變速箱同步器及其對潤滑油性能的要求

李小娟

中國石化潤滑油有限公司華中分公司

現(xiàn)代汽車駕駛過程中，發(fā)動機(jī)為車輛提供動力，變速器通過改變來自發(fā)動機(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，手動變速器(Manual Transmission，MT)、機(jī)械式自動變速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)、雙離合變速器(Dual Clutch Transmission，DCT)及部分電驅(qū)動自動變速速器（EMT，Electricdrive Mechanical Transmission）中都含有同步器。

變速箱中同步器的作用是，在換擋過程中使兩個以不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的部件在換擋力的作用下在較短時間內(nèi)完成摩擦同步。早期汽車變速器沒有同步機(jī)構(gòu)，換擋時齒輪在換擋力的作用下軸向運(yùn)動，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，所以在嚙合時會產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，出現(xiàn)振動和噪聲甚至斷齒。為避免換擋沖擊，汽車變速箱開始采用兩腳離合換擋，兩腳離合換擋對駕駛員的技術(shù)有很高要求，不能保證換擋時齒輪速度完全同步，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)的潤滑技術(shù)，對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滑作用，耐磨性好，使用壽命長且生產(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[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)表面會附著一層摩擦材料，摩擦材料的摩擦系數(shù)及耐磨性對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，將會是同步器摩擦材料未來發(fā)展的重要方向，隨著國內(nèi)制造業(yè)水平的發(fā)展，碳摩擦材料會被廣泛應(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)對比見表2[8，9]。

表2 不同摩擦材料性能指標(biāo)對比

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。

同步器對潤滑油的性能要求

潤滑油性能對同步器摩擦特性的影響

同步器在工作過程中浸泡在盛油變速箱中與變速箱一起進(jìn)行潤滑，為使同步器在工作過程中具有大而穩(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]。

潤滑油對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)，同步器在工作中潤滑油在同步器摩擦副間會形成有機(jī)分子界面層及化學(xué)反應(yīng)層，同時潤滑油高溫氧化生成油泥等產(chǎn)物沉積在摩擦副表面，會降低摩擦系統(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，潤滑油在使用過程中老化變質(zhì)，潤滑及冷卻作用降低，在同步器工作時不能及時帶走摩擦副間的熱量，會使摩擦副表面產(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]。對于潤滑油性能對同步器摩擦特性的影響，國內(nèi)外研究人員做了較多研究。國外Maston[12]等人研究發(fā)現(xiàn)，同步器摩擦力矩受到潤滑油與摩擦材料的聯(lián)合作用影響，潤滑油的種類、溫度及摩擦材料的孔隙率等均會對同步器的摩擦特性產(chǎn)生影響。Boufft等人[13，14]研究表明潤滑油的黏度等級以及摩擦改進(jìn)劑、分散劑等會影響同步器的摩擦特性。Abdel-Halim[15]等人通過分析同步器摩擦副間的摩擦系數(shù)，研究了齒輪油溫度對同步器的影響。國內(nèi)文昊等人采用WS2001變速箱同步器油品適應(yīng)性評定試驗(yàn)臺對同步器磨損失效過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在換擋過程中，隨著換擋次數(shù)的增加，油品若不能提供足夠強(qiáng)度的潤滑油膜或化學(xué)膜會導(dǎo)致同步器摩擦副不斷磨損，進(jìn)而導(dǎo)致同步器失效[16]。楊宏偉等人對碳纖維同步環(huán)的抗過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]。何大禮等人通過對行車試驗(yàn)中變速箱出現(xiàn)無法掛擋的原因進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)潤滑油在高溫條件下氧化生成的油泥附著在同步環(huán)表面，會改變摩擦副材料本身固有的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)快速換擋[17]。

帶有同步器的變速箱對油品性能的要求

變速箱油品主要在齒輪和軸承的潤滑保護(hù)、齒軸散熱保護(hù)及同步器摩擦特性方面對變速箱有影響，因此帶有同步器的變速箱油品除對運(yùn)動黏度、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。具體來說同步器對潤滑油性能要求主要有以下幾點(diǎn)：

良好的黏溫性能

溫度會使?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，同步器滑動齒套需克服更大的摩擦力矩使同步環(huán)轉(zhuǎn)半齒，換擋時需增大換擋力影響了換擋舒適性，溫度增大，會降低油品的黏度，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，使其在溫度低時黏度不至于太大，溫度高時黏度不至于太低，降低潤滑油對同步器換擋性能的影響。

良好的熱氧化穩(wěn)定性

車輛運(yùn)行過程中，變速箱油的溫度會升高，高溫會加速油品氧化，氧化生成的油不溶物如油泥會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

在長期使用過程中，潤滑油會由于老化而發(fā)生變質(zhì)，潤滑及冷卻作用減弱，摩擦副表面不能及時冷卻，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)致同步器在換擋過程中出現(xiàn)打齒現(xiàn)象，因此潤滑油要具備良好的抗老化性能，延長換油周期。

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，因此對潤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，以延長零部件的使用壽命。

變速箱油同步耐久性評定方法

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

德國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，能對同步環(huán)的磨損率、摩擦系數(shù)及換擋次數(shù)等進(jìn)行測試，用來評價(jià)同步器耐久、抗磨損、潤滑油及同步器組件的性能，主要應(yīng)用在輕中型負(fù)荷的手動變速箱[18]，評定方法是CEC L-66-99，我國將其修改采用起草了NB/SH/T 0925《手動變速箱油同步嚙合耐久性的評定 FZG SSP-180 法》。

北美手動變速箱循環(huán)耐久性方法

該方法采用MACK循環(huán)耐久性試驗(yàn)臺，主要用來測試變速箱油的高溫?zé)岚捕ㄐ裕ㄟ^測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評價(jià)變速箱油的性能[19]，評定方法是ASTM D5579，我國將其修改采用起草了SH/T 0756手動變速箱油熱安定性評定法。

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，因此對潤滑油性能有更高的要求，同時隨著同步器結(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滑油具有更好的兼容性，是未來同步環(huán)摩擦材料的應(yīng)用趨勢。

☆總體來說，潤滑油性能應(yīng)盡可能滿足各種摩擦材料的使用要求，同時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。