汽车摩擦材料比重测量仪

朱亚雄 田翔

摘要：汽车摩擦材料比重测量仪在摩擦材料生产质量监控和材料配方开发中是不可缺少的重要仪器。测量仪在表面活性剂的蒸馏水密度的条件下，根据浮力定律能够测量出汽车摩擦材料的比重，特别是多种不同材料结合为一体时，若已知第一种材料的比重和重量，能够自动测量出其它混合材料的重量及比重，并能够自动进行温度补偿、计算、打印测量结果和测量环境条件等。

关键词：汽车摩擦材料;比重;自动测量

1测量基本原理

单质固体材料的平均密度，将物体浸没于静止液体中后的平均密度为式中为物体在空气中的重量（g）;为浸入液体后物体的重量（g）;为静止的液体密度（g/cm？）;V为物体的体积（cm？）。

通常选用蒸馏水作为测量液体，因为蒸馏水体积膨胀系数小，成本低。对蒸馏水的密度研究也比其它液体更为透彻。由于水的密度与温度有关，所以实际测量时，还应同时测量水温，以便测得水的实际密度。另外，加入少量的表面活性剂能够清除固体浸入水中时表面产生的气泡。

当两种不同的固体材料胶结在一起时，已知第一种材料的重量及比重，若忽略材料的影响，可近似测量出第二种材料的密度。

设两种不同材料分别为材料A和材料B，则，。两种材料复合后的平均密度为式中为不同水温时水的密度（g/cm？）;、分别为材料A、材料B在空气的重量（g）;、分别为材料A、材料B在水中的重量（g）;为复合材料在空气中的重量（g）;为复合材料在水中的重量（g）。

如果复合材料中，已知材料A的质量和平均密度，就可以测量计算出材料B的平均密度。

2 汽车摩擦材料比重测量仪结构及电路原理

汽车摩擦材料比重测量仪主要由高精度电子称、精密运算电路、放大及单片机系统组成。将试件用不吸水的细丝线吊于称重传感器之下，水槽由直流伺服電机、机械螺旋机构带动自动上升，将试件浸入水中，单片机系统完成对称重数据及温度数据的采集计算，直流伺服电机的控制，打印机的控制等，它是整机的核心。其中称重传感器的最大量程为500g，称重放大器分为4档，分别为500g、200g、100g及50g。最小分辨率为0.01g。整个测量过程由单片机自动完成，并自动打印测试结果（包括：试件在空气中的质量、试件在水中的质量、测试液体温度、试件比重、测试日期、试件编号等）。

3摩擦材料的分类

汽车制动用摩擦材料的种类繁多，按照其发展历程可分为两大类：石棉摩擦材料和无石棉摩擦材料。按照材料材质的类型可分为3大类：树脂基摩擦材料、粉末冶金摩擦材料、碳复合摩擦材料和陶瓷基摩擦材料。

3.1树脂基摩擦材料

树脂基摩擦材料是指采用树脂为黏结剂的摩擦材料，根据其主体摩擦组元的种类不同，又包括石棉摩擦材料、无石棉摩擦材料、纸基摩擦材料和碳基摩擦材料等。石棉摩擦材料是采用石棉纤维添加适量填料，以树脂为黏结剂，采用热压工艺制成的摩擦材料。无石棉摩擦材料是采用其他纤维如金属纤维、植物纤维和合成纤维等替代石棉材料制成的摩擦材料。而纸基摩擦材料是以纸浆为基体，添加适量的填料，以树脂为黏结剂，采用造纸和热压工艺制造而成。为此，不同树脂基摩擦材料除基体组成不一致外，其使用条件和性能具有相似性。

石棉纤维是较早作为增强剂应用摩擦材料的纤维材料，由于其具有热稳定性好，价格低，机械性能优良，与树脂基体匹配良好等特点，广泛应用于摩擦材料增强领域。近年来，经研究由于石棉传热性能差，使摩擦热不易迅速散发，加重了材料的磨损，并且石棉纤维在400℃左右将失去结晶水，在550℃时全部失去结晶水，失去了增强效果，不仅摩擦性能大幅度的降低，而且在制动过程中产生的石棉磨屑颗粒粉尘，具有强烈的致癌作用。所以在70年代起，许多国家开始就开始禁止生产使用石棉纤维制品。

20世纪70年代由美国本迪克斯公司研制出无石棉摩擦材料，它除了绿色环保外，且在制动耐热性、稳定性方面去的了较大的提高。并在替代石棉纤维的过程中发展了半金属摩擦材料（采用金属纤维替代石棉纤维，金属含量超过50%）、玻璃纤维增强摩擦材料和芳纶纤维增强摩擦材料等多种无石棉摩擦材料。但到目前为止，任何一种增强纤维的综合性价比都没有石棉的性能优良，为此，对于无石棉摩擦材料的研制仍是摩擦材料的研究热点之一。

