超声波马达振动片的设计与实验

　　华侨大学学报自然科学版超声波马达振动片的设计与实验许芦君洪尚任石菊荣华侨大学机电及自动化学院，福建泉州3620进行分析和对研究振动片的含屯尺寸员爪等因秦句输出竹性的影响所茯结果为同类超声波马达的设计与制作提供依据。

　　楔型超声波马达是驻波型超声波马达的种，振动片是马达定子的关键部件。其结构及尺寸的选择，直接影响马达的输出性能。目前，国内还没有个的力学或数学模型，用以定量描述振动片与转子接触界面间相互作用的关系。于是，也没有恰当的数学方法来全面优化振动片的设计。本文根据定性分析的结论，设计不同结构和尺寸的振动片。通过对比实验研究和分析，得出些重要结论，为同类马达的建模设计和制作提供了依据。

　　1振动片的结构设计及受力分析振动片的结构设计对振，片式超声波马达驱动的机评进厅研究。结果明这类马达圮通过纵振动与巧曲振动的合成，来形成振动片前端与转子接触端的椭圆运动；依靠摩擦力作用，以驱动转子楔形结构行边形结构在冲，为长度，6为宽度为厚度。压电换能器，激励产生平行于长度方向的纵向振收稿曰期什侧加，足子与转子装祀后2；1.阳与中心线不平行，酸=边形结构⑴所扣结构特点，动片味抒的中心线不蓄月线峡角为0，定子与转子装配后，21.两者的中心线方向致。

　　1.2振动片的受力分析下面分析两种结构振动片端部的受力情况，2.可以发现，两者均受到两个力即压力和摩擦力的作用。其中，分解出个垂直于振动片长度方向的力於，正是这个力诱导了振动片的弯曲振动。於是个具有周期性的力，因为在每个纵振动周期内，振动片与转子都接触次。显而易，它的周期等于纵振动的运动煳期。

　　通过对振动汴的受力分析可知。振动片的弯曲振动近似亍悬臂梁的弯曲振动141.由振动学的理论可知，当所施外力的频率与振动体的固有频率相等时，会引发振动体的共振，从而得到大的振动振幅。依此理论，在设计振动片时，使它的某阶固有频率与纵振动的频率相等。这样设计出来的振动片的弯曲振动，将是某阶固有频率下的共振振型。由悬臂梁的弯曲振动的振型公54得到前阶的振型曲线，3所石。

　　阶振型基本振型时，梁端部的挠曲大。所以，取阶固有频率为工作频率即纵振动2振动片的尺寸设计2.1厚度与长度尺寸的确定根据弹性振动理论分析，振动片可视为悬臂梁。其第阶固有频率为13宽度，是振动片的厚度。利用式可得振动片厚度与长度间的关系式为选种新喂的校儿钢作为振动几的村料，此2217.81051.，=20 2.2宽度尺寸的确定通过对式2的分析，可知振动片的宽度4影响谐振。所以设计振动片的宽度，主要考虑宽度对振动片弯曲刚度的影响，以及振动片端部与转接触而积的大小。振动片的截面惯量矩，决定其弯曲刚度。

　　越大，振动片的弯曲变形的能力越差，导致端部的挠曲变形越小，也就是横向振幅变小。从1句4可以看出，随沿宽度的增大，呈线性的增大。因此，为得到较大的横向振幅横向振幅越大。输出转速越大，对宽度4振动片宽度与截面惯量矩的关系振动片应力集中的根部疲劳，强度降低而易断裂。同时，它会减少振动片与转子的接触面积，削弱驱动力。宽度的选择是依据这两方面的考虑综合决定的。在文14中，振动片宽度为5打1爪，本文振动片的设计值以此为参考。

　　3振动片结构尺寸因素的实验研究振动片式超声波马达是通过振动片合成椭圆运动，再通过摩擦力推动转子运转的。所以，振动片的结构尺寸因素，对椭圆运动的合成输出转速与力，以及振动片的动态响应都有影响。

　　通过对不同条件下的振动片的比较实验，得到关于振动片的各种特性的资料。同时，对得到的资料进行分析对比，以便进行有针对性的优化设计。

　　3.1测试实验台频擎董鲁如1酵趣，鬼茳，领鼷嘴具压电换能器转子联轴器电源底座量，显超声波发生器的交变电信号的频率值。通过它可测得该实验中振动系统的共振频率。

　　乙遛转速转矩传感器与，1人型转速转矩仪连接，可测量出输出的转速与转矩数值大小。2 1型磁粉制动器是用来对转子加载，测试负载特性的。弹簧机构为调节预压力机构，通过它来改变振动片与转子间的预压力。支撑架与变幅杆位移节面处的凸缘厚度为5用螺栓连接。4盘的径设计为55.

