李小娟

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司華中分公司

現(xiàn)代汽車駕駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)為車輛提供動(dòng)力，變速器通過(guò)改變來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩使車輛實(shí)現(xiàn)起步、加減速、倒車及爬坡等操作。

同步器是汽車變速器中的關(guān)鍵部件，對(duì)汽車的駕駛安全性及變速器換擋舒適性具有決定性作用，手動(dòng)變速器(Manual Transmission，MT)、機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)、雙離合變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)及部分電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速速器（EMT，Electricdrive Mechanical Transmission）中都含有同步器。

變速箱中同步器的作用是，在換擋過(guò)程中使兩個(gè)以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的部件在換擋力的作用下在較短時(shí)間內(nèi)完成摩擦同步。早期汽車變速器沒(méi)有同步機(jī)構(gòu)，換擋時(shí)齒輪在換擋力的作用下軸向運(yùn)動(dòng)，與旋轉(zhuǎn)的另一齒輪嚙合，由于待嚙合的齒輪存在轉(zhuǎn)速差，所以在嚙合時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲甚至斷齒。為避免換擋沖擊，汽車變速箱開始采用兩腳離合換擋，兩腳離合換擋對(duì)駕駛員的技術(shù)有很高要求，不能保證換擋時(shí)齒輪速度完全同步，嚴(yán)重影響了變速箱的性能及壽命[1]。為使變速箱換擋更可靠，1928年克萊斯勒公司將同步器應(yīng)用到變速器上，取代了兩腳離合換擋，使換擋操作更方便，有效減輕了駕駛員的操作復(fù)雜度。同步器逐步成為汽車變速器中的關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣影響著汽車的舒適性和穩(wěn)定性。隨著變速箱技術(shù)的發(fā)展，同步器結(jié)構(gòu)、參數(shù)不斷改進(jìn)，同步器材料也有新的發(fā)展，挖掘與同步器更相適應(yīng)的潤(rùn)滑技術(shù)，對(duì)于提升同步器性能和進(jìn)一步提高變速箱使用壽命具有重要意義。

同步器的結(jié)構(gòu)

同步器有常壓式、慣性式、自增力式、杠桿式及短行程式等形式。以應(yīng)用較為普遍的鎖環(huán)式慣性同步器為例，其主要由齒座（也稱花鍵轂）、滑動(dòng)齒套（也稱接合套）、同步環(huán)（也稱鎖環(huán)）及定位滑塊等組成（如圖1所示），應(yīng)用比較普遍。根據(jù)摩擦錐面的數(shù)量不同，鎖環(huán)式慣性同步器分為單錐面及多錐面同步器，常用的多錐面同步器主要有雙錐面和三錐面同步器，多錐面同步器摩擦力矩比單錐面大很多，能減輕換擋操作力，縮短同步時(shí)間加快換擋，目前雙錐面同步器在轎車及重型載貨汽車等變速箱上應(yīng)用廣泛，三錐面同步器在高檔輕卡、乘用車MT及DCT上得到廣泛應(yīng)用。

圖1 鎖環(huán)式慣性同步器結(jié)構(gòu)組成示意圖[2]

同步器的材料

為使同步器具備較好的換擋性能，同步器零件的質(zhì)量精度要高。目前同步器齒座大多釆用高強(qiáng)度粉末冶金鋼生產(chǎn)，滑動(dòng)齒套及齒輪采用鍛鋼生產(chǎn)，同步器滑塊采用粉末冶金材料制成[3]，同步環(huán)有銅合金齒環(huán)、鋼基齒環(huán)、球墨鑄鐵齒環(huán)及粉末冶金齒環(huán)，其中銅合金齒環(huán)價(jià)格低，性能較好，但基體強(qiáng)度和耐熱性較差，主要用于轎車和輕卡領(lǐng)域；鋼基齒環(huán)主要用于大噸位及大扭矩的載貨車；球墨鑄鐵齒環(huán)的綜合性能與鋼相近，機(jī)械性能比銅基齒環(huán)好，但沖擊韌性比銅合金差，含有石墨相具有自潤(rùn)滑作用，耐磨性好，使用壽命長(zhǎng)且生產(chǎn)成本低，適用于重型汽車和工程機(jī)械變速箱用大型齒環(huán)；粉末冶金齒環(huán)性價(jià)比高，且力學(xué)性能優(yōu)異，也逐漸發(fā)展起來(lái)[4，5]。

