王 翔，菅 磊，陳 超，王均山

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

圓盤型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)是目前較成熟的一種超聲電機(jī)，在某些特殊領(lǐng)域有著傳統(tǒng)電磁電機(jī)不可比擬的作用。由于超聲電機(jī)具有響應(yīng)快，位置和速度控制性好，不受外界磁場(chǎng)干擾等優(yōu)勢(shì)[1]，在制導(dǎo)彈藥舵機(jī)平臺(tái)上有著很好的應(yīng)用潛力。通常，聲管發(fā)射的彈丸在發(fā)射時(shí)內(nèi)彈道會(huì)產(chǎn)生超高過載及其外彈道時(shí)間較短[2]，彈載用超聲電機(jī)圓盤式結(jié)構(gòu)面臨著高過載環(huán)境下可靠性的問題。超聲電機(jī)預(yù)壓力的施加部件——碟簧和轉(zhuǎn)子本身的剛度等特性在強(qiáng)沖擊過載下很大概率會(huì)受到影響而改變，同時(shí)，制導(dǎo)彈藥等裝備有長(zhǎng)達(dá)10年以上的存儲(chǔ)性要求。上述苛刻的工作環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致超聲電機(jī)預(yù)壓力施加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際預(yù)壓力有一定的變化，這對(duì)敏感于定、轉(zhuǎn)子間接觸壓力的超聲電機(jī)輸出性能有決定性的影響[3]。因此，保持超聲電機(jī)預(yù)壓力在特殊環(huán)境下維持恒定對(duì)超聲電機(jī)的正常工作和穩(wěn)定輸出有著重要意義。

針對(duì)超聲電機(jī)在高過載環(huán)境下的研究成果較有限。陳超等[4]建立圓盤型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)在8 000g(g=9.8 m/s)沖擊載荷下的有限元模型，利用LS-DYNA仿真高過載環(huán)境下超聲電機(jī)的瞬態(tài)過程，分析了超聲電機(jī)定、轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷的應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，測(cè)試了受到不同大小過載后電機(jī)的機(jī)械性能。孫棟等[5]分析了超聲電機(jī)關(guān)鍵部件在沖擊載荷下存在的失效模式，得出預(yù)緊力機(jī)構(gòu)是最易被損壞的部件。石云波等[6]設(shè)計(jì)一種彈性金屬框架對(duì)基于d33結(jié)構(gòu)的壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行預(yù)壓縮封裝，保證了壓電驅(qū)動(dòng)器具有較好的剛度和較高的抗過載能力。在超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子優(yōu)化方面，牛子杰等[7]提出基于響應(yīng)面模型和自適應(yīng)遺傳算法對(duì)中空型的超聲電機(jī)柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間接觸更均勻。蘇國(guó)兵等[8]設(shè)計(jì)了一種行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)錐柔性轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)錐柔性轉(zhuǎn)子相較于柔性轉(zhuǎn)子通過自身彈性變形更好地貼合在定子齒的表面，減少定、轉(zhuǎn)子間的相對(duì)滑移量，從而提高超聲電機(jī)的輸出效率。但是，針對(duì)轉(zhuǎn)子抗強(qiáng)沖擊過載且保持預(yù)壓力在一定位移載荷下恒定的研究較少，這方面設(shè)計(jì)對(duì)于超聲電機(jī)在高沖擊過載環(huán)境正常使用有著重要的實(shí)際意義。

本文提出一種預(yù)壓力受到?jīng)_擊后保持恒定的準(zhǔn)零剛度碟簧轉(zhuǎn)子，在借鑒準(zhǔn)零剛度開槽碟簧的設(shè)計(jì)思想[9]后，將施加預(yù)壓力的碟簧與柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)施加預(yù)壓力結(jié)構(gòu)的剛度可設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)，在確保柔性轉(zhuǎn)子具有準(zhǔn)零剛度特性的同時(shí)盡量減少質(zhì)量，不僅確保電機(jī)的輸出特性，也使電機(jī)轉(zhuǎn)子具有良好的抗過載性能。

1 高沖擊負(fù)載下超聲電機(jī)的力傳遞特點(diǎn)

