汽車摩擦材料比重測量儀

朱亞雄 田翔

摘要：汽車摩擦材料比重測量儀在摩擦材料生產質量監控和材料配方開發中是不可缺少的重要儀器。測量儀在表面活性劑的蒸餾水密度的條件下，根據浮力定律能夠測量出汽車摩擦材料的比重，特別是多種不同材料結合為一體時，若已知第一種材料的比重和重量，能夠自動測量出其它混合材料的重量及比重，并能夠自動進行溫度補償、計算、打印測量結果和測量環境條件等。

關鍵詞：汽車摩擦材料;比重;自動測量

1測量基本原理

單質固體材料的平均密度，將物體浸沒于靜止液體中后的平均密度為式中為物體在空氣中的重量（g）;為浸入液體后物體的重量（g）;為靜止的液體密度（g/cm？）;V為物體的體積（cm？）。

通常選用蒸餾水作為測量液體，因為蒸餾水體積膨脹系數小，成本低。對蒸餾水的密度研究也比其它液體更為透徹。由于水的密度與溫度有關，所以實際測量時，還應同時測量水溫，以便測得水的實際密度。另外，加入少量的表面活性劑能夠清除固體浸入水中時表面產生的氣泡。

當兩種不同的固體材料膠結在一起時，已知第一種材料的重量及比重，若忽略材料的影響，可近似測量出第二種材料的密度。

設兩種不同材料分別為材料A和材料B，則，。兩種材料復合后的平均密度為式中為不同水溫時水的密度（g/cm？）;、分別為材料A、材料B在空氣的重量（g）;、分別為材料A、材料B在水中的重量（g）;為復合材料在空氣中的重量（g）;為復合材料在水中的重量（g）。

如果復合材料中，已知材料A的質量和平均密度，就可以測量計算出材料B的平均密度。

2 汽車摩擦材料比重測量儀結構及電路原理

汽車摩擦材料比重測量儀主要由高精度電子稱、精密運算電路、放大及單片機系統組成。將試件用不吸水的細絲線吊于稱重傳感器之下，水槽由直流伺服電機、機械螺旋機構帶動自動上升，將試件浸入水中，單片機系統完成對稱重數據及溫度數據的采集計算，直流伺服電機的控制，打印機的控制等，它是整機的核心。其中稱重傳感器的最大量程為500g，稱重放大器分為4檔，分別為500g、200g、100g及50g。最小分辨率為0.01g。整個測量過程由單片機自動完成，并自動打印測試結果（包括：試件在空氣中的質量、試件在水中的質量、測試液體溫度、試件比重、測試日期、試件編號等）。

3摩擦材料的分類

汽車制動用摩擦材料的種類繁多，按照其發展歷程可分為兩大類：石棉摩擦材料和無石棉摩擦材料。按照材料材質的類型可分為3大類：樹脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳復合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料。

3.1樹脂基摩擦材料

樹脂基摩擦材料是指采用樹脂為黏結劑的摩擦材料，根據其主體摩擦組元的種類不同，又包括石棉摩擦材料、無石棉摩擦材料、紙基摩擦材料和碳基摩擦材料等。石棉摩擦材料是采用石棉纖維添加適量填料，以樹脂為黏結劑，采用熱壓工藝制成的摩擦材料。無石棉摩擦材料是采用其他纖維如金屬纖維、植物纖維和合成纖維等替代石棉材料制成的摩擦材料。而紙基摩擦材料是以紙漿為基體，添加適量的填料，以樹脂為黏結劑，采用造紙和熱壓工藝制造而成。為此，不同樹脂基摩擦材料除基體組成不一致外，其使用條件和性能具有相似性。

石棉纖維是較早作為增強劑應用摩擦材料的纖維材料，由于其具有熱穩定性好，價格低，機械性能優良，與樹脂基體匹配良好等特點，廣泛應用于摩擦材料增強領域。近年來，經研究由于石棉傳熱性能差，使摩擦熱不易迅速散發，加重了材料的磨損，并且石棉纖維在400℃左右將失去結晶水，在550℃時全部失去結晶水，失去了增強效果，不僅摩擦性能大幅度的降低，而且在制動過程中產生的石棉磨屑顆粒粉塵，具有強烈的致癌作用。所以在70年代起，許多國家開始就開始禁止生產使用石棉纖維制品。

20世紀70年代由美國本迪克斯公司研制出無石棉摩擦材料，它除了綠色環保外，且在制動耐熱性、穩定性方面去的了較大的提高。并在替代石棉纖維的過程中發展了半金屬摩擦材料（采用金屬纖維替代石棉纖維，金屬含量超過50%）、玻璃纖維增強摩擦材料和芳綸纖維增強摩擦材料等多種無石棉摩擦材料。但到目前為止，任何一種增強纖維的綜合性價比都沒有石棉的性能優良，為此，對于無石棉摩擦材料的研制仍是摩擦材料的研究熱點之一。