為使同步環(huán)具備更好的摩擦磨損及承載性能，同步環(huán)表面會(huì)附著一層摩擦材料，摩擦材料的摩擦系數(shù)及耐磨性對(duì)同步器的換擋性能及使用壽命具有重要影響。為改善同步器摩擦元件的性能，通常需根據(jù)同步器對(duì)耐磨損性、抗超載能力、極限載荷、導(dǎo)熱性及使用經(jīng)濟(jì)性等方面的要求選擇合適的摩擦材料。碳摩擦材料由于具備優(yōu)異的綜合性能，將會(huì)是同步器摩擦材料未來(lái)發(fā)展的重要方向，隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)水平的發(fā)展，碳摩擦材料會(huì)被廣泛應(yīng)用在各種車型上。不同同步環(huán)摩擦材料的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及應(yīng)用情況見(jiàn)表1[5～7]。

表1 不同同步環(huán)摩擦材料的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)及應(yīng)用情況

目前，同步器齒環(huán)工藝中主要的摩擦材料有四種，分別是銅螺紋、噴鉬、燒結(jié)銅及貼碳，其性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表2[8，9]。

表2 不同摩擦材料性能指標(biāo)對(duì)比

從表2可以看到，碳材料具有良好的承載性、耐磨性、摩擦穩(wěn)定性及油品的兼容性，隨著用戶對(duì)換檔性能要求逐步提高，碳材料同步環(huán)的應(yīng)用將日漸增加。

同步器對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求

潤(rùn)滑油性能對(duì)同步器摩擦特性的影響

同步器在工作過(guò)程中浸泡在盛油變速箱中與變速箱一起進(jìn)行潤(rùn)滑，為使同步器在工作過(guò)程中具有大而穩(wěn)定的摩擦系數(shù)能夠提供較大的摩擦同步力矩，使車輛具備良好的換擋舒適性，以及產(chǎn)生較小的磨損量使同步器具有較長(zhǎng)的使用壽命，變速箱油應(yīng)使同步器保持優(yōu)良的摩擦特性[10]。

潤(rùn)滑油對(duì)同步器摩擦特性的影響主要體現(xiàn)在兩方面：一是降低同步器摩擦副間的摩擦系數(shù)，同步器在工作中潤(rùn)滑油在同步器摩擦副間會(huì)形成有機(jī)分子界面層及化學(xué)反應(yīng)層，同時(shí)潤(rùn)滑油高溫氧化生成油泥等產(chǎn)物沉積在摩擦副表面，會(huì)降低摩擦系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，使摩擦力矩下降影響同步換擋；二是造成同步器磨損，潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中老化變質(zhì)，潤(rùn)滑及冷卻作用降低，在同步器工作時(shí)不能及時(shí)帶走摩擦副間的熱量，會(huì)使摩擦副表面產(chǎn)生微裂紋，加速摩擦材料的磨損，造成同步器出現(xiàn)換擋打齒現(xiàn)象[11]。對(duì)于潤(rùn)滑油性能對(duì)同步器摩擦特性的影響，國(guó)內(nèi)外研究人員做了較多研究。國(guó)外Maston[12]等人研究發(fā)現(xiàn)，同步器摩擦力矩受到潤(rùn)滑油與摩擦材料的聯(lián)合作用影響，潤(rùn)滑油的種類、溫度及摩擦材料的孔隙率等均會(huì)對(duì)同步器的摩擦特性產(chǎn)生影響。Boufft等人[13，14]研究表明潤(rùn)滑油的黏度等級(jí)以及摩擦改進(jìn)劑、分散劑等會(huì)影響同步器的摩擦特性。Abdel-Halim[15]等人通過(guò)分析同步器摩擦副間的摩擦系數(shù)，研究了齒輪油溫度對(duì)同步器的影響。國(guó)內(nèi)文昊等人采用WS2001變速箱同步器油品適應(yīng)性評(píng)定試驗(yàn)臺(tái)對(duì)同步器磨損失效過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在換擋過(guò)程中，隨著換擋次數(shù)的增加，油品若不能提供足夠強(qiáng)度的潤(rùn)滑油膜或化學(xué)膜會(huì)導(dǎo)致同步器摩擦副不斷磨損，進(jìn)而導(dǎo)致同步器失效[16]。楊宏偉等人對(duì)碳纖維同步環(huán)的抗過(guò)載性能及油品兼容性進(jìn)行了研究，將傳統(tǒng)摩擦材料與碳纖維摩擦材料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)碳纖維材料同步環(huán)初始摩擦系數(shù)高在工作過(guò)程中摩擦系數(shù)穩(wěn)定，且在不同油品環(huán)境下摩擦磨損特性可保持穩(wěn)定[9]。何大禮等人通過(guò)對(duì)行車試驗(yàn)中變速箱出現(xiàn)無(wú)法掛擋的原因進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油在高溫條件下氧化生成的油泥附著在同步環(huán)表面，會(huì)改變摩擦副材料本身固有的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速換擋[17]。

