基于夹心式换能器的超声波马达及减摩技术研究

论文摘要

一个机械系统低速运行时,影响性能的一个重要问题就是摩擦振动的存在。学者们在不断的探寻高效的润滑技术来减小摩擦,实现机械系统的低速平滑运动。超声波马达是上世纪80年代开始发展起来的一种新型驱动器,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激励出定子表面质点的椭圆轨迹振动,依靠摩擦耦合来实现驱动。本文研究新型超声波马达,利用其产生于摩擦界面的椭圆轨迹超声振动引起的润滑效应和摩擦接触行为的改变来减小摩擦力的大小,完成对摩擦力的主动控制,实现机械系统的低速平滑运动。首先利用赫兹接触理论建立了夹心式换能器和刚性平面的超声动态接触模型。通过对模型进行分析、求解表明,在纵向超声频率动态接触作用下,换能器节面位置产生了上浮,换能器端面与刚性平面的动态真实接触面积比静态时减少了。对该模型的分析很好地解释了纵向超声振动所引起的摩擦系数降低的现象,为提出利用椭圆轨迹超声振动来实现减摩奠定了理论基础。用微位移测试仪实际测试夹心式换能器节面沿纵向上浮的实验证实了该模型的分析结论。为提高驻波直线超声波马达的输出功率以满足减摩的要求,本文在其基础上提出了一种新型的直线超声波马达。该马达振子由夹心式换能器和加工有齿的金属薄板连接而成。夹心式换能器激励金属薄板产生弯曲模态的振动,从而通过作斜线轨迹振动的齿产生驱动力。文中研究了马达振子的声阻抗匹配问题以实现能量的高效传输,提出了复杂形状夹心式换能器的有限元设计方法。由于采用了机电转换能力较高的夹心式换能器替代压电陶瓷薄片来实现电声能量转换,相比传统驻波直线超声波马达,该马达能实现更高的驱动速度和更大的驱动力。基于纵向超声动态接触作用产生换能器节面上浮的理论分析,提出了可以实现双向驱动的换能器直线超声波马达。该马达振子由两个互成90o夹角的夹心式换能器构成,依靠倾斜的夹心式换能器驱动头的斜线轨迹振动产生驱动力。利用夹心式换能器振动时产生的上浮效应,该马达可以方便的实现双向驱动。利用有限元软件ANSYS建立了马达的有限元模型,对模型的分析计算表明,畸变的椭圆轨迹振动是马达产生驱动力的根本原因,同时计算结果也证实了超声动态接触作用会使马达产生上浮。在230Vrms电压下,该马达样机的最大测试速度达到947mm/s,最大推力为35N,最大输出功率12W。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 摩擦振动的产生
• 1.2.1 摩擦引起的运动不稳定
• 1.2.2 摩擦引起的爬行现象
• 1.2.3 消除摩擦振动的方法
• 1.2.4 润滑技术的新发展
• 1.3 超声波马达
• 1.3.1 超声波马达起源
• 1.3.2 超声波马达的结构分类
• 1.3.3 近几年国内外超声波马达的发展
• 1.4 振动改变摩擦
• 1.5 超声波马达摩擦接触行为的研究
• 1.6 课题来源和本文的研究内容
• 第2章 超声波产生的上浮和减摩效应
• 2.1 引言
• 2.2 夹心式换能器和刚性平面的物理接触模型
• 2.3 换能器纵向动量守恒方程
• 2.3.1 弹性接触的赫兹理论
• 2.3.2 动量守恒方程
• 2.4 纵向动量守恒方程求解
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 动量方程简化
• 2.4.3 动态下换能器的纵向浮起量
• 2.4.4 动、静态下真实接触面积变化量
• 2.5 超声波振动上浮效应的实验验证
• 2.5.1 实验装置
• 2.5.2 实验结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 换能器薄板直线超声波马达
• 3.1 引言
• 3.2 驻波直线超声波马达
• 3.2.1 马达弯曲驻波的形成机理
• 3.2.2 薄板齿面质点斜线振动轨迹的形成
• 3.3 夹心式换能器产生大振幅的振动
• 3.4 夹心式换能器的结构
• 3.5 新型换能器薄板直线超声波马达的结构
• 3.6 振动设计
• 3.6.1 薄板的设计
• 3.6.2 声阻抗的匹配
• 3.6.3 换能器的设计
• 3.7 考虑压电耦合的马达有限元分析
• 3.7.1 压电参数
• 3.7.2 马达振子的模态分析
• 3.7.3 马达振子的谐响应分析
• 3.8 实验测试
• 3.9 本章小结
• 第4章 双向换能器直线超声波马达
• 4.1 引言
• 4.2 双向换能器直线超声波马达的结构
• 4.3 马达双向驱动原理
• 4.4 马达的设计
• 4.5 马达的有限元仿真
• 4.5.1 研究目的
• 4.5.2 夹心式换能器的谐响应分析
• 4.5.3 马达的瞬态动力学分析
• 4.6 实验
• 4.6.1 马达的接触测试
• 4.6.2 马达的速度推力性能测试
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于椭圆轨迹超声振动的减摩技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 利用单一方向超声振动实现的减摩
• 5.3 基于椭圆轨迹超声振动的减摩方法
• 5.4 新型PWM控制方法
• 5.5 基于椭圆轨迹超声振动的主动减摩实验
• 5.5.1 实验装置
• 5.5.2 模糊控制
• 5.5.3 实验结果及讨论
• 5.6 马达振子的低速驱动实验
• 5.6.1 利用超声波减摩技术来实现低速驱动
• 5.6.2 实验
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