《一种新型超声轴承的设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种新型超声轴承的设计（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、D E S I G N O F A N O V E L T Y P E O F U L T R A S O N l CB E A R I N GD o n g W A N G ，S o n g P A N ，W e i - q i n g H U A N GP m c m i o n D r i v i n g L a b o m ，o r yN j i n g U n i v e r s l l vo “s t q N a j l n g J i 。n g s u 2 1 0 0 1 6C h m aAn o v e I t y p eo f u l t m cb c a r m g l s
2、p t o p o s e d I n t h i sp 8 p “F i n i t e d 口口t m c m o d l su s e d I oc a r wo u t t h e m o d ea n a l y s i s n dh 隅砷哪o f p l c o l 。c m u s e d i n t h eb e a n n gT h e w o r k i n g h q u c y o f t h ep l e z I “a d I 】m o r1 s 血k m 曲e db yt h e o d n n 时1 k 伽哪6 v ch mi sm a d eo nt h ew
3、o l k i a ga n dt h en o n - w o r k i n gc o n d l h o f t h e 一1 m c m 8 t o t T h ee x p e r i m t s t n t y t h m t h eu l l r a s o m cb e a t i n gp o s s 一 d f r i e t i o nD e 晌H 删w o d d n rs t a t u s , a n d t h e f f i e t i o n l o o f u t s 帅1 c b e a t i n g “1 0 w c r d t oa b o u t
4、l I Mc o m p a r l n g w i t h t h e w o r k d a gp i l e c i f i ec d K e y o r d s ：U l t r a s o n i c w a v e s ，f i n i t ee l e m e a t m e t l a o d ，m “e c n ca c t 一种新型超声轴承的设计I 冬浠橙黄卫清2 1 0 0 1 6 南京航空航天大学糟密驱动研究所i ：；i ? i ：i ；：i o i 趸；i i ；? ；鬈i 釜嚣；鬈：骤：嚣；髭髫嚣蓄；絮紫 该超声轴承在I 作状态下实现了减摩效夥机械摩擦损耗减小为超声
5、轴承未I 作状态下的l o 左右。关键词超声波，有限元洁，压电换能镕1引言轴承是机械设备中常用的重要零部件轴承的功用是 支撑轴及轴上零件并传递运动和动力，轴承性能优劣 直接影响着整个轴系的旋转精度及整部机器的性能。 随着新型微小机械的发展，迫切要求具有高精度、非 接触、无摩擦、长寿命等特性的新型轴承。 超卢振动减障是超声振动在机械镀域应用中的 延伸与发展。超声振动可以改变摩擦副间的摩擦状 态，使摩擦副间的摩擦系数降低。1 9 4 3 年美国学者 C l a y p o o l e 研究指出外部振动可使静摩擦系数接近零 。1 9 9 8 年吉林人学初步解释了超声振动状态下减 摩的原因井研究出旋转