3.2粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料以金屬粉末為基體，添加適量的潤滑組元和摩擦組分，采用粉末冶金工藝制造而成。用粉末冶金生產的鐵基、銅基金屬陶瓷摩擦材料，可用于較高的使用溫度，很大程度上解決了高溫摩擦系數熱衰退和熱磨損問題，使剎車裝置的設計和使用獲得了較大的延伸。但是其價格高、制造工藝復雜、制動噪音大、脆性大以及對偶件的擦傷和磨損大等缺點，制約了它不能在汽車尤其是轎車制動器上獲得廣泛應用，只能應用在坦克、航空、船舶、重載卡車、高速列車以及其他高速高載荷運動部件的制動器中。

為了降低成本，各國紛紛研究開發鐵基粉末冶金摩擦材料并致力解決對偶件磨損大的問題。美國專利4415363和歐洲專利E P0093673A提供了美國Bendix公司將鐵基摩擦材料專用于盤式制動器并成功地解決與鑄鐵不相容的問題。另一項研究對銅-鐵基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨損特性進行了詳細探討。因此，對粉末冶金摩擦材料的研究工作，應主要集中在對其缺點方而的研究和改進工作。

3.3C/C復合摩擦材料

C/C復合摩擦材料是以碳纖維（或碳布）為基體采用反復致密化和碳化工藝獲得的高性能摩擦材料。它的摩擦性能十分優異，密度低（僅為鋼的1/4）;能載水平高，具有比粉末冶金材料、鋼材高得多的熱容量;熱強度高;無變形、粘結的現象，工作溫度可達2200℃;摩擦磨損性能良好，使用壽命長，在剎車過程中其摩擦系數穩定適中。C/C復合摩擦材料最早是在20世紀70年代研制的，主要應用于飛機剎車片。在高溫條件下由于其質量輕、能載高、耐高溫能量強、使用壽命長等特點，一經出現，便迅速得到推廣應用。

C/C復合摩擦材料具有良好的熱穩定性、耐磨損性、導電性、比強度、比彈性率等。但是C/C復合摩擦材料也存在著以下缺點：摩擦系數不穩定，受濕度的影響很大;抗氧化性能差（在空氣中500℃以上發生嚴重氧化），對環境（干燥、干凈）的要求較高;單次剎車成本高，限定在特殊領域范圍內應用，不易大范圍推廣，目前其他高性能剎車材料在高能制動領域依然占有主導地位。

3.4陶瓷基摩擦材料

陶瓷基剎車材料是指添加一定數量具有陶瓷性能氧化物并總體呈現出陶瓷性能的剎車材料。陶瓷基剎車材料結合了粉末冶金剎車材料的高溫燒結和C/C復合剎車材料的低密度和耐高溫性能，同時克服了C/C復合剎車材料高溫氧化的缺點，無論在低溫還是高溫都能保持良好的制動效果，減少磨損，降低噪音;通常具有高熱容量、低磨損率以及抗熱沖擊的特點，而且具有較高的摩擦系數，在干摩擦條件下，陶瓷/金屬配副的摩擦系數一般在0.4-1.0之間。

在摩擦學領域中，基于陶瓷的這些性能特點，人們很早對它的應用做出了研究。由于陶瓷的容易斷裂制約了它的應用，但陶瓷基體經纖維或晶須增強后，不僅強度提高，而且韌性大大上升，為它在其他領域的廣泛應用提供了保證，并逐漸在高速列車、重載汽車等條件下獲得應用。目前陶瓷基復合摩擦材料的研究重點是采用借助部分粉末冶金工藝，研制出具有耐高溫、抗氧化、磨損少等綜合性能優良的剎車材料。C/C-SiC復合摩擦材料和A1203基摩擦材料成為國內外陶瓷基復合剎車材料的研究重點。因此，纖維增強陶瓷是陶瓷基復合材料中最有發展前景的。

4結語

由于汽車摩擦材料的形體是不規則的，因此很難準確計算出它的實際體積，其實際密度計算也就成了一個難題。汽車摩擦材料比重測量儀的設計方法，巧妙的解決了這一難題。它使用方便，設有不同的重量測量檔次，使精度更高，測量速度更快，汽車摩擦材料生產質量監控和摩擦材料配方開發的重要設備。它可以實現摩擦材料帶鋼背、不帶鋼背、總成、小樣等多種比重測量，同時也可以延伸到其它短時間內不吸水固體材料的比重測量。

參考文獻：

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