帶有同步器的變速箱對(duì)油品性能的要求

變速箱油品主要在齒輪和軸承的潤(rùn)滑保護(hù)、齒軸散熱保護(hù)及同步器摩擦特性方面對(duì)變速箱有影響，因此帶有同步器的變速箱油品除對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度、表觀黏度、剪切穩(wěn)定性、抗泡性、極壓抗磨性及材料兼容性等性能有要求外，還要具備良好的同步器保護(hù)性能。具體來(lái)說(shuō)同步器對(duì)潤(rùn)滑油性能要求主要有以下幾點(diǎn)：

良好的黏溫性能

溫度會(huì)使?jié)櫥偷酿ざ劝l(fā)生變化，從而影響同步環(huán)摩擦錐面與結(jié)合齒面間的摩擦系數(shù)。溫度降低，油品的黏度增加，摩擦系數(shù)增大，同步器滑動(dòng)齒套需克服更大的摩擦力矩使同步環(huán)轉(zhuǎn)半齒，換擋時(shí)需增大換擋力影響了換擋舒適性，溫度增大，會(huì)降低油品的黏度，影響油膜的形成，造成同步器的磨損。因此，油品要具備良好的黏溫性能，使其在溫度低時(shí)黏度不至于太大，溫度高時(shí)黏度不至于太低，降低潤(rùn)滑油對(duì)同步器換擋性能的影響。

良好的熱氧化穩(wěn)定性

車輛運(yùn)行過(guò)程中，變速箱油的溫度會(huì)升高，高溫會(huì)加速油品氧化，氧化生成的油不溶物如油泥會(huì)沉積在摩擦材料表面，造成同步器摩擦副間的摩擦系數(shù)降低，對(duì)同步器的換擋性能造成影響，因此油品要具有良好的熱氧化穩(wěn)定性。

良好的抗老化性能

在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，潤(rùn)滑油會(huì)由于老化而發(fā)生變質(zhì)，潤(rùn)滑及冷卻作用減弱，摩擦副表面不能及時(shí)冷卻，在熱應(yīng)力的作用下使摩擦材料表面產(chǎn)生微裂紋，加速同步器摩擦材料表面的磨損，導(dǎo)致同步器在換擋過(guò)程中出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，因此潤(rùn)滑油要具備良好的抗老化性能，延長(zhǎng)換油周期。

