1、引言

 

在轿车及卡车的变速箱中同步器是最重要的部件之一。对同步器系统的评价主要体现在同步性能、换档力以及成本价格这三方面。在同步器系统中，高效的摩擦层将为提高同步器的性能起到了决定性的作用。本文就目前常用的几种摩擦材料进行了初步的探讨。

 

2. 变速箱同步器以及摩擦系统

 

自汽车变速箱发明和使用以来，齿轮和传动轴之间的同步一直都是基于摩擦原理。1929年德国ZF公司就在一款4档变速箱上采用多片摩擦片式同步器。1934年在其4档变速箱上首次采用锁环式同步器。变速箱的同步自在实际使用中推广以来，其基本原理至今仍然没有变化。我们知道，任何两个相互独立转动的系统要实现同步，必须要使两个系统之间相互作用。机械摩擦是实现两个转动系统互相同步的简单而有效的方法。

 

较早使用同步器采用磨擦副为盘式的磨擦系统。其特点是摩擦面积较大，同步迅速。但其在变速箱内需要的空间较大，不易布置。目前较多采用的是锥面摩擦的磨擦副。其特点是摩擦效率高，需要的空间小，容易实现。图1为单锥面同步器的一个设计实例。

图1：同步器实例。1 齿轮，2 同步锥，3 同步环，4 齿座，5 弹簧，6 球销，7 滑块，8 齿套。

 

对同步器的具体要求可以归纳如下：

 

Ø 在较短的时间内对质量加速或减速实现速度匹配，滑摩时间要短。

 

Ø 覆盖的速度差范围尽可能地大。

 

Ø 锁止安全。在速度同步以前，齿套的滑动要停止。

 

Ø 换档后档位联接稳固，动力传递平稳。不跳档。

 

Ø 方便操作，换档力小，换档时间短，换档手感清晰。

 

Ø 使用寿命长。

 

Ø 抗超载，抗误操作。

 

Ø 效率高，能量损失低，发热小。

 

Ø 尺寸小，重量轻。

 

Ø 成本低。

 

摩擦副作为同步器的基本功能元件，对同步器性能的影响是至关重要的。

 

2.1 摩擦副对换档性能的影响

 

图2 锥面摩擦副

 

锁环齿形的的几何结构以及摩擦锥面的锥角必须与摩擦副材料的摩擦水平相配合，以使整个滑动过程中有足够的锁止力矩：

其中β为齿套和同步环上齿尖角的角度。

图3 摩擦力矩和换档力矩于摩擦系数之间的关系。注意摩擦力矩相关的是摩擦副的动摩擦系数，而换档力矩相关的是齿套与同步环齿面尖角接触的静摩擦系数。上图未分开标注。

 

图3显示，同步器锁止安全的区域在摩擦系数高的一端。事实上，对于固定的锥角和齿型尖角，同步器必须满足最小的摩擦系数条件。

 

为了确保同步器的锁止安全性，需要摩擦元件具有高的动摩擦系数。要获得高的动摩擦系数，必须使摩擦系统工作在边界润滑的条件下。

 

边界润滑(或边界摩擦)是指一种摩擦行为，所有的摩擦元件被由化学反应层(例如CuS)和润滑油添加剂的有极分子所组成的界面层分开。界面层的厚度为纳米级(0.5-10nm)。摩擦副界面层的形成要求快速地排除表面的油层。

 

现已有很多方法可用来有效的避免油层的形成。同步器系统中的摩擦元素则通过设计独特的油槽将液油层快速排除。

 

除了润滑剂外，摩擦材料自身的结构及化学性质也能对界面层产生巨大的影响。

 

下图显示了在界面层形成的过程中，金属表面所起到的作用(图4)：

 

图4：影响界面形成的各种因素

 

 

2.2 同步器摩擦材料的技术要求

 

为了保证变速箱在整个工作寿命期间能充分发挥其作用，所采用的摩擦材料应具备以下特点：

 

- 高耐磨性。

 

- 对偶元件无磨蚀。

 

- 不受载荷与换档次数(>200,000)影响的稳定的摩擦系数。

 

- 可应付超载现象。

 

- 足够的油兼容性。

 

在过去,同步器主要是采用两种摩擦材料：一是用于轿车变速箱中的无镀层的黄铜同步器，另一个则是用于卡车中的钼基(0.5mm厚)钢制同步器。

 

随着发动机输出功率以及变速箱扭矩的的不断提高，上述摩擦材料已不能满足现代变速箱的设计要求。性能更好，更经济的摩擦副应运而生。

 

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几种：

 

- 喷洒烧结而成的铜基粉末冶金材料

 

由特殊的黄铜粉(SBP)和非金属稳定成分(C、Si等)组成。被烧结在单锥环或双锥环的锥芯上。

 

- 钼基薄层

 

由火焰喷涂在预成型的同步环上。

 

- 纸基材料

 

是一种含有强化塑料的纤维，且含有摩擦添加剂。

 

- 碳颗粒材料

 

凯夫拉材料的基底上沉积高耐磨的碳颗粒。

 

以上几种摩擦材料在同步器中的使用也有较大的差异，下面我们在几个方面进行对比。

 

3.1 同步器摩擦层的磨损特点

 

在正常工况下，铜基层和钼基层具有好甚至非常好的耐磨性。而纸基同步器由于在高压下纸基层易压缩变形，所以允许磨损的范围极小。碳颗粒材料则介于两种情况之间。

 

3.2 对偶元件的磨损特点

 

