1. 引言

　　在轎車及卡車的變速箱中同步器是最重要的部件之一。對同步器系統(tǒng)的評價主要體現(xiàn)在同步性能、換檔力以及成本價格這三方面。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)

　　自汽車變速箱發(fā)明和使用以來，齒輪和傳動軸之間的同步一直都是基于摩擦原理。1929年德國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際使用中推廣以來，其基本原理至今仍然沒有變化。我們知道，任何兩個相互獨立轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)要實現(xiàn)同步，必須要使兩個系統(tǒng)之間相互作用。機(jī)械摩擦是實現(xiàn)兩個轉(zhuǎn)動系統(tǒng)互相同步的簡單而有效的方法。

　　較早使用同步器采用磨擦副為盤式的磨擦系統(tǒng)。其特點是摩擦面積較大，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。其特點是摩擦效率高，需要的空間小，容易實現(xiàn)。圖1為單錐面同步器的一個設(shè)計實例。

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

　　對同步器的具體要求可以歸納如下：

　　Ø 在較短的時間內(nèi)對質(zhì)量加速或減速實現(xiàn)速度匹配，滑摩時間要短。

　　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，齒套的滑動要停止。

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

　　Ø 方便操作，換檔力小，換檔時間短，換檔手感清晰。

　　Ø 使用壽命長。

　　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，對同步器性能的影響是至關(guān)重要的。

　　2.1 摩擦副對換檔性能的影響

　　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，以使整個滑動過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。事實上，對于固定的錐角和齒型尖角，同步器必須滿足最小的摩擦系數(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摩擦系數(shù)。要獲得高的動摩擦系數(shù)，必須使摩擦系統(tǒng)工作在邊界潤滑的條件下。

　　邊界潤滑(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)和潤滑油添加劑的有極分子所組成的界面層分開。界面層的厚度為納米級(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設(shè)計獨特的油槽將液油層快速排除。

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

　　下圖顯示了在界面層形成的過程中，金屬表面所起到的作用(圖4)：

　　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：

　　- 高耐磨性。

　　- 對偶元件無磨蝕。

　　- 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。

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

　　隨著發(fā)動機(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足現(xiàn)代變速箱的設(shè)計要求。性能更好，更經(jīng)濟(jì)的摩擦副應(yīng)運而生。

　　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，下面我們在幾個方面進(jìn)行對比。

　　3.1 同步器摩擦層的磨損特點

　　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 對偶元件的磨損特點

　　實驗證明，紙基或銅基對硬度達(dá)到60HRc的對偶錐無任何磨損。但鉬基同步器摩擦環(huán)卻被證明會對對偶錐造成磨損。

　　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)傳動軸與齒輪間的轉(zhuǎn)速差異較小時，鉬基層的載荷情況實際上與銅基層相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(>10m/sec)，鉬基錐面的磨合點會出現(xiàn)明顯的熱效應(yīng)現(xiàn)象。

　　圖6：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比。

　　3.4 摩擦性能的恒定性

　　在摩擦層及潤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隨時間的變化明顯降低。

        3.5 抗超載量能力(非正常工況特征)

　　極限測試在美國(通用)非常普遍。此項測試多是針對類似賽車手這樣的駕駛員而設(shè)計的。

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

　　在以上兩種情況中，由于來自發(fā)動機(jī)的動力傳遞沒有或只有部分中斷，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)生了很大的問題：鉬基層上會出現(xiàn)磨蝕，紙基層上則有熱過載現(xiàn)象發(fā)生(變成焦碳)。

　　對銅基摩擦層齒環(huán)的極限測試結(jié)果則是令人滿意。正是在這些測試后，銅基摩擦材料同步環(huán)才開始了在汽車變速箱上大規(guī)模的使用。

　　試驗參數(shù)如下例：

　　換檔力：50 lbs=281 N

　　傳動比：7.5:1

　　軸向力：2109 N

　　換檔時間：2.5sec

　　同步環(huán)直徑：100 mm.

　　圖9：極限測試數(shù)據(jù)

　　圖10：幾種不同摩擦層的性能對比

　　所有相關(guān)研究表明，銅基層性和穩(wěn)定性能滿足所有對同步器的各種要求。

　　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)定性能滿足所有對同步器的各種要求。

　　4. 潤滑劑的影響-同步器摩擦副的油兼容性

　　據(jù)研究表明，銅基、碳顆粒，紙基、鉬基層對油的敏感度很高，對FM-、AW-和EP-這類能夠改善潤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)化合物被證明對金屬有著很好的附著力，因此被用來做成摩擦調(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

　　使用脫垢劑是用來保證摩擦層表面無沉淀物(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(有時采用氯)

　　這種添加劑通過與摩擦材料產(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)層會在不斷的磨耗之后重新更新。由此可見，這種添加劑所對摩擦層產(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，可獨立應(yīng)用于摩擦副的化學(xué)反應(yīng)中，且不會產(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，對摩擦材料自身的改進(jìn)也是必不可少的的。

　　5. 總結(jié)

　　從轎車到拖拉機(jī)幾乎所有的車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)。

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