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1、引言

 

在轎車(chē)及卡車(chē)的變速箱中同步器是最重要的部件之一。對(duì)同步器系統(tǒng)的評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在同步性能、換檔力以及成本價(jià)格這三方面。在同步器系統(tǒng)中，高效的摩擦層將為提高同步器的性能起到了決定性的作用。本文就目前常用的幾種摩擦材料進(jìn)行了初步的探討。

 

2. 變速箱同步器以及摩擦系統(tǒng)

 

自汽車(chē)變速箱發(fā)明和使用以來(lái)，齒輪和傳動(dòng)軸之間的同步一直都是基于摩擦原理。1929年德國(guó)ZF公司就在一款4檔變速箱上采用多片摩擦片式同步器。1934年在其4檔變速箱上首次采用鎖環(huán)式同步器。變速箱的同步自在實(shí)際使用中推廣以來(lái)，其基本原理至今仍然沒(méi)有變化。我們知道，任何兩個(gè)相互獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)同步，必須要使兩個(gè)系統(tǒng)之間相互作用。機(jī)械摩擦是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)互相同步的簡(jiǎn)單而有效的方法。

 

較早使用同步器采用磨擦副為盤(pán)式的磨擦系統(tǒng)。其特點(diǎn)是摩擦面積較大，同步迅速。但其在變速箱內(nèi)需要的空間較大，不易布置。目前較多采用的是錐面摩擦的磨擦副。其特點(diǎn)是摩擦效率高，需要的空間小，容易實(shí)現(xiàn)。圖1為單錐面同步器的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

圖1：同步器實(shí)例。1 齒輪，2 同步錐，3 同步環(huán)，4 齒座，5 彈簧，6 球銷(xiāo)，7 滑塊，8 齒套。

 

對(duì)同步器的具體要求可以歸納如下：

 

Ø 在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)質(zhì)量加速或減速實(shí)現(xiàn)速度匹配，滑摩時(shí)間要短。

 

Ø 覆蓋的速度差范圍盡可能地大。

 

Ø 鎖止安全。在速度同步以前，齒套的滑動(dòng)要停止。

 

Ø 換檔后檔位聯(lián)接穩(wěn)固，動(dòng)力傳遞平穩(wěn)。不跳檔。

 

Ø 方便操作，換檔力小，換檔時(shí)間短，換檔手感清晰。

 

Ø 使用壽命長(zhǎng)。

 

Ø 抗超載，抗誤操作。

 

Ø 效率高，能量損失低，發(fā)熱小。

 

Ø 尺寸小，重量輕。

 

Ø 成本低。

 

摩擦副作為同步器的基本功能元件，對(duì)同步器性能的影響是至關(guān)重要的。

 

2.1 摩擦副對(duì)換檔性能的影響

 

圖2 錐面摩擦副

 

鎖環(huán)齒形的的幾何結(jié)構(gòu)以及摩擦錐面的錐角必須與摩擦副材料的摩擦水平相配合，以使整個(gè)滑動(dòng)過(guò)程中有足夠的鎖止力矩：

其中β為齒套和同步環(huán)上齒尖角的角度。

圖3 摩擦力矩和換檔力矩于摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。注意摩擦力矩相關(guān)的是摩擦副的動(dòng)摩擦系數(shù)，而換檔力矩相關(guān)的是齒套與同步環(huán)齒面尖角接觸的靜摩擦系數(shù)。上圖未分開(kāi)標(biāo)注。

 

圖3顯示，同步器鎖止安全的區(qū)域在摩擦系數(shù)高的一端。事實(shí)上，對(duì)于固定的錐角和齒型尖角，同步器必須滿(mǎn)足最小的摩擦系數(shù)條件。

 

為了確保同步器的鎖止安全性，需要摩擦元件具有高的動(dòng)摩擦系數(shù)。要獲得高的動(dòng)摩擦系數(shù)，必須使摩擦系統(tǒng)工作在邊界潤(rùn)滑的條件下。

 

邊界潤(rùn)滑(或邊界摩擦)是指一種摩擦行為，所有的摩擦元件被由化學(xué)反應(yīng)層(例如CuS)和潤(rùn)滑油添加劑的有極分子所組成的界面層分開(kāi)。界面層的厚度為納米級(jí)(0.5-10nm)。摩擦副界面層的形成要求快速地排除表面的油層。

 

現(xiàn)已有很多方法可用來(lái)有效的避免油層的形成。同步器系統(tǒng)中的摩擦元素則通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)特的油槽將液油層快速排除。

 

除了潤(rùn)滑劑外，摩擦材料自身的結(jié)構(gòu)及化學(xué)性質(zhì)也能對(duì)界面層產(chǎn)生巨大的影響。

 

下圖顯示了在界面層形成的過(guò)程中，金屬表面所起到的作用(圖4)：

 

