位置、纵振位移振幅和扭振线切变位移振幅的放大，并对大直径电机进行了有限元分析，认为定子和转子应按振型设计接触面。     

Mechanical energy transductions in standing wave ultrasonic motors: Analytical modelling and experimental investigations

The present work deals with experimental and theoretical analyses of mechanical energy transductions in standing wave ultrasonic motors. A piezoelectric translator prototype previously developed is tested with regard to both out-of-plane and tangential mechanical behaviours. Influences of the vibration amplitude, the normal pre-load and the dynamic friction coefficient at the stator/frame interface are pointed out through the acquisition of speed-driving force characteristics. In the main part of the article, theoretical approaches assuming the decoupling of the out-of-plane and tangential behaviours are proposed: the `complete' model takes into account transient phenomena and tangential inertia effects, and the `simplified' model supposes that the steady state is achieved. In both models, equivalent mass-spring systems allow the intermittent stator/frame contact to be characterized with regard to the vibration amplitude and the normal pre-load. Successive contact and flight periods are clearly shown. During contact periods, the sequences of stick-slip phases are at the origin of the driving mechanism. They are theoretically discriminated through the study of their behaviour equations. Finally, experimental and theoretical data fitting proves the validation of analytical analyses and allows the future optimization of standing wave ultrasonic motors to be envisaged.     

基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

含裂纹的受力试件对超声波传播路径的影响

本从弹性理论及断裂力学理论出发,通过含裂纹试件受力前后形状及折射率的变化,研究了超声波试件受力试件后传播路径的变化,并与光波的变化进行了比较,得到含裂纹的受力试件对于光波来说相当于一“凹”透镜的作用,而对于超声波来说却相当于“凸”透镜的结论。     

DYNAMICAL BEHAVIORS OF DOUBLE CAVITATION BUBBLES UNDER ULTRASONIC HONING

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.