3.2粉末冶金摩擦材料

粉末冶金摩擦材料以金属粉末为基体，添加适量的润滑组元和摩擦组分，采用粉末冶金工艺制造而成。用粉末冶金生产的铁基、铜基金属陶瓷摩擦材料，可用于较高的使用温度，很大程度上解决了高温摩擦系数热衰退和热磨损问题，使刹车装置的设计和使用获得了较大的延伸。但是其价格高、制造工艺复杂、制动噪音大、脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点，制约了它不能在汽车尤其是轿车制动器上获得广泛应用，只能应用在坦克、航空、船舶、重载卡车、高速列车以及其他高速高载荷运动部件的制动器中。

为了降低成本，各国纷纷研究开发铁基粉末冶金摩擦材料并致力解决对偶件磨损大的问题。美国专利4415363和欧洲专利E P0093673A提供了美国Bendix公司将铁基摩擦材料专用于盘式制动器并成功地解决与铸铁不相容的问题。另一项研究对铜-铁基粉末冶金摩擦材料的摩擦磨损特性进行了详细探讨。因此，对粉末冶金摩擦材料的研究工作，应主要集中在对其缺点方而的研究和改进工作。

3.3C/C复合摩擦材料

C/C复合摩擦材料是以碳纤维（或碳布）为基体采用反复致密化和碳化工艺获得的高性能摩擦材料。它的摩擦性能十分优异，密度低（仅为钢的1/4）;能载水平高，具有比粉末冶金材料、钢材高得多的热容量;热强度高;无变形、粘结的现象，工作温度可达2200℃;摩擦磨损性能良好，使用寿命长，在刹车过程中其摩擦系数稳定适中。C/C复合摩擦材料最早是在20世纪70年代研制的，主要应用于飞机刹车片。在高温条件下由于其质量轻、能载高、耐高温能量强、使用寿命长等特点，一经出现，便迅速得到推广应用。

C/C复合摩擦材料具有良好的热稳定性、耐磨损性、导电性、比强度、比弹性率等。但是C/C复合摩擦材料也存在着以下缺点：摩擦系数不稳定，受湿度的影响很大;抗氧化性能差（在空气中500℃以上发生严重氧化），对环境（干燥、干净）的要求较高;单次刹车成本高，限定在特殊领域范围内应用，不易大范围推广，目前其他高性能刹车材料在高能制动领域依然占有主导地位。

3.4陶瓷基摩擦材料

陶瓷基刹车材料是指添加一定数量具有陶瓷性能氧化物并总体呈现出陶瓷性能的刹车材料。陶瓷基刹车材料结合了粉末冶金刹车材料的高温烧结和C/C复合刹车材料的低密度和耐高温性能，同时克服了C/C复合刹车材料高温氧化的缺点，无论在低温还是高温都能保持良好的制动效果，减少磨损，降低噪音;通常具有高热容量、低磨损率以及抗热冲击的特点，而且具有较高的摩擦系数，在干摩擦条件下，陶瓷/金属配副的摩擦系数一般在0.4-1.0之间。

在摩擦学领域中，基于陶瓷的这些性能特点，人们很早对它的应用做出了研究。由于陶瓷的容易断裂制约了它的应用，但陶瓷基体经纤维或晶须增强后，不仅强度提高，而且韧性大大上升，为它在其他领域的广泛应用提供了保证，并逐渐在高速列车、重载汽车等条件下获得应用。目前陶瓷基复合摩擦材料的研究重点是采用借助部分粉末冶金工艺，研制出具有耐高温、抗氧化、磨损少等综合性能优良的刹车材料。C/C-SiC复合摩擦材料和A1203基摩擦材料成为国内外陶瓷基复合刹车材料的研究重点。因此，纤维增强陶瓷是陶瓷基复合材料中最有发展前景的。

4结语

由于汽车摩擦材料的形体是不规则的，因此很难准确计算出它的实际体积，其实际密度计算也就成了一个难题。汽车摩擦材料比重测量仪的设计方法，巧妙的解决了这一难题。它使用方便，设有不同的重量测量档次，使精度更高，测量速度更快，汽车摩擦材料生产质量监控和摩擦材料配方开发的重要设备。它可以实现摩擦材料带钢背、不带钢背、总成、小样等多种比重测量，同时也可以延伸到其它短时间内不吸水固体材料的比重测量。

参考文献：

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