圓盤式旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其關(guān)鍵部件包括壓電陶瓷、定子和轉(zhuǎn)子。目前電機(jī)采用柔性轉(zhuǎn)子可以減小定、轉(zhuǎn)子間徑向磨損，從而提高電機(jī)輸出效能[10]。通過在壓電陶瓷上輸入等幅、同頻率且相位差為/2的交流電，激發(fā)定子產(chǎn)生高頻微幅振動(dòng)，施加在轉(zhuǎn)子上的預(yù)壓力使定、轉(zhuǎn)子接觸產(chǎn)生摩擦力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 圓盤式旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)示意圖

超聲電機(jī)受到?jīng)_擊是由于兩種不同的安裝方式對(duì)應(yīng)兩種沖擊波的傳遞路徑：

1) 定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子加速方式(見圖2)。沖擊波通過基座傳遞給定子，再傳遞給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子對(duì)定子存在相應(yīng)的反向慣性力的作用。

2) 轉(zhuǎn)子推動(dòng)定子加速方式。沖擊方向和圖2相反，沖擊波通過外殼施加給轉(zhuǎn)子，再傳遞給定子，同樣定子對(duì)轉(zhuǎn)子也有反向慣性力的作用。針對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量較輕，定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子加速時(shí)轉(zhuǎn)子對(duì)定子的反向慣性力較小，所以，定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子加速的方式更有利。

圖2 定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子加速示意圖

超聲電機(jī)受到強(qiáng)沖擊過載時(shí)，其關(guān)鍵部件包括轉(zhuǎn)子、定子和壓電陶瓷可能會(huì)發(fā)生失效，其中任何一個(gè)部件的失效都可能會(huì)引起電機(jī)的故障。壓電陶瓷作為脆性材料，具有抗壓能力強(qiáng)而抗拉能力弱的材料力學(xué)性能。壓電陶瓷對(duì)于強(qiáng)沖擊過載的方向是敏感的，當(dāng)沖擊波由定子傳遞給轉(zhuǎn)子，壓電陶瓷的自由端面產(chǎn)生最大峰值的壓縮應(yīng)力，此時(shí)處于較安全的狀態(tài)。顯然，當(dāng)沖擊波由轉(zhuǎn)子傳遞給定子，壓電陶瓷的自由端面產(chǎn)生最大峰值的拉伸應(yīng)力，這時(shí)壓電陶瓷易損壞。這也進(jìn)一步地佐證超聲電機(jī)受到強(qiáng)沖擊時(shí)，定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子加速的方式對(duì)于電機(jī)結(jié)構(gòu)傳力更有利。

圖3、4分別為定子和轉(zhuǎn)子受到高沖擊下的應(yīng)力云圖。由圖3、4可知，對(duì)定、轉(zhuǎn)子在8 000g(g=9.8 m/s2)沖擊加速度沖擊載荷下進(jìn)行了應(yīng)力分析，定子的結(jié)構(gòu)剛度較大，產(chǎn)生的應(yīng)力峰值小于材料屈服應(yīng)力，未產(chǎn)生變形；而轉(zhuǎn)子的剛度較小，產(chǎn)生的應(yīng)力極值大于材料的屈服極限，腹板會(huì)產(chǎn)生永久的變形，從而影響定、轉(zhuǎn)子間的接觸，電機(jī)的性能受到影響，所以要對(duì)超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗過載的設(shè)計(jì)。

圖3 定子受到高沖擊下的應(yīng)力云圖

圖4 轉(zhuǎn)子受到高沖擊下的應(yīng)力云圖

2 非線性(準(zhǔn)零剛度)轉(zhuǎn)子的參數(shù)化設(shè)計(jì)

針對(duì)超聲電機(jī)預(yù)壓力受到強(qiáng)沖擊或長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存環(huán)境因素影響而發(fā)生改變，導(dǎo)致電機(jī)的輸出性能發(fā)生不確定的變化。需要設(shè)計(jì)一種非線性(準(zhǔn)零剛度)剛度轉(zhuǎn)子，使在一定的變形范圍內(nèi)保證電機(jī)的預(yù)壓力基本保持恒定。

