汽車同步器齒環(huán)的生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景

李四年，陳 園，葉甲旺，張士忠

（1湖北工業(yè)大學機械工程學院，湖北 武漢430068；2武漢泛洲中越合金有限公司，湖北 武漢430015）

近年來，隨著中國汽車產(chǎn)量越來越大，作為變速箱中重要零件的同步器齒環(huán)需求量也越來越大.轎車用同步器齒環(huán)是變速箱中的關(guān)鍵零件之一，我國從上世紀60年代起開始使用帶有同步器的變速箱，80年代中期開始從國外相繼引進各種帶同步器的變速器，目前已廣泛采用同步器［1－5］.

1 汽車同步器齒環(huán)國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問題

1.1 汽車同步器齒環(huán)國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

為了尋找最佳的同步器齒環(huán)耐磨材料，從20世紀70年代末開始，國外對復雜黃銅耐磨材料進行了廣泛的研究，國內(nèi)自80年代也開始對同步器齒環(huán)材料和制造技術(shù)進行了探索性研究［6－9］.同步器齒環(huán)所采用的材料一般包括特殊黃銅合金、鋼基噴鉬材料、紙基摩擦材料、銅基粉未冶金摩擦材料等十幾種.轎車用同步器齒環(huán)主要采用特殊黃銅合金.特殊黃銅合金制得的同步環(huán)，其摩擦錐面和接合齒是同一種材料.該材料既要滿足錐面高的摩擦磨損性能要求，又要滿足齒部的高強度要求，是最早用作同步環(huán)的材料，所占市場份額約75%.當前用得最多的，是采用錳鋁黃銅合金，經(jīng)離心鑄造環(huán)坯、摩擦壓力機精密鍛造成型和加工中心機械加工而成.

由于國內(nèi)主要以引進車型為主，我國沒有制訂國內(nèi)專用的同步器齒環(huán)材料標準或技術(shù)規(guī)范，大部分材料是參照國外技術(shù)標準和規(guī)范進行設(shè)計的，屬于復雜錳黃銅和復雜鋁黃銅系列.一般采用6～10種元素如鋁、鐵、硅及難熔的鈷、鎳、鉻和低熔點的錫、鉛等元素.以我國市場上應(yīng)用的高強耐磨復雜黃銅為例，除 HA161－4－3－1和 H Mn62－3－3－0.7兩種合金列入 GB 5231 外，其他諸如 TL081、TL084、MBA－2、QN4 OSO、So Ms64、H Mn59CM 等，都是廠家命名的牌號［10］.根據(jù)汽車類型不同，同步器齒環(huán)使用工況的特殊要求也不同，一般同步器齒環(huán)用高強耐磨復雜黃銅不僅對合金基體的強度、韌性有較高的要求，而且要求在基體上必須均勻、穩(wěn)定地分布有硬度極高的耐磨相［11－13］，在硬度極高的耐磨相和硬度相對較低的基體間形成優(yōu)良的耐磨機制，同時也有利于在摩擦時建立穩(wěn)定的潤滑層，使材料在高速、重載的惡劣工況下，能有效地抵抗載荷的沖擊及劇烈的磨損作用，具有良好的高強、耐磨特性.

目前國際上大部分齒環(huán)材料生產(chǎn)所采用的擠制工藝，雖然投資成本比較高，但是非常適合大批量的生產(chǎn).國際上大部分同步器齒環(huán)材料生產(chǎn)核心技術(shù)，集中在少數(shù)幾個大公司的手中，主要有德國代傲（DIEHL）公司、日本中越合金（CHUETSU）、日本三菱金屬.這些企業(yè)都具有獨立開發(fā)材料的能力，而且材料獨立成為一個系列.

1.2 存在的問題

同步器齒環(huán)的工作原理，是利用一對錐形摩擦副產(chǎn)生摩擦力，使得待嚙合的一對齒輪的圓周速度達到同步并平穩(wěn)地進入嚙合［14－15］.生產(chǎn)同步器齒環(huán)的材料不僅要求強度高，而且需要具有穩(wěn)定的摩擦系數(shù)及良好的耐磨性.中國齒環(huán)材料的生產(chǎn)是在引進國外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，研制的規(guī)格和種類多達180余種，常用齒環(huán)材料牌號有十幾個，但大多數(shù)材料的耐磨性不夠，同時由于受材料質(zhì)量和檔次等方面的限制，還很難進入外資品牌汽車企業(yè)的供應(yīng)商體系.隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對同步器齒環(huán)耐磨性的要求越來越高，特別是隨著世界各種名車的進入而引入的齒環(huán)，其耐磨性更是遠遠超過國內(nèi)產(chǎn)品，如何提高同步器齒環(huán)的耐磨性以滿足汽車行業(yè)的需要，是國內(nèi)同步器齒環(huán)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問題.

