摘要：透过环型超声波电机定转子接触机理分析得到接触表面应力分布，利用摩擦学二项式定理，借助等效预压力分析了接触表面等效摩擦系数的变化，给出了计算定转子接触表面实际摩擦系数的理论模型。别单个波长接触区域内的应力及等效摩擦系数分布进行了计算，得到[甜定预压力变振幅以及陶定振幅变预压力情况摩擦系数的

变化。结果表明定予表面质点超声振动的垂直方向位移是摩擦系数降低的根本原因，这为超声波电机摩擦材料的选择和使用提供了理论依据。

关键词：摩擦学一项式定理；超声波电机；接触模型；超声振动减摩

中图分类号：tm351; tm36十1    文献标志码：a    文章编号：1001-6848(2010)06-0039-04

    与传统的电磁电机驱动方式不同，超声波电机通过摩擦驱动转子，定转子间的摩擦驱动是其能量转换的重要环节，它对电机的能量转换效率及其工作寿命都具有决定作用，因此超声波电机的摩擦特性研究受到了国内外学者广泛关注。

    为了得到更大的摩擦输出和较小的摩擦磨损，超声波电机需要增摩减磨，通常选用不同的摩擦材料进行实验比较。朱涛涛等人对多种不同摩擦副间的摩擦特性进行了实验研究，以得到更大的摩擦驱动转矩输出和更持久的稳定工作时间，为摩擦材料的选择提供r一定的实验依据。超声减摩现象就是对于已定的摩擦材料在超声波电机超声振动状态定转子间摩擦系数将低于普通状态下摩擦面间的摩擦系数，日本的maeno博士首先发现了这一现象；国内程光明教授和黄明军教授等分别提出了转子“腾空”和定转子接触时间减少观点，但其振动状态与超声波电机行波运动不完全相同；曲建俊教授及dr. storck等通过分析超声振动状况下定转子问几何接触状态，并考虑r定转子间相对运动的变化，认为定子垂直方向的振动所引起的定转子相对运动速度变化是超声振动减摩的原因。虽然定子表面质点垂直振动是超声振动减摩现象根本原因的论点已得到基本认同，但基于纯驻波作用的“腾夸”与接触时间减少理论和超声波电机定转子间的摩擦驱动仍有差别；定子接触区域表面质点的垂直振动还会引起转子对应区域质点速度相同的实时垂直微电机移动，不会使定转子相对运动速度显著变化，因此相对滑动速度造成超声振动减摩的论点还需进一步实验验证。

  本文从超声振动带来的预压力分布不均出发，对超声振动减摩现象给出了说明。摩擦学研究表明，预压力是影响摩擦系数的一个很重要的因素，超声振动时定转子表面应力分布与普通（无超声振动）情况下有着很大的差别，这就可能是超声振动减摩的一个重要原因，本文以环型行波超声波电机为研究对象，着眼于分析摩擦系数与预压力的关系，通过分析定转子接触面上应力分布不同，得到接触界面上等效摩擦系数分布，从理论上解释了定转子接触界面平均摩擦系数变化的一个重要原因，从另一角度给摩擦层材料的选择提供了一个指标。

    摩擦学理论认为，滑动摩擦是克服表面粗糙峰的机械啮合和分子吸引力的过程，摩擦力就是机械作用和分子作用阻力的总和，即：

式中，ffn为摩擦力；so和sm分别为分子作用和机械作用面积；τ0和τm为单位面积上分子作用和机械作用产生的摩擦力，实际接触面积s=s0+sm。而摩擦力：

式中α、β是与材料有关的常数。摩擦系数为：

即摩擦学二项式定理。

从式中可以看出摩擦系数并不是一个常量，会随变化而变化。对于塑性摩擦副材料，实际接触面积s与摩擦副间的预压力成正比，于是p为常数；而对于组成超声波电机摩擦层的弹性材料，摩擦副间的实际接触面积s与摩擦副间预压力的f的2/