通常，超聲電機(jī)為使轉(zhuǎn)子與定子的變形相匹配而采用柔性轉(zhuǎn)子。通過Workbench對(duì)40 mm柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行剛度分析，柔性轉(zhuǎn)子的剛度基本呈線性(見圖5(a))，當(dāng)轉(zhuǎn)子受到一定的沖擊位移，定、轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力變化較大，不能保證電機(jī)正常工作。借鑒碟簧變剛度的特性，將轉(zhuǎn)子的腹板傾斜一定的角度，其傾斜腹板轉(zhuǎn)子橫截面示意圖如圖6所示。圖中，R1為轉(zhuǎn)子外緣半徑，R2為下表面內(nèi)側(cè)半徑，R3為轉(zhuǎn)軸半徑，R4為內(nèi)支板半徑，R5為腹板半徑，R6、R7分別為工字型外緣到轉(zhuǎn)子中心軸距離半徑，H1為工字型外緣高度，H2～H4為工字型外緣距離，t1為內(nèi)支板厚度，t2為外側(cè)腹板厚度,t3為內(nèi)側(cè)腹板厚度，α為腹板傾斜角，β為腹板厚度變化角。對(duì)傾斜腹板轉(zhuǎn)子進(jìn)行剛度分析，由圖5(b)可知，轉(zhuǎn)子的剛度呈一定的非線性，但是準(zhǔn)零剛度的載荷達(dá)到250 N,遠(yuǎn)大于140 N。需要通過在轉(zhuǎn)子傾斜腹板上開不同形狀的槽以使轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)零剛度區(qū)域?qū)?yīng)的載荷在超聲電機(jī)正常工作預(yù)壓力140 N附近。

圖5 柔性轉(zhuǎn)子、傾斜腹板轉(zhuǎn)子位移-載荷關(guān)系曲線

圖6 傾斜腹板轉(zhuǎn)子截面結(jié)構(gòu)示意圖

在傾斜腹板轉(zhuǎn)子上開不同形狀的槽，通過參數(shù)化優(yōu)化，不同槽型的轉(zhuǎn)子最優(yōu)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)零剛度區(qū)域?qū)?yīng)的最佳載荷和準(zhǔn)零剛度段的長(zhǎng)度(準(zhǔn)零剛度段長(zhǎng)度為在超聲電機(jī)正常工作預(yù)壓力為(140±10) N，即130～150 N內(nèi)對(duì)應(yīng)碟簧轉(zhuǎn)子變形位移的長(zhǎng)度)，如表1所示。通過比較，輻條型槽腹板轉(zhuǎn)子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)零剛度段最長(zhǎng)，該槽型被選為轉(zhuǎn)子腹板開槽形狀的優(yōu)選槽型。

表1 不同槽型轉(zhuǎn)子最優(yōu)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)零剛度相關(guān)特性

為了提高轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度，采用60Si2MnA彈簧鋼材料，借鑒開槽碟簧的輻條型槽的設(shè)計(jì)思路，建立了碟簧轉(zhuǎn)子的有限元模型。圖7為轉(zhuǎn)子有限元模型及約束邊界條件。轉(zhuǎn)子內(nèi)徑舌片邊緣處為位移載荷施加區(qū)域，轉(zhuǎn)子的下表面為軸向方向固支狀態(tài)，通過施加不同的位移載荷，求解相對(duì)應(yīng)的支向反力，得出碟簧轉(zhuǎn)子的位移-載荷的關(guān)系。

圖7 碟簧轉(zhuǎn)子的有限元模型

實(shí)現(xiàn)碟簧轉(zhuǎn)子的剛度在載荷140 N附近呈現(xiàn)非線性(準(zhǔn)零剛度)段，需要通過對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化才能達(dá)到目的。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析

建立碟簧轉(zhuǎn)子的有限元模型后，對(duì)其進(jìn)行剛度分析。通過改變相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，直至最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，碟簧轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖8所示。圖中，D1為轉(zhuǎn)子外徑,d1為轉(zhuǎn)子內(nèi)徑,D2為腹板外徑,d2為齒根外徑,t為腹板厚度,c為齒槽寬,H為齒根自由高度,H0為轉(zhuǎn)子高度,m為齒數(shù)。

圖8 碟簧轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)示意圖

受到電機(jī)結(jié)構(gòu)工藝的限制，結(jié)構(gòu)參數(shù)D1、d1、D2不能改變，所以只需對(duì)c、t、m、d2、高厚比(H/t)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)。首先需要展開該碟簧轉(zhuǎn)子的最低剛度對(duì)應(yīng)載荷對(duì)這幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感度分析。采用解析法分析各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子最低剛度對(duì)應(yīng)載荷的靈敏度。定義靈敏度η：

(1)