实验证明，纸基或铜基对硬度达到60HRc的对偶锥无任何磨损。但钼基同步器摩擦环却被证明会对对偶锥造成磨损。

 

3.3 载荷极限

 

根据资料，铜基层具有纸基层或钼基层所无法达到的高载荷极限。高热导性、多孔性以及孔间油的高热容量使得铜基摩擦表面温度较低，从而保证了其具有高的载荷水平。当传动轴与齿轮间的转速差异较小时，钼基层的载荷情况实际上与铜基层相同。当转速较高时(>10m/sec)，钼基锥面的磨合点会出现明显的热效应现象。

 

图5：特殊黄铜，钼基，纸基，碳颗粒和和铜基摩擦层之间最大载荷的对比。

 

3.4 摩擦性能的恒定性

 

在摩擦层及润滑剂所允许的热容量范围内，碳颗粒和纸基层的摩擦效果近于完美。在相同的工况下，虽然铜基层的摩擦效果略有降低，但其摩擦性能依然相当的稳定。而钼基层的摩擦性能则在受表面变化影响时随时间的变化明显降低。

 

图6：同步器摩擦层的摩擦系数特征

 

3.5 抗超载量能力(非正常工况特征)

 

极限测试在美国(通用)非常普遍。此项测试多是针对类似赛车手这样的驾驶员而设计的。

 

测试假定少数这类驾驶员在离合器未脱开(换档杆处于空档位置)的状态下就推动同步环，使其于同步锥结合;或者在离合器还未完全脱开时换档。

 

在以上两种情况中，由于来自发动机的动力传递没有或只有部分中断，因此同步器必须承载更多的能量。基于非正常操作测试是在高速状态中进行的，所以钼基层和纸基层在使用中都相应的产生了很大的问题：钼基层上会出现磨蚀，纸基层上则有热过载现象发生(变成焦碳)。

 

对铜基摩擦层齿环的极限测试结果则是令人满意。正是在这些测试后，铜基摩擦材料同步环才开始了在汽车变速箱上大规模的使用。

 

试验参数如下例：

 

换档力：50 lbs=281 N

 

传动比：7.5:1

 

轴向力：2109 N

 

换档时间：2.5sec

 

同步环直径：100 mm.

 

图7：极限测试数据

 

图8、9：几种不同摩擦层的性能对比

 

所有相关研究表明，铜基层性和稳定性能满足所有对同步器的各种要求。而纸基摩擦层尽管也有着出色的摩擦性能及相应的恒定性，但由于其耐磨性不够，所以在欧洲未被用于轿车变速箱中。

 

碳颗粒材料作为新兴的摩擦材料选择，其性能和稳定性能满足所有对同步器的各种要求。

 

4. 润滑剂的影响-同步器摩擦副的油兼容性

 

据研究表明，铜基、碳颗粒，纸基、钼基层对油的敏感度很高，对FM-、AW-和EP-这类能够改善润滑油摩擦性能的添加剂则更加敏感。根据文献资料中的相关内容，现就这类添加剂描述如下：

 

4.1 摩擦调节剂(FM)

 

带有极性原子团的有机化合物被证明对金属有着很好的附着力，因此被用来做成摩擦调节剂(例如硬脂酸)。极性分子被金属表面吸附后形成隔离层，使摩擦面之间没有直接的接触。FM能够降低静摩擦系数。

4.2 脱垢剂/分散剂

 

使用脱垢剂是用来保证摩擦层表面无沉淀物(裂解的油分子)，并使它们始终保持悬浮状态。脱垢剂的脱垢作用以及其活性耐久性只对摩擦层的摩擦性能起到次要影响。脱垢剂脱垢作用的降低会导致裂解的油分子堵塞摩擦层表面的空隙，最终降低摩擦层的摩擦系数。

 

4.3 高压添加剂(磨损抑制剂)—EP

 

根据不同的反应特征可将EP-添加剂分为两组：

 

a) 硫/磷系添加剂(有时采用氯)

 

这种添加剂通过与摩擦材料产生化学反应进而形成在物理、化学性质上都具有高度稳定性的反应层(例如FeS、CuS)。在高摩擦负荷下，反应层会在不断的磨耗之后重新更新。由此可见，这种添加剂所对摩擦层产生一种化学磨损。

 

b) 二硫代磷酸锌或二硫代磷酸铅(较少使用)构成的“自主的”、具有吸附性的反应层。这种反应层不受摩擦材料的影响。因此，可独立应用于摩擦副的化学反应中，且不会产生化学磨损。

 

在重负荷的同步器中磨损抑制剂的使用也起着重要的意义。高负荷下伴随着磨损、磨蚀的增加，摩擦副的摩擦性能也趋于不稳定。

 

随着温度的升高和添加剂浓度的增加，EP-添加剂对摩擦性能的影响也不断增加。

 

为了保证同步器足够的耐用性，即使是性能优良的变速箱油的同时，对摩擦材料自身的改进也是必不可少的的。

 

5. 总结

 

从轿车到拖拉机几乎所有的车辆使用的马力不断增加,由此离合器和变速箱的扭矩相应增加。同时人们又要求变速箱换档更轻盈、更舒适，并且尺寸更小。因此人们必须对同步器系统提出新的解决方案。

 

提高同步器承载性的最有效的办法是：

 

- 使用性能更好的摩擦材料，如烧结铜或碳颗粒材料。

 

- 使用多锥面的同步系统。

 

润滑剂对同步系统性能的影响则须根据具体的应用条件具体分析。