6、式超声振动减摩机构1 。 超声轴承是将超声振动用于轴颈的悬浮支承与动态润滑以构造的滑动轴承。超声轴承用具有。定 声强的超声波来获得悬浮支承，轴承和轴颈之问悬浮 问隙存在的空气就产生丁润滑效果。超声轴承具肯减 摩性能好、旋转精度高、润滑简单能保持矗好的对 中性等优点，在低速、小扭矩的动力传输方面具有独 特的优势。日本东京T 业大学将超声轴承应用到导轨 的传动 在推力为11 m N m 的条件下使9 0 9 导轨 产生1 3 8 m i n i s 的瞬时速度2 1 。吉林大学常颖、曾平 等对超卢轴承悬浮与减摩的机理进行了研究，井制作9 7 8 1 4 2 4 4 4 9 4 9 I 0 9 席2
7、 50 0 2 0 0 9 I E E E了相关实验设备验证了超声轴承的悬浮效果，得出应 用其所设计超声轴承的摩擦因数为应用深淘球轴承的1 0 的结论3 1 。本文应用超声减摩H 5 】的原理，设计了一种新型 的超声轴承，通过实验，该轴承能够将电机输出的小 扭矩有效的传递到负载。减少摩擦和机械摩擦损耗，达到了预期效果。2 超声轴承的结构和工作原理 刚- _。g t a e L U R n ”。s o n i i 蕊器。：j 慧髅鬻蔼隰! 鬣冀鑫麓器、轴系、振子支架、电机支架、电机、基座等组成。 压电换能器是两个头部为锥形的中空的兰杰文振子，阿个兰杰文妊r 之问舸轴最通过根细长轴和外面 的电机柑
8、连，轴系两侧锥形凹槽和州个4 杰文振丁锥 形头 【柏配台。轴系可安装负载，n 1 电机带动轴系和 负载旋转。压电陶瓷片为P Z T - 8 纵振H 。在两个振子 的电极片上旌加超声频率的交流激励电瓜，利用压电 材料的逆压电效应使振r 产生阶纵振。 超声振动造成了振干头部与轴系口槽表面的间 断接触d 接触发而形成接触、悬浮的周期过程。往 振子和轴系脱离时刻，如图2 所示振子头部和轴系 凹槽之问存在悬浮问障，超声振动使删隙中的空气挤 j t 产牛挤压膜润靖。由于空气具有材性作用，轴系的 旋转叉将窄气压入楔形间隙产生动态润滑。两种润滑 共旧作川世超声轴承获柑了较人承载能力和戟小的摩擦系数【6 。振子
9、和轴系接触时刻如罔3 所吓，超卢 振动使接触时倒蜩屁减少，使超声轴承T 作时表现出减摩特性。目2n f 目勰袅8 i f n 月F i g u m2 b m t o r ds h a f t i n g d i a g r a m目3 * f 揣磊镕n i 目F i g u r e3V i b m r ds h a f t i n g t h a g r a m电机的输出功率全部消耗在负载剌轴承的摩擦 上，输出功率目0 可由轴系上输出的机械功率P 、机械摩擦损耗“表示，如下式所示。 目匕= P + n( 1式中n 电机效率己电磁功率： P 轴系1 - 输卅的机械功率， “机械摩擦损耗。作用在超
10、声轴承的机槭摩擦损耗n 就可以通过电机的输出功率目匕与轴系的输出机械功率P 之差 得到。由电磁电机的功率平衡公式可得下式。“= 口巴。= r l U l 。等= r l U l T 去圆式中：U 电枢电压，电枢电流； r 轴系输 d l 扭矩， 一轴转n 。由式( 2 ) 已知电机效率1 ，再测量U 、I 、T 、n 可计算得出机械摩擦损耗“。通过比较超声轴承 工忭自未T 作时的机械摩擦损耗值，即可得出超声轴承的减摩效果。3兰杰文振子的结构动力学设计3 1 兰杰文振子模态分析兰杰文振于足超声轴承的重要元件，起到将电能转化 为振动能的作用，振子头部的振动模志直接影响到超 声悬浮的效果。振了结构如
11、图4 所示由下配重、L 配醇、压电H 、电极片、螺母5 部分组成。整个兰燕史振于设计长度为L t 2 7 。为得到较高的前后振速比 上配重聚用卢阻抗率较低的硬铝，下配重采用声阻抗 率较高的4 5 钢，材料的性能参数如表I 所示。2 杰文振子和振于支架连接音| f 分设计为节面。! ：。慧；：黧：。慧：瑟：础糯稳。应用有限兀法分析兰杰文振子的振动模态。采用 A N S Y S 软件作为分析工具【8 】。将压电陶瓷片、电极 片和预蠕螺母简化上下配重、预紧螺母单元类型均采用s o l i d 4 5 ，压电材料单元类型为s o l i d 5 ，划分网格 中，上F 配重预紧蝶雌采用$ m a i _