　　3.2平行边形结构和楔形结构振动片的输出特生对比取相同的结构尺寸做比较，两种结构=1.0，6.55，6=5这两种结构的振动片有相同的固有频率，在实验台上测得实际的共振频率=17，9kt在输入电压为l45V 0寸，其输出转矩，转子转速和输出功率，即输出特性与预压力户的变化关系6所不。，线3，1分别为平行边形结构和模形结构振动片。输出功。幸沙=印，为接触点，粉制动器转转制簧弹以，扣叫的饨压力平行边形几的输出转速贤高于搜形片，但楔形片的输出转化比平行边形的大在输出功率方面，平行边形的较楔形片的大。在实验中还发现，平行边形片在较小的预压力下，就可以平稳的输出转速，且无滑擦声振动片与转盘面接触而产生转矩外，平行边形的其余输出特性优于楔形片。此外，振动片为平行边形结构的马达，其定，与转子中心线互相平行，易于装配且结构简单。因此，下面主要针对平行边形片的不同结构参数，进行对比实验。

　　3.3不同倾斜角平行边形振动片的输出特性对比分别取不同倾斜角，但其它结构尺寸相同的平行边形振动片做比较实验。在实验台上，测得实际的共振动频率=17.9在输入电压为145时，其输出特性与预压力户的变化又系，7所。中，=6.555，肌曲线3，1.倾斜角分别为6，4和2由可知，在相同的预压力下，片的输出转速大，但转矩小；2片的输出转矩大，但输出转速小；4片则介于两者中间由功率可以看出，角度越大的片，输出功率也越大。

　　在实验中还发现，角度较小的片需加较大的预压力，才能有稳定的速度输出，而角度较大的片只冗加较小财页压力篇存稳记的速度输另外龙实验也发现片在，高转速时龙行了几分钟后，便从根部断裂；而2片则运行稳定，无异常。

　　3.4不同厚度和长度的平行边形振动片的输出特性对比选取不同厚度和长度的平行边形振动片，进行对比实验。在实验台上，测得实验的共振频率为=17.91以在输入电压为145，时，分别测出4种不同厚度的振动片的输出特性与预压力的变化关系，8中倾斜角均为4，宽度为5曲线，的1和分别为0.5，4.63；75，5.67；1.0，655；1.2，7.18.由可以看出，在相同预B力，0.75nlm的厚度パ1邮命出转速，人，0.5tllnll度片与1.2tlln厚度片的输出转速比较小，1.，厚度片的介厂两片中间。中，0.51度片在很小的预玉力下，就达到了，大输1转速。1.2厚度1的1况类似，1它们的输出速度随顷化力的变化士圃很窄。比较磁1幽，4，厉，出较欠的是75厚度片和1度片，0.75，厚度片在大输出功率点处，其预力较小。

　　3.5不同宽度平行边形振动片的输出特性对比选取不同宽度的平行边形振动片，进行对比实验。在实验台上，测得实际的共振频率为=17.81在输入电压为145时，测试2种不同宽度的振动片，其输出特性与预压力的变化关系，如阁9.，仁，=6.分，曲线3，的宽度以1分别为7，5.实验中，3宽度几在稳定输出2，1左心，便从根部断裂。因此，没有，得，效的实验数据。对比7，宽度片和5，宽度片，在相同的预压力下，前者的输出转速小于后者。而且，前者需加较大的预压力，才能取得大转速。前者的输出转矩较大。5宽度片的输出功率比较大，且，得大功率输出对应的饨1力值比71宽度片的要小。31宽度在很小的预压力对比其它两宽度片下就有较大的输出转速40，1.。左右，且伴有较大的滑擦声。

　　4结论在相同的工作频率及畅入电压的条件下，通过对振动片输出特性的比较，可得出7点结论⑶在相同预压力下篇构尺寸与倾斜角相同的平行边形振动片宜输出转速与功率大楔形片。师斜。角，尺寸的边形姆片，触越大，观率也越大。2基于同频率设计的不同厚度与长度的平行边形振动片，其输出情况比较复沾。0.5酬12，厚度片的输出较低，0.乃51.，厚度片的输出较速比较高。可以看出，输出转速并不单纯地随厚度与长度的增加而增大，而是在定范围内，其先随厚度与长度的增大而增大，随后又降低。3所有的振动片当输出转速增大时，输出转矩都会减小。

　　4倾斜角小的振动片，会得到更大的输出转矩。5振动片的厚度或者宽度值增大，都会得到更大的输出转矩。6预压力是产生输出必不可少的条件之。7输出功率取决输出转速与转矩的大小。通过实验资料的计算分析，转速对输出功率的影响较大。

　　1城尚志，指田年生著。超音波乇夕入门。东京综合电子出版社，1993.998 2指田年生著。超音波驱动乇幻试作。应用物理，1985，51713720 3石菊荣。振动片式超声波马达的理论与实验研究1学位论文。泉州华侨大学机电工程系，1999.4 4徐方迁，程存弟，贺西平。超声马达振动片的理论与设计。声学学报，1995，203199205 5杨桂通，张善元。弹性动力学。北京中国铁道出版社，1988.3219 6洪尚任。超声波马达。自动化仪，1996，17102529