能夠適應(yīng)各種材質(zhì)的同步環(huán)摩擦材料

不同材質(zhì)的同步環(huán)摩擦材料與潤(rùn)滑油的兼容性是不同的。碳摩擦材料由于本身綜合性能很好，因此對(duì)潤(rùn)滑油的性能要求也是最低的。其他摩擦材料如銅螺紋環(huán)及鋼基燒結(jié)銅同步環(huán)，由于銅是活潑金屬，容易與油品中的極壓劑反應(yīng)而被腐蝕，因此油品除具有良好的熱氧化穩(wěn)定性及抗老化性能外，還要具備良好的抗腐蝕性能，以延長(zhǎng)零部件的使用壽命。

變速箱油同步耐久性評(píng)定方法

評(píng)價(jià)變速箱油性能的方法主要有理化指標(biāo)、模擬試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)及行車試驗(yàn)，現(xiàn)階段評(píng)價(jià)變速箱油對(duì)同步器性能影響具有代表性的兩個(gè)臺(tái)架試驗(yàn)方法分別是德國(guó)采埃孚公司的同步器嚙合耐久性方法以及北美的手動(dòng)變速箱油循環(huán)耐久性方法。

德國(guó)同步器嚙合耐久性方法

該方法采用FZG SSP-180同步嚙合試驗(yàn)臺(tái)，能對(duì)同步環(huán)的磨損率、摩擦系數(shù)及換擋次數(shù)等進(jìn)行測(cè)試，用來(lái)評(píng)價(jià)同步器耐久、抗磨損、潤(rùn)滑油及同步器組件的性能，主要應(yīng)用在輕中型負(fù)荷的手動(dòng)變速箱[18]，評(píng)定方法是CEC L-66-99，我國(guó)將其修改采用起草了NB/SH/T 0925《手動(dòng)變速箱油同步嚙合耐久性的評(píng)定 FZG SSP-180 法》。

北美手動(dòng)變速箱循環(huán)耐久性方法

該方法采用MACK循環(huán)耐久性試驗(yàn)臺(tái)，主要用來(lái)測(cè)試變速箱油的高溫?zé)岚捕ㄐ裕ㄟ^(guò)測(cè)試同步器從開始換擋到發(fā)生兩次打齒的換擋次數(shù)、沉積物情況、換擋撥叉和摩擦盤的磨損量來(lái)評(píng)價(jià)變速箱油的性能[19]，評(píng)定方法是ASTM D5579，我國(guó)將其修改采用起草了SH/T 0756手動(dòng)變速箱油熱安定性評(píng)定法。

總結(jié)

☆在同步器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較為普遍的是鎖環(huán)式慣性同步器，其雙錐面及多錐面同步器較單錐面同步器具有更大的摩擦力矩，換擋力小，換擋體驗(yàn)更好，同步器壽命也更高，大量應(yīng)用在各類變速箱內(nèi)，但多錐面同步器的摩擦錐面更多，工作中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量造成同步環(huán)燒蝕，加速摩擦材料的磨損，因此對(duì)潤(rùn)滑油性能有更高的要求，同時(shí)隨著同步器結(jié)構(gòu)的多樣化發(fā)展，同一款變速器同步器可能會(huì)存在一側(cè)單錐一側(cè)雙錐、一側(cè)雙錐一側(cè)三錐等多種配置情況，潤(rùn)滑油應(yīng)盡可能覆蓋多種摩擦錐面的同步器。

☆目前常用的同步器錐面摩擦材料有銅螺紋、噴鉬、燒結(jié)銅及貼碳。碳摩擦材料具有抗磨性高、摩擦系數(shù)大而穩(wěn)定、承載性能高等特點(diǎn)，相較于其他摩擦材料與潤(rùn)滑油具有更好的兼容性，是未來(lái)同步環(huán)摩擦材料的應(yīng)用趨勢(shì)。

☆總體來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑油性能應(yīng)盡可能滿足各種摩擦材料的使用要求，同時(shí)也要兼顧不同摩擦錐面結(jié)構(gòu)的同步器，保證同步器在工作過(guò)程中具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)且較小的磨擦摩損，從而使同步器具有良好的換擋性能及更高的使用壽命。