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

現代汽車駕駛過程中，發動機為車輛提供動力，變速器通過改變來自發動機的轉速和轉矩使車輛實現起步、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速旋轉的部件在換擋力的作用下在較短時間內完成摩擦同步。早期汽車變速器沒有同步機構，換擋時齒輪在換擋力的作用下軸向運動，與旋轉的另一齒輪嚙合，由于待嚙合的齒輪存在轉速差，所以在嚙合時會產生強烈沖擊，出現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有很高要求，不能保證換擋時齒輪速度完全同步，嚴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雜度。同步器逐步成為汽車變速器中的關鍵部件，其性能優劣影響著汽車的舒適性和穩定性。隨著變速箱技術的發展，同步器結構、參數不斷改進，同步器材料也有新的發展，挖掘與同步器更相適應的潤滑技術，對于提升同步器性能和進一步提高變速箱使用壽命具有重要意義。

同步器的結構

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。以應用較為普遍的鎖環式慣性同步器為例，其主要由齒座（也稱花鍵轂）、滑動齒套（也稱接合套）、同步環（也稱鎖環）及定位滑塊等組成（如圖1所示），應用比較普遍。根據摩擦錐面的數量不同，鎖環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上得到廣泛應用。

圖1 鎖環式慣性同步器結構組成示意圖[2]

同步器的材料

為使同步器具備較好的換擋性能，同步器零件的質量精度要高。目前同步器齒座大多釆用高強度粉末冶金鋼生產，滑動齒套及齒輪采用鍛鋼生產，同步器滑塊采用粉末冶金材料制成[3]，同步環有銅合金齒環、鋼基齒環、球墨鑄鐵齒環及粉末冶金齒環，其中銅合金齒環價格低，性能較好，但基體強度和耐熱性較差，主要用于轎車和輕卡領域；鋼基齒環主要用于大噸位及大扭矩的載貨車；球墨鑄鐵齒環的綜合性能與鋼相近，機械性能比銅基齒環好，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，使用壽命長且生產成本低，適用于重型汽車和工程機械變速箱用大型齒環；粉末冶金齒環性價比高，且力學性能優異，也逐漸發展起來[4，5]。

為使同步環具備更好的摩擦磨損及承載性能，同步環表面會附著一層摩擦材料，摩擦材料的摩擦系數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，通常需根據同步器對耐磨損性、抗超載能力、極限載荷、導熱性及使用經濟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異的綜合性能，將會是同步器摩擦材料未來發展的重要方向，隨著國內制造業水平的發展，碳摩擦材料會被廣泛應用在各種車型上。不同同步環摩擦材料的特點、優點、缺點及應用情況見表1[5～7]。

表1 不同同步環摩擦材料的特點、優點、缺點及應用情況

目前，同步器齒環工藝中主要的摩擦材料有四種，分別是銅螺紋、噴鉬、燒結銅及貼碳，其性能指標對比見表2[8，9]。

表2 不同摩擦材料性能指標對比

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，碳材料同步環的應用將日漸增加。

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行潤滑，為使同步器在工作過程中具有大而穩定的摩擦系數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，變速箱油應使同步器保持優良的摩擦特性[10]。

潤滑油對同步器摩擦特性的影響主要體現在兩方面：一是降低同步器摩擦副間的摩擦系數，同步器在工作中潤滑油在同步器摩擦副間會形成有機分子界面層及化學反應層，同時潤滑油高溫氧化生成油泥等產物沉積在摩擦副表面，會降低摩擦系統的摩擦系數，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，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，會使摩擦副表面產生微裂紋，加速摩擦材料的磨損，造成同步器出現換擋打齒現象[11]。對于潤滑油性能對同步器摩擦特性的影響，國內外研究人員做了較多研究。國外Maston[12]等人研究發現，同步器摩擦力矩受到潤滑油與摩擦材料的聯合作用影響，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，研究了齒輪油溫度對同步器的影響。國內文昊等人采用WS2001變速箱同步器油品適應性評定試驗臺對同步器磨損失效過程進行了研究，發現在換擋過程中，隨著換擋次數的增加，油品若不能提供足夠強度的潤滑油膜或化學膜會導致同步器摩擦副不斷磨損，進而導致同步器失效[16]。楊宏偉等人對碳纖維同步環的抗過載性能及油品兼容性進行了研究，將傳統摩擦材料與碳纖維摩擦材料進行對比分析，發現碳纖維材料同步環初始摩擦系數高在工作過程中摩擦系數穩定，且在不同油品環境下摩擦磨損特性可保持穩定[9]。何大禮等人通過對行車試驗中變速箱出現無法掛擋的原因進行試驗分析，發現潤滑油在高溫條件下氧化生成的油泥附著在同步環表面，會改變摩擦副材料本身固有的摩擦系數，導致無法實現快速換擋[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、齒軸散熱保護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動黏度、表觀黏度、剪切穩定性、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性能。具體來說同步器對潤滑油性能要求主要有以下幾點：

良好的黏溫性能

溫度會使潤滑油的黏度發生變化，從而影響同步環摩擦錐面與結合齒面間的摩擦系數。溫度降低，油品的黏度增加，摩擦系數增大，同步器滑動齒套需克服更大的摩擦力矩使同步環轉半齒，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。

良好的熱氧化穩定性

車輛運行過程中，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生變質，潤滑及冷卻作用減弱，摩擦副表面不能及時冷卻，在熱應力的作用下使摩擦材料表面產生微裂紋，加速同步器摩擦材料表面的磨損，導致同步器在換擋過程中出現打齒現象，因此潤滑油要具備良好的抗老化性能，延長換油周期。

能夠適應各種材質的同步環摩擦材料

不同材質的同步環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及鋼基燒結銅同步環，由于銅是活潑金屬，容易與油品中的極壓劑反應而被腐蝕，因此油品除具有良好的熱氧化穩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

評價變速箱油性能的方法主要有理化指標、模擬試驗、臺架試驗及行車試驗，現階段評價變速箱油對同步器性能影響具有代表性的兩個臺架試驗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同步嚙合試驗臺，能對同步環的磨損率、摩擦系數及換擋次數等進行測試，用來評價同步器耐久、抗磨損、潤滑油及同步器組件的性能，主要應用在輕中型負荷的手動變速箱[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耐久性方法

該方法采用MACK循環耐久性試驗臺，主要用來測試變速箱油的高溫熱安定性，通過測試同步器從開始換擋到發生兩次打齒的換擋次數、沉積物情況、換擋撥叉和摩擦盤的磨損量來評價變速箱油的性能[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

☆在同步器結構中應用較為普遍的是鎖環式慣性同步器，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，換擋體驗更好，同步器壽命也更高，大量應用在各類變速箱內，但多錐面同步器的摩擦錐面更多，工作中會產生大量的熱量造成同步環燒蝕，加速摩擦材料的磨損，因此對潤滑油性能有更高的要求，同時隨著同步器結構的多樣化發展，同一款變速器同步器可能會存在一側單錐一側雙錐、一側雙錐一側三錐等多種配置情況，潤滑油應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、燒結銅及貼碳。碳摩擦材料具有抗磨性高、摩擦系數大而穩定、承載性能高等特點，相較于其他摩擦材料與潤滑油具有更好的兼容性，是未來同步環摩擦材料的應用趨勢。

☆總體來說，潤滑油性能應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構的同步器，保證同步器在工作過程中具有穩定的摩擦系數且較小的磨擦摩損，從而使同步器具有良好的換擋性能及更高的使用壽命。