圖4：影響界面形成的各種因素

 

 

2.2 同步器摩擦材料的技術(shù)要求

 

為了保證變速箱在整個(gè)工作壽命期間能充分發(fā)揮其作用，所采用的摩擦材料應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

 

- 高耐磨性。

 

- 對(duì)偶元件無(wú)磨蝕。

 

- 不受載荷與換檔次數(shù)(>200,000)影響的穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。

 

- 可應(yīng)付超載現(xiàn)象。

 

- 足夠的油兼容性。

 

在過(guò)去,同步器主要是采用兩種摩擦材料：一是用于轎車(chē)變速箱中的無(wú)鍍層的黃銅同步器，另一個(gè)則是用于卡車(chē)中的鉬基(0.5mm厚)鋼制同步器。

 

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率以及變速箱扭矩的的不斷提高，上述摩擦材料已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代變速箱的設(shè)計(jì)要求。性能更好，更經(jīng)濟(jì)的摩擦副應(yīng)運(yùn)而生。

 

3. 同步器摩擦材料

 

目前同步器中采用的摩擦材料主要有以下幾種：

 

- 噴灑燒結(jié)而成的銅基粉末冶金材料

 

由特殊的黃銅粉(SBP)和非金屬穩(wěn)定成分(C、Si等)組成。被燒結(jié)在單錐環(huán)或雙錐環(huán)的錐芯上。

 

- 鉬基薄層

 

由火焰噴涂在預(yù)成型的同步環(huán)上。

 

- 紙基材料

 

是一種含有強(qiáng)化塑料的纖維，且含有摩擦添加劑。

 

- 碳顆粒材料

 

凱夫拉材料的基底上沉積高耐磨的碳顆粒。

 

以上幾種摩擦材料在同步器中的使用也有較大的差異，下面我們?cè)趲讉€(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

 

3.1 同步器摩擦層的磨損特點(diǎn)

 

在正常工況下，銅基層和鉬基層具有好甚至非常好的耐磨性。而紙基同步器由于在高壓下紙基層易壓縮變形，所以允許磨損的范圍極小。碳顆粒材料則介于兩種情況之間。

 

3.2 對(duì)偶元件的磨損特點(diǎn)

 

實(shí)驗(yàn)證明，紙基或銅基對(duì)硬度達(dá)到60HRc的對(duì)偶錐無(wú)任何磨損。但鉬基同步器摩擦環(huán)卻被證明會(huì)對(duì)對(duì)偶錐造成磨損。

 

3.3 載荷極限

 

根據(jù)資料，銅基層具有紙基層或鉬基層所無(wú)法達(dá)到的高載荷極限。高熱導(dǎo)性、多孔性以及孔間油的高熱容量使得銅基摩擦表面溫度較低，從而保證了其具有高的載荷水平。當(dāng)傳動(dòng)軸與齒輪間的轉(zhuǎn)速差異較小時(shí)，鉬基層的載荷情況實(shí)際上與銅基層相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)(>10m/sec)，鉬基錐面的磨合點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

 

圖5：特殊黃銅，鉬基，紙基，碳顆粒和和銅基摩擦層之間最大載荷的對(duì)比。

 

3.4 摩擦性能的恒定性

 

在摩擦層及潤(rùn)滑劑所允許的熱容量范圍內(nèi)，碳顆粒和紙基層的摩擦效果近于完美。在相同的工況下，雖然銅基層的摩擦效果略有降低，但其摩擦性能依然相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定。而鉬基層的摩擦性能則在受表面變化影響時(shí)隨時(shí)間的變化明顯降低。

 

圖6：同步器摩擦層的摩擦系數(shù)特征

 

3.5 抗超載量能力(非正常工況特征)

 

極限測(cè)試在美國(guó)(通用)非常普遍。此項(xiàng)測(cè)試多是針對(duì)類(lèi)似賽車(chē)手這樣的駕駛員而設(shè)計(jì)的。

 

測(cè)試假定少數(shù)這類(lèi)駕駛員在離合器未脫開(kāi)(換檔桿處于空檔位置)的狀態(tài)下就推動(dòng)同步環(huán)，使其于同步錐結(jié)合;或者在離合器還未完全脫開(kāi)時(shí)換檔。

 

在以上兩種情況中，由于來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞沒(méi)有或只有部分中斷，因此同步器必須承載更多的能量?；诜钦２僮鳒y(cè)試是在高速狀態(tài)中進(jìn)行的，所以鉬基層和紙基層在使用中都相應(yīng)的產(chǎn)生了很大的問(wèn)題：鉬基層上會(huì)出現(xiàn)磨蝕，紙基層上則有熱過(guò)載現(xiàn)象發(fā)生(變成焦碳)。

 

對(duì)銅基摩擦層齒環(huán)的極限測(cè)試結(jié)果則是令人滿(mǎn)意。正是在這些測(cè)試后，銅基摩擦材料同步環(huán)才開(kāi)始了在汽車(chē)變速箱上大規(guī)模的使用。

 

試驗(yàn)參數(shù)如下例：

 

換檔力：50 lbs=281 N

 

傳動(dòng)比：7.5:1

 

軸向力：2109 N

 

換檔時(shí)間：2.5sec

 

同步環(huán)直徑：100 mm.