在20世紀60年代至90年代初，受當時的熔煉鑄造工藝及爐前檢測技術(shù)水平限制，控制成分偏析、夾渣等鑄造缺陷非常困難，加上此類復雜黃銅的加工性能較差，在應(yīng)力作用下容易出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，因此國內(nèi)采用黃銅耐磨材料生產(chǎn)的同步器齒環(huán)使用性能普遍較差，壽命較低，從而影響了汽車的靈巧性、舒適性、平穩(wěn)可靠性及其競爭力.

2 同步器齒環(huán)生產(chǎn)工藝及優(yōu)缺點

目前，國內(nèi)同步器齒環(huán)環(huán)坯的生產(chǎn)主要有三種工藝，即：離心鑄造、水平連鑄和擠制管材.各工藝優(yōu)缺點如表1所示.

表1 三種生產(chǎn)工藝優(yōu)缺點比較

由表1可以看出，離心鑄造齒環(huán)材料的性能基本可以滿足要求，其生產(chǎn)成本較低，設(shè)備簡單，投資少，適用于小批量生產(chǎn)，但材料的組織不均勻，產(chǎn)品質(zhì)量差，成品率非常低，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，國內(nèi)大部分采用此工藝生產(chǎn)同步器齒環(huán).而水平連鑄生產(chǎn)的齒環(huán)組織比較均勻，性能比較好，設(shè)備投資較少，工序短，能耗低，成品率高，工藝比較成熟，生產(chǎn)成本適中，國內(nèi)部分廠家使用此工藝生產(chǎn).擠制管材性能最優(yōu)，組織均勻一致，尺寸精度高，但設(shè)備投資大，工序多，工藝控制復雜，技術(shù)含量高，成品率一般只能達到60%～80%，目前國內(nèi)還沒有批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本較高.

3 同步器齒環(huán)發(fā)展趨勢

從目前生產(chǎn)同步器齒環(huán)所涉及的技術(shù)來看，各國主要在全力開發(fā)新的齒環(huán)材料和新的生產(chǎn)工藝，包括：采用新材料，如新型銅合金、鋼質(zhì)及雙金屬材料與復合材料等；采取新型成形工藝及設(shè)備，如精鍛、粉末冶金鍛造、液態(tài)模鍛、旋轉(zhuǎn)冷滾壓等.目前市場所認可的齒環(huán)生產(chǎn)方式是由管材切片成環(huán)坯后經(jīng)熱精鍛、精加工而成.無論哪種工藝，就同步器齒環(huán)而言，材料及其熔煉是齒環(huán)管材制造的核心技術(shù)，是開發(fā)新型同步器齒環(huán)的根本，由于材料的生產(chǎn)過程是一個復雜的系統(tǒng)工程，特別是材料成分的優(yōu)化和熔煉，到目前為止國內(nèi)只有有限的幾家工廠能批量生產(chǎn)，其耐磨性能遠遠不如國外的產(chǎn)品，而且成本高，價格昂貴，目前大部分品牌汽車生產(chǎn)廠家還是要依靠進口.

隨著國內(nèi)汽車市場逐步成熟，國內(nèi)對同步器齒環(huán)的需求出現(xiàn)了新的變化.首先是對材料的要求越來越高，離心鑄造和水平連鑄工藝生產(chǎn)的材料不能滿足要求，必須開發(fā)擠制工藝.由于摩擦材料的推廣，在齒環(huán)中要求使用復合材料的產(chǎn)品增加，特別是碳素齒環(huán)作為一種新技術(shù)開始從歐洲（蘇爾素）和日本（達耐時）進入中國，歐洲已經(jīng)在一些高檔變速器中采用，如DCT變速器中應(yīng)用較多.隨著銅合金成本的增加，鋼基材料的齒環(huán)也逐步發(fā)展起來，特別是工程車需要的大規(guī)格齒環(huán).齒環(huán)的結(jié)構(gòu)逐步向雙錐多錐發(fā)展，同時開始由按圖生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化成變速器設(shè)計開發(fā)及制造.材料作為齒環(huán)的關(guān)鍵點，其研發(fā)將是以后齒環(huán)競爭中的核心.不論齒環(huán)的材料和結(jié)構(gòu)如何變化，作為目前最成熟的銅合金材料，在未來很長一段時間仍將處于主導地位.隨著國際汽車工業(yè)中心向我國轉(zhuǎn)移，我國將是齒環(huán)材料需求的最大市場之一.據(jù)預測，未來5～10年，國內(nèi)汽車零部件產(chǎn)業(yè)將處于最佳的發(fā)展時期，根據(jù)近三年汽車產(chǎn)業(yè)每年15%以上的增長速度的發(fā)展態(tài)勢來看，到2015年，我國的汽車生產(chǎn)量將突破1 500萬輛，按照汽車生產(chǎn)和維修更換零配件的需要測算，中國轎車用同步器齒環(huán)和齒環(huán)生產(chǎn)用銅合金管的消費量將分別達8000萬件／a和3.3萬t／a以上，由此可見同步器齒環(huán)及其材料的市場將非常巨大.

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