式中：Pi(i取為m、c、t、d2、H/t)為結(jié)構(gòu)尺寸變量；FKl為最低剛度對(duì)應(yīng)的載荷；Δxi為施加位移的變化量；ΔFKl為Δxi所對(duì)應(yīng)FKl的變化量。轉(zhuǎn)子主要設(shè)計(jì)變量的靈敏度如圖9所示。

圖9 最低剛度載荷對(duì)結(jié)構(gòu)主要參數(shù)敏感度分析

由圖9可知,t、c、H/t對(duì)最低剛度載荷影響較大，改變這幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的尺寸，易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的剛度在預(yù)壓力140 N附近達(dá)到準(zhǔn)零剛度。因此，在優(yōu)化過程中將t、c、H/t定義為設(shè)計(jì)變量。

4 優(yōu)化模型

本文所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)零剛度轉(zhuǎn)子優(yōu)化為多目標(biāo)優(yōu)化問題，將準(zhǔn)零剛度作為主要優(yōu)化目標(biāo)，將其他次要優(yōu)化目標(biāo)作為邊界條件加以限制。優(yōu)化模型為

(2)

結(jié)合圖10的碟簧轉(zhuǎn)子的剛度曲線，定義式中D(P(c,t,H/t)p=150 N)(P為碟簧轉(zhuǎn)子軸向所受載荷)和D(P(c,t,H/t)p=130 N)分別為載荷150 N和130 N對(duì)應(yīng)的位移變形量，之間的差值ΔD即為準(zhǔn)零剛度區(qū)域長(zhǎng)度，當(dāng)foptimize為最小值時(shí)，則間接地表示在40 mm超聲電機(jī)最優(yōu)預(yù)壓力140 N附近準(zhǔn)零剛度段的長(zhǎng)度最大。

圖10 碟簧轉(zhuǎn)子剛度曲線

碟簧轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)零剛度的特性有至關(guān)重要的影響，H/t對(duì)碟簧轉(zhuǎn)子零剛度的存在有決定性影響，H/t的優(yōu)化范圍為

1.4

(3)

根據(jù)碟簧轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)之間參數(shù)的約束關(guān)系，由于工程需要，碟簧轉(zhuǎn)子的d2應(yīng)小于轉(zhuǎn)子的D2,c的大小不能小于線切割鉬絲的直徑，設(shè)定相關(guān)參數(shù)的變化范圍：

(4)

由超聲電機(jī)的力傳遞分析可知定子推動(dòng)轉(zhuǎn)子的方式更有利，需要轉(zhuǎn)子的質(zhì)量更小。通過降低轉(zhuǎn)子的質(zhì)量并保證其強(qiáng)度要求作為約束條件，對(duì)應(yīng)的參數(shù)分別為Smax和Mmax。具體的約束函數(shù)為

(5)

式中Morginal為TRUM40超聲電機(jī)圓盤式轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子采用60Si2MnA材料，其屈服強(qiáng)度σs=1 400～1 600 MPa。

結(jié)合式(2)～(5)可得出該碟簧轉(zhuǎn)子優(yōu)化的函數(shù)模型。

5 準(zhǔn)零剛度碟簧轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

通過APDL對(duì)碟簧轉(zhuǎn)子進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化程序流程如圖11所示，對(duì)轉(zhuǎn)子的初始結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行一系列的優(yōu)化步驟，最終得到參數(shù)優(yōu)化后的最優(yōu)解，具體結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。

圖11 碟簧轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化流程

D1/mm38.5H/mm0.94D2/mm35t/mm0.56d1/mm8c/mm0.8d2/mm26m/個(gè)12

優(yōu)化后碟簧轉(zhuǎn)子的位移-載荷關(guān)系如圖12所示。由圖可知，優(yōu)化后碟簧轉(zhuǎn)子的剛度在預(yù)壓力140 N附近存在準(zhǔn)零剛度段，ΔD達(dá)到0.6 mm。將加速度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的載荷，利用ANSYS的靜力學(xué)分析可知，圖13中的碟簧轉(zhuǎn)子在8 000g(g=9.8 m/s2)加速度對(duì)應(yīng)載荷下的最大應(yīng)力為1 300 MPa,小于60Si2MnA材料的σs，這說明該轉(zhuǎn)子能在大沖擊載荷的情況下使用。

圖12 優(yōu)化后碟簧轉(zhuǎn)子位移-載荷曲線

圖13 優(yōu)化后碟簧轉(zhuǎn)子受到高沖擊應(yīng)力云圖

6 碟簧轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)的輸出特性

通常超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子與軸有兩種連接方式:

1) 通過連接螺栓將轉(zhuǎn)子腹板與軸固連，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2) 將轉(zhuǎn)子的中心圓槽設(shè)計(jì)為方槽，既能保證轉(zhuǎn)子的周向旋轉(zhuǎn)又能保證轉(zhuǎn)子受到?jīng)_擊在軸向方向有一定的位移余量。

開槽碟簧轉(zhuǎn)子由于中心槽為齒槽型，將超聲電機(jī)的軸設(shè)計(jì)成如圖14所示。新設(shè)計(jì)的電機(jī)軸的齒和開槽碟簧轉(zhuǎn)子的齒槽存在一定的間隙誤差，一方面保證碟簧轉(zhuǎn)子齒槽與電機(jī)軸配合，不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子晃動(dòng)的現(xiàn)象；另一方面受到一定的沖擊轉(zhuǎn)子的齒在軸向有一定的位移變形。

圖14 與碟簧轉(zhuǎn)子配合的電機(jī)軸

對(duì)加工好的碟簧轉(zhuǎn)子進(jìn)行剛度特性的實(shí)驗(yàn)，選取高精度壓力傳感器的壓力測(cè)試機(jī)，測(cè)試碟簧轉(zhuǎn)子受軸向載荷的載荷-位移剛度特性曲線，圖15為加工好的碟簧轉(zhuǎn)子的實(shí)物圖和剛度壓力機(jī)測(cè)試裝置。利用試驗(yàn)裝置測(cè)得碟簧轉(zhuǎn)子的載荷-位移關(guān)系曲線，并與Workbench仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖16所示。

圖15 碟簧轉(zhuǎn)子實(shí)物及剛度壓力機(jī)測(cè)試裝置

圖16 碟簧轉(zhuǎn)子剛度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖16可知，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后加工的試驗(yàn)碟簧轉(zhuǎn)子的剛度在138 N附近達(dá)到準(zhǔn)零剛度值，準(zhǔn)零剛度段達(dá)0.6 mm,和仿真的結(jié)果基本吻合。

圖17為搭建的超聲電機(jī)輸出特性實(shí)驗(yàn)裝置，將裝配好碟簧轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)進(jìn)行輸出特性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。測(cè)得裝配碟簧轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速、最大扭矩及額定扭矩主要性能參數(shù)。

圖17 超聲電機(jī)輸出特性實(shí)驗(yàn)裝置

表3為碟簧轉(zhuǎn)子與柔性轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比。由表可知，裝配有碟簧轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)較之前的柔性轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)的輸出性能有小幅度的降低，可能是粘貼在碟簧轉(zhuǎn)子下表面的摩擦層寬度小于柔性轉(zhuǎn)子下表面的摩擦層寬度導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換量降低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和扭矩的降低，需要對(duì)碟簧轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化，使輸出性能達(dá)到最佳，圖18為柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)炮射導(dǎo)彈舵翼控制性能要求來說，目前設(shè)計(jì)的裝配有碟簧轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)可以滿足一定的輸出性能要求。

表3 碟簧轉(zhuǎn)子與柔性轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)性能參數(shù)對(duì)比

圖18 柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

7 結(jié)束語

本文提出了一種保持超聲電機(jī)預(yù)壓力基本恒定的非線性(準(zhǔn)零剛度)碟簧轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。分析了超聲電機(jī)受到不同方向沖擊載荷的力傳遞規(guī)律，提出了借鑒開槽碟簧的設(shè)計(jì)思想，將碟簧與轉(zhuǎn)子進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。建立碟簧轉(zhuǎn)子的有限元模型，對(duì)碟簧轉(zhuǎn)子的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行靈敏度的分析并建立優(yōu)化模型；對(duì)靈敏度大的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到碟簧轉(zhuǎn)子的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；對(duì)碟簧轉(zhuǎn)子的剛度進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析，并對(duì)裝配好的碟簧轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)進(jìn)行輸出特性的實(shí)驗(yàn)分析。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該碟簧轉(zhuǎn)子在預(yù)壓力140 N附近達(dá)到準(zhǔn)零剛度狀態(tài)，且準(zhǔn)零剛度區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到0.6 mm，說明在受到一定的沖擊位移能夠基本保持預(yù)壓力恒定；裝配有該碟簧轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)具有較好的輸出特性，能滿足炮射導(dǎo)彈舵機(jī)的需要。