超声波电动机转子与摩擦材料间界面裂纹的有限元分析

    王一钧．王志强

    (浙江工业大学，浙江杭州310014)

    摘要：超声波电动机转子与摩擦材料间的界面裂纹影响着整个电机的可靠性和寿命。采用较符合实际接触状况的柔性转子和刚性定子模型，通过有限元软件，得到超声波电动机转子与摩擦材料间界面裂纹****的应力强度因子的计算方法，对转子与摩擦材料之间的界面断裂研究，以及确定其界面加工与黏结工艺具有一定的实际价值。

    关键词：超声波电动机；摩擦材料；界面裂纹；应力强度因子；有限元法

    中图分类号：TM38  文献标识码-A  文章编号：1004—7018(2008)09—0013—03

                       

O引  言

    目前，超波声电动机在照相机自动聚焦系统、手表、汽车、机器人、核磁共振仪及卡片传输机等产品上都得到广泛应用，且需求量巨大。

    近年来，我国虽然在超声波电动机的设计理论、制造技术上取得了一定的成果，但是在其使用寿命和可靠性方面与日本、美国等还有很大的差距。我国已经研制出一些超声波电动机的样机，但是其可靠性和制造工艺还不足以制造完全商业化的应用产品。造成这种情况的主要原因是：国内生产的压电陶瓷动强度低，在高频下易断裂；国内的摩擦材料可靠性并不高，在连续工作中易失效；同时国内也缺乏高强度、耐高温和不易剥落的胶粘剂。。

    转子是超声波电动机重要的工作部件，其转动是通过黏结在其表面的摩擦材料被定子驱动来实现的，如图l所示。摩擦材料要承受较高的剪切应力和冲击，因此，摩擦材料与转子的连接界面强度及界面裂纹****的应力集中情况都影响着超声波电动机的寿命和可靠性。本文通过有限元方法对转子与摩擦材料间的界面裂纹****应力强度因子的计算方法进行了研究、这对超声波电动机可靠性研究、载荷设计、预压力设定、黏结工艺和界面表面加工及寿命预测等都有一定价值：

   

      图1环形行波超声波电动机结构图

转子材料和座擦材料的选择

    超声波电动机的转子是由不锈钢、硬铝或工程塑料制成，硬铝能有效减轻超声波电动机的重量，且较容易进行切削加工，因此，本文选用硬铝作为定子材料进行参数设定与研究。

    超声波电动机是通过定子和转子的摩擦进行驱动的。为了增加定子对转子的摩擦力，在转子上会粘结-层磨檫材料。摩擦材料一般为高分子聚合物，随着高分子材料的飞速发展，出瑚了很多性能****的可作为摩擦材料的高分子材料。摩擦材料的选择直接影响到电机的工作性能和使用寿命，因此选用合适的摩擦材料十分重要。

    摩擦材料如果太软，在微观上定子上的振动质点会与摩擦材料啮合过深，导致定子在转子运动方向产生的阻力超过了它所提供的驱动力，转子无法转动；摩擦材料太硬，定子上振动的质点与转子是点接触，驱动力太小，也无法达到有效驱动转子的目的。因此，选择合适的摩擦材料是超声波电动机研究中的关键[3]。在频率f=41．07 kHz、电压130 v／ms的激励下，对RTWUSM30以不同的四种摩擦材料(#l为环氧树脂加丙纶纤维，#2为硬铝，#3为PTFE，#4为环氧树脂)进行实验得出：PTFE(渗碳聚四氟乙烯)较适合作为转子的摩擦材料(如图2所示)。

   

    图2不同摩擦材料的超声波电动机转速与效率和转矩的关系曲线

2定子和摩擦材料的接触模型

    定子和摩擦材料间的接触并不是刚性定子和刚性摩擦材料的线性接触模型，实际情况是定子在与摩擦材料接触时，接触处的摩擦材料必然要产生变形。因此，本文采用的接触分析模型是较符合实际情况的刚性定子和柔性摩擦材料的接触模型。超声波电动机工作时，刚性定子与柔性摩擦材料间是面接触关系，其接触面的形状是由定子产生行波的波长与振幅来决定的。

    如图3所示，z轴通过定子行波波峰处，x轴为定子变形前的表面。在预压力的作用下，摩擦材料在一X_o