曲建俊，王彦利，曲焱炎，毛庆波

 (哈尔滨工业人学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘  要：超卢电机摩擦材料应同时具有良好的摩擦学特性和一定的接触变形要求，目前所用单一均质结构摩擦材料较难满足，需要研制新型摩擦材料。本文从摩擦学的减摩结构模型反推出一种增摩结构模型，采用表面粘涂法研制了一种具有增摩结构的涂层摩擦材料。利用超声电机模拟试验装置考察了涂层厚度对超声电机性能的影响，初步验证了模型的正确性。在本文的试验条件下，当涂层材料表层厚度为1mm，底层厚度为0 7mm左右时，超声电机具有较好的性能。与其他种类的摩擦材料比较表明：具有增摩结构的摩擦材料可以满足超声电机的使用要求，可望提升超声电机的性能，具有良好的发展前景。

    关键词：超声电机；摩擦材料；涂层；增摩

   

     摩擦材料的性能直接影响超声电机的驱动特性和使用寿命^[1]。超声电机对摩擦材料的要求可分为两方面，其一是摩擦材料的摩擦学特性，具有较大的摩擦系数、低磨损、对偶件磨伤小，抗热衰退强；其二是摩擦材料的接触变形特性，需要摩擦材料具有一定的变形能力，以利于有效地传递能量；此外，具有较好的声学特性和合适的硬度，噪音小，热稳定性好，以及良好的精密加工性也是必要的。

    近年来，国内外已研制出了多种超声电机摩擦材料[2-9]，不仅如此，在摩擦材料的性能，如硬度、弹性模量、尺寸厚度^[2，10-12]以及各向异性结构^[13,14]等对超声电机输出特性的影响也进行了实验和仿真研究。然而，多数研究单位或学者在实验分析过程中采用的是单一均质片状结构的摩擦材料，此种摩擦材料要同时满足摩擦学和接触变形要求存在一定的限制，较难进一步提升超声电机的性能。

    目前，人们一方面在研究改进现有摩擦材料问题，以提高其性能；另一方面也在探索研制新型超声电机摩擦材料。针对超声电机对摩擦材料的特殊要求，建立具有指导意义的摩擦材料设计模型。因此，本文首先提出一种具有增摩结构的摩擦材料设计模型，然后采用表面粘涂法研制一种具有增摩结构的涂层摩擦材料^[15]，考查了表、底涂层厚度变化对超声电机性能的影啊。同时与其他摩擦材料进行超声电机性能对比，期望研制一种具有增摩结构的超声电机涂层摩擦材料。

1 增摩结构涂层设计原理

1 1超声电机接触模型

    图l所示为在半个波长上行波超声电机定转子的接触情况，h为摩擦材度，w为在预压力FN作用下摩擦材料的法向接触变形量，2L为定转子的接触区域。

式中，μ_d为摩擦系数，P（χ）为接触区域单位长度上的预压力。

从驱动力公式可以看出，摩擦材料的摩擦系数和接触区域对驱动具有重要影响。

1 2增摩模型的建立

    根据粘着理论^[16]摩擦的材料，一种减摩模型如图2所示，它是在刚度大的硬基体表面设置一薄层刚度较小的软表面膜的复合结构，当与对偶件摩擦时，可获得较小的摩擦力。摩擦力F=A_r×τ，A_r 是接触面积，τ是材料的剪切强度极限。

      考虑材料是一种大摩擦特性材料，可以反向应用减摩模型。将刚度大的硬薄膜层置于表层，在其利硬基体之间增加一层刚度小的软捌料层，结构如图3所示，以软材料层为整体材料的底层，硬材料层为整体材料的表层。接触变形量在一定程度上由刚度小的软底层材料决定，在预压力一定时，摩擦副可以获得较大的接触面积。由粘着理论可知，表层材料硬度大，剪切强度极限大，因此，在接触面间可以获得较大的摩擦力，此种结构就构成了增摩模型，同时这种结构还

可以使摩擦材料获得较好的耐磨性。

    2涂层摩擦材料的制备

    2 .1涂层组成及表层摩擦性能

    增摩结构涂层摩擦材料的表层是以