曲建俊，王彥利，曲焱炎，毛慶波
(哈爾濱工業(yè)人學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘 要：超盧電機(jī)摩擦材料應(yīng)同時(shí)具有良好的摩擦學(xué)特性和一定的接觸變形要求，目前所用單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)摩擦材料較難滿足，需要研制新型摩擦材料。本文從摩擦學(xué)的減摩結(jié)構(gòu)模型反推出一種增摩結(jié)構(gòu)模型，采用表面粘涂法研制了一種具有增摩結(jié)構(gòu)的涂層摩擦材料。利用超聲電機(jī)模擬試驗(yàn)裝置考察了涂層厚度對(duì)超聲電機(jī)性能的影響，初步驗(yàn)證了模型的正確性。在本文的試驗(yàn)條件下，當(dāng)涂層材料表層厚度為1mm，底層厚度為0 7mm左右時(shí)，超聲電機(jī)具有較好的性能。與其他種類的摩擦材料比較表明：具有增摩結(jié)構(gòu)的摩擦材料可以滿足超聲電機(jī)的使用要求，可望提升超聲電機(jī)的性能，具有良好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；摩擦材料；涂層；增摩
摩擦材料的性能直接影響超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性和使用壽命[1]。超聲電機(jī)對(duì)摩擦材料的要求可分為兩方面，其一是摩擦材料的摩擦學(xué)特性，具有較大的摩擦系數(shù)、低磨損、對(duì)偶件磨傷小，抗熱衰退強(qiáng)；其二是摩擦材料的接觸變形特性，需要摩擦材料具有一定的變形能力，以利于有效地傳遞能量；此外，具有較好的聲學(xué)特性和合適的硬度，噪音小，熱穩(wěn)定性好，以及良好的精密加工性也是必要的。
近年來，國(guó)內(nèi)外已研制出了多種超聲電機(jī)摩擦材料[2-9]，不僅如此，在摩擦材料的性能，如硬度、彈性模量、尺寸厚度[2，10-12]以及各向異性結(jié)構(gòu)[13,14]等對(duì)超聲電機(jī)輸出特性的影響也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究。然而，多數(shù)研究單位或?qū)W者在實(shí)驗(yàn)分析過程中采用的是單一均質(zhì)片狀結(jié)構(gòu)的摩擦材料，此種摩擦材料要同時(shí)滿足摩擦學(xué)和接觸變形要求存在一定的限制，較難進(jìn)一步提升超聲電機(jī)的性能。
目前，人們一方面在研究改進(jìn)現(xiàn)有摩擦材料問題，以提高其性能；另一方面也在探索研制新型超聲電機(jī)摩擦材料。針對(duì)超聲電機(jī)對(duì)摩擦材料的特殊要求，建立具有指導(dǎo)意義的摩擦材料設(shè)計(jì)模型。因此，本文首先提出一種具有增摩結(jié)構(gòu)的摩擦材料設(shè)計(jì)模型，然后采用表面粘涂法研制一種具有增摩結(jié)構(gòu)的涂層摩擦材料[15]，考查了表、底涂層厚度變化對(duì)超聲電機(jī)性能的影啊。同時(shí)與其他摩擦材料進(jìn)行超聲電機(jī)性能對(duì)比，期望研制一種具有增摩結(jié)構(gòu)的超聲電機(jī)涂層摩擦材料。
1 增摩結(jié)構(gòu)涂層設(shè)計(jì)原理
1 1超聲電機(jī)接觸模型
圖l所示為在半個(gè)波長(zhǎng)上行波超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子的接觸情況，h為摩擦材度，w為在預(yù)壓力FN作用下摩擦材料的法向接觸變形量，2L為定轉(zhuǎn)子的接觸區(qū)域。
式中，μd為摩擦系數(shù)，P（χ）為接觸區(qū)域單位長(zhǎng)度上的預(yù)壓力。
從驅(qū)動(dòng)力公式可以看出，摩擦材料的摩擦系數(shù)和接觸區(qū)域?qū)︱?qū)動(dòng)具有重要影響。
1 2增摩模型的建立
根據(jù)粘著理論[16]摩擦的材料，一種減摩模型如圖2所示，它是在剛度大的硬基體表面設(shè)置一薄層剛度較小的軟表面膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，當(dāng)與對(duì)偶件摩擦?xí)r，可獲得較小的摩擦力。摩擦力F=Ar×τ，Ar 是接觸面積，τ是材料的剪切強(qiáng)度極限。
考慮材料是一種大摩擦特性材料，可以反向應(yīng)用減摩模型。將剛度大的硬薄膜層置于表層，在其利硬基體之間增加一層剛度小的軟捌料層，結(jié)構(gòu)如圖3所示，以軟材料層為整體材料的底層，硬材料層為整體材料的表層。接觸變形量在一定程度上由剛度小的軟底層材料決定，在預(yù)壓力一定時(shí)，摩擦副可以獲得較大的接觸面積。由粘著理論可知，表層材料硬度大，剪切強(qiáng)度極限大，因此，在接觸面間可以獲得較大的摩擦力，此種結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了增摩模型，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)還
可以使摩擦材料獲得較好的耐磨性。
2涂層摩擦材料的制備
2 .1涂層組成及表層摩擦性能
增摩結(jié)構(gòu)涂層摩擦材料的表層是以 |
