超声波电机用摩擦材料的研究进展

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1、超声波电机用摩擦材料的研究进展曲建俊，王彦利晴尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨]5000摘要：超声波电机是一种依靠摩擦为驱动力的新型驱动器。摩擦村料作为超声波电机的关键部件之一，其性能的优劣在很大程度上影响和制约着超声波电机的发展与戊用。归纳并探讨了超声波电机摩擦材料的基本要求与国内外研究进展，基于行波型超声锻电机驱动特点及运行规律，从摩擦学、接触力学和材料学三个方面对超声波电机用摩擦材料的特殊要求进行了探讨，{叮步得出了超声波电机摩擦材料戍具有优良的摩擦学、一定的接触变形和定的结构特性二个方面的特殊要求，最后．针对超声波电机

2、用摩擦材料研究中存在的问题，提出了一些值得重视的研究内窖。关键词：超声波电机摩擦材料；研究进展：特殊要求0引言超声波电机是20世纪80年代末发展起来的新型驱动器，其工作原理如图l所示。它主要由定子压电陶瓷和转了摩擦材料等组成，利用压电陶瓷的逆压电效应，使定予表面质点产生超声频域的椭圆形振动，通过转了和定子的接触摩擦驱动转子转动。与电磁电机相比具有以下一些特点”“1：结构紧凑，低速大力矩，响戍快速，控制精度高，无磁场干扰，体积小重量轻，适合恶劣工作环境等。基于上述特点，超声波电机受到国内外越来越多的关注，具有广泛的应用领域

3、。己在航空航天、武器装各、微型机器人、精密定位等领域得到了成功应用。围1超声波电机工作原理RⅢ“器船Sblw由图l可知．超声波电机的定子和转子组成一对特殊的摩擦副，涉及到声学、摩擦学、材料学和接触力学等多学科的交叉。接触表面高频振动的存在，使摩擦副的摩擦变得复杂，给摩擦学研究带来许多新问题，形成了超声波电机摩擦学新领域pJ。摩擦材料作为超声波电机的关键部件之一，其磨损及设计一直是研究人员致力于研究的热点课题。超声波电机的摩擦驱动原理决定了其接触界面的磨损和疲劳是不可避免的，而摩擦材料通常是主要的易磨损部件，由于磨损豹不可

4、控性，使超声波电机的性能寿命难于控制，限制了其优越性能的发挥及应用。因此，近年来，摩擦界面、摩擦材料的动态性能演变及超声波电机的寿命预测等引起了人们的重视”。1q。世界各国都在研究新型摩擦材料，期望提高超声波电机的使用寿命和可靠性。本文对国内外超声波电机摩擦材料研究现状及存在问题进行归纳与探讨；针对行波型超声波电机的驱动特点和运行规律，从摩擦学、接触力学和材料学三个方面对摩擦材料的特殊要求进行分析，并讨论超声波电机摩擦学及摩擦材料等若干值得重视的研究课题。1摩擦材料研究现状1．1摩擦材料基本要求超声波电机是靠摩擦传递动力

5、的，定转子摩擦副的磨损是不可避免的，为了保护定子，通常将摩擦材料作为主要的被磨损对象，一旦超声波电机的定子和转子材料选定，摩擦材料设计就成为改善超声波电机性能的关键因素，它对超声波电机的转换效率、输出性能和使用寿命具有至关重要的作用。一般超声波电机摩擦材料应满足以下基本要求lI呓’1卜12J：(1)适合的摩擦系数，以便将振动能高效地转化成机械能；(2)耐磨性高且对偶件的磨损也很轻微；(3)接触摩擦噪声低；(4)摩擦性能稳定，能长期稳定地工作；(5)有适当的机械性能，特别是适当的硬度；(6)动、静摩擦系数接近，低速无蠕动、

6、爬行现象；(7)接触时不引起定子和转子间的附加振动，特别是要求不吸收定子的切向振动；(8)可进行精密加工，耐高、低温及物理化学性能稳定等。自从超声波电机出现，摩擦材料就成为电机设计者和摩擦学家十分关心的问趔¨。基于超声波电机对摩擦材料的基本要求，纵观国内外发展，已研制出几种性能、多个品种的超声波电机摩擦材料，归纳起来可分为：(1)橡胶基摩擦材料ll川；(2)树脂基摩擦材料f14'15，16，171；(3)涂、镀层基摩擦材料【18，19，201；(4)陶瓷材料，含油粉末冶金材料Ⅳ¨。尽管品种繁多，性能各异，但超声波电机使用

7、寿命仍然不长，据报道使用国外摩擦材料的行波超声波电机负载寿命不超过3000小时，用国内摩擦材料的电机使用寿命2000小时左右，并且转换效率不超过40％。特别是随着摩擦材料的磨损，超声波电机接触状态的改变，导致超声波电机的性能寿命逐渐衰退，严重限制了超声波电机特有的高性能的发挥。因此，如何提高超声波电机的性能寿命，成为各国学者和电机制造商努力研究的热点问题睇¨。以日本Shinsei公司超声波电机为例，近十年来最大的改进就是摩擦材料，包括摩擦材料的成份和粘结应用方法等，使超声波电机性能有很大提高。这些热点、难点问题的出现不仅

8、仅因为超声波振动摩擦驱动的复杂性，而且还有对摩擦材料要求认识的局限性。1．2摩擦材料的研究1．2．1国外摩擦材料的研究在超声波电机问世之初，定转子接触界面的摩擦学及摩擦材料的选择问题等就引起了关注。在1987年，日本的A．Endo和N．Sasaki研究了摩擦材料的摩擦系数和硬度对超声波电机性能的影响。并研制出了一种以