 

圖7：極限測(cè)試數(shù)據(jù)

 

圖8、9：幾種不同摩擦層的性能對(duì)比

 

所有相關(guān)研究表明，銅基層性和穩(wěn)定性能滿(mǎn)足所有對(duì)同步器的各種要求。而紙基摩擦層盡管也有著出色的摩擦性能及相應(yīng)的恒定性，但由于其耐磨性不夠，所以在歐洲未被用于轎車(chē)變速箱中。

 

碳顆粒材料作為新興的摩擦材料選擇，其性能和穩(wěn)定性能滿(mǎn)足所有對(duì)同步器的各種要求。

 

4. 潤(rùn)滑劑的影響-同步器摩擦副的油兼容性

 

據(jù)研究表明，銅基、碳顆粒，紙基、鉬基層對(duì)油的敏感度很高，對(duì)FM-、AW-和EP-這類(lèi)能夠改善潤(rùn)滑油摩擦性能的添加劑則更加敏感。根據(jù)文獻(xiàn)資料中的相關(guān)內(nèi)容，現(xiàn)就這類(lèi)添加劑描述如下：

 

4.1 摩擦調(diào)節(jié)劑(FM)

 

帶有極性原子團(tuán)的有機(jī)化合物被證明對(duì)金屬有著很好的附著力，因此被用來(lái)做成摩擦調(diào)節(jié)劑(例如硬脂酸)。極性分子被金屬表面吸附后形成隔離層，使摩擦面之間沒(méi)有直接的接觸。FM能夠降低靜摩擦系數(shù)。

4.2 脫垢劑/分散劑

 

使用脫垢劑是用來(lái)保證摩擦層表面無(wú)沉淀物(裂解的油分子)，并使它們始終保持懸浮狀態(tài)。脫垢劑的脫垢作用以及其活性耐久性只對(duì)摩擦層的摩擦性能起到次要影響。脫垢劑脫垢作用的降低會(huì)導(dǎo)致裂解的油分子堵塞摩擦層表面的空隙，最終降低摩擦層的摩擦系數(shù)。

 

4.3 高壓添加劑(磨損抑制劑)—EP

 

根據(jù)不同的反應(yīng)特征可將EP-添加劑分為兩組：

 

a) 硫/磷系添加劑(有時(shí)采用氯)

 

這種添加劑通過(guò)與摩擦材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而形成在物理、化學(xué)性質(zhì)上都具有高度穩(wěn)定性的反應(yīng)層(例如FeS、CuS)。在高摩擦負(fù)荷下，反應(yīng)層會(huì)在不斷的磨耗之后重新更新。由此可見(jiàn)，這種添加劑所對(duì)摩擦層產(chǎn)生一種化學(xué)磨損。

 

b) 二硫代磷酸鋅或二硫代磷酸鉛(較少使用)構(gòu)成的“自主的”、具有吸附性的反應(yīng)層。這種反應(yīng)層不受摩擦材料的影響。因此，可獨(dú)立應(yīng)用于摩擦副的化學(xué)反應(yīng)中，且不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)磨損。

 

在重負(fù)荷的同步器中磨損抑制劑的使用也起著重要的意義。高負(fù)荷下伴隨著磨損、磨蝕的增加，摩擦副的摩擦性能也趨于不穩(wěn)定。

 

隨著溫度的升高和添加劑濃度的增加，EP-添加劑對(duì)摩擦性能的影響也不斷增加。

 

為了保證同步器足夠的耐用性，即使是性能優(yōu)良的變速箱油的同時(shí)，對(duì)摩擦材料自身的改進(jìn)也是必不可少的的。

 

5. 總結(jié)

 

從轎車(chē)到拖拉機(jī)幾乎所有的車(chē)輛使用的馬力不斷增加,由此離合器和變速箱的扭矩相應(yīng)增加。同時(shí)人們又要求變速箱換檔更輕盈、更舒適，并且尺寸更小。因此人們必須對(duì)同步器系統(tǒng)提出新的解決方案。

 

提高同步器承載性的最有效的辦法是：

 

- 使用性能更好的摩擦材料，如燒結(jié)銅或碳顆粒材料。

 

- 使用多錐面的同步系統(tǒng)。

 

潤(rùn)滑劑對(duì)同步系統(tǒng)性能的影響則須根據(jù)具體的應(yīng)用條件具體分析。