12、 Ii n c s h 划分，压电巍村料采用s w e e p 划分。得到十总数为9 5 4 0 ，节点总 数为I 8 8 7 2 在模忐计算巾，采用B l o c kL a n c e s 方法 频率在2 0 6 5 k H z ，提取2 5 个模志，得到阶纵振 模态频率为4 86 K H z 其振动模惫圈彤如圈5 所示4 5 1 “盟2 00 003 0胜为8 0 V ，结果如用7 、刳8 所小。两个兰杰文振了 的阶纵振图形自明显峰值I 号兰杰文振r 的阶 纵振频率为4 2 9 3 75 H z ，2 号兰杰文振子的阶纵振 额车为4 2 9 3 2 H z ，曲者棚筹为55 H z 麻为加
13、【装甑1 误差引起为允许情况。曲个“杰文振f 的扫额幽形 和A N S Y S 分析结果图6 对比叮知共振频率茸本一 致A N S Y S 分析所得一阶纵振频率和柯频所得阶 纵振频率柑差约6 K H z 为加工误差和螺母的预紧力 等原因造成属于正常范围。3 2 兰杰文扳子请响应分析4 2 减摩实验在A N S Y S 中，选择H a 丌n o n i c 分析类型。在每片压电 陶瓷两端施加峰峰值为2 0 0 V 交流电压选定频率范 围为一阶纵振频率附近的4 74 - v 4 93K H z ，施加03 的阻尼，牲选定额丰范罔内均匀分为5 个了步进行计 算。计算结果如图6 所示，设计了套测试系统
14、能直观反映超声轴承工作表面 的接触和恳汗状态，将轴承的轴系和基庠与测试系统 相连，通过币波器训以观察到有明显的尖峰现象，如 图9 所不，这足上作表面接触时电压为低，悬浮时电 压为高的反映，验证了超卢轴承T 作表面存在问断接触。 ：錾雷的实i 定；i ! ? 有其他模态干涉 葭频率能够较好4超卢轴承的实验研究4 1 横态实验为验证超卢轴承的减摩效果，搭建了减库效果实 验平台，设计了套转速、扭矩测量系统实验仪器 采用稳压电源、A F G 3 0 2 2 犁信号笈生器、M L 3 8 6 0 C功率放大器，实验电机采用小型直流电磁电机，实验 平台如图1 0 所示。 ! 簿二薹，茹：嚣僦i 燃怒曩一
15、? ；| 腌，圈b 二= ；。? 曼! 置。篇篇戮淼端i 勰i 纛瀚簇粪孽雾冀纂多普勒激光测振仪，扫频范围为2 0 6 0 K H z ，施加电婀自浦，怛蚌I b 特自磁n 束pi 存些而小*杰文振子施加的驱动信号电压均为2 0 0 V ，激振频率 均为4 2 9 3 k H z ，相位差为零。通过转速、扭矩测量系 统测量电机的转速和输出扭矩。测量得出电枢电压U 和电枢电流，保持该电枢 电压U 和电枢电流，不变，测量超声轴承工作时的电 机输出扭矩兀和电机转速r l ，超声轴承未工作时的 电机输出扭矩疋和电机转速刀2 ，通过公式( 2 ) 可得出 超声轴承工作和未工作时电机机械摩擦损耗P o l
16、 、P ， 计算P o l 概口，可得出超声轴承的减摩效果，列表2 如下。表2 在不同输出功率下测量结果 1 曲l e2 M e a s u r e m e n tr e s u l t sa td i f f e r e n tc o r l d i t i o n UIT 1n 1 T 2n 2 p 0 1 p 0 2N|km N m ( W m i n )m N ，m ( n r a i n ) | lO 2 59 82 3 l1 29 65 4 81 2O 3 51 1 43 2 38 71 0 91 1 0 21 40 4 21 1 84 5 21 0 42 1 37 8 51 6O 5 l1 2 75 9
