汽车同步器齿环的生产现状与发展前景

李四年，陈 园，叶甲旺，张士忠

（1湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068；2武汉泛洲中越合金有限公司，湖北 武汉430015）

近年来，随着中国汽车产量越来越大，作为变速箱中重要零件的同步器齿环需求量也越来越大.轿车用同步器齿环是变速箱中的关键零件之一，我国从上世纪60年代起开始使用带有同步器的变速箱，80年代中期开始从国外相继引进各种带同步器的变速器，目前已广泛采用同步器［1－5］.

1 汽车同步器齿环国内外生产现状及存在的问题

1.1 汽车同步器齿环国内外生产现状

为了寻找最佳的同步器齿环耐磨材料，从20世纪70年代末开始，国外对复杂黄铜耐磨材料进行了广泛的研究，国内自80年代也开始对同步器齿环材料和制造技术进行了探索性研究［6－9］.同步器齿环所采用的材料一般包括特殊黄铜合金、钢基喷钼材料、纸基摩擦材料、铜基粉未冶金摩擦材料等十几种.轿车用同步器齿环主要采用特殊黄铜合金.特殊黄铜合金制得的同步环，其摩擦锥面和接合齿是同一种材料.该材料既要满足锥面高的摩擦磨损性能要求，又要满足齿部的高强度要求，是最早用作同步环的材料，所占市场份额约75%.当前用得最多的，是采用锰铝黄铜合金，经离心铸造环坯、摩擦压力机精密锻造成型和加工中心机械加工而成.

由于国内主要以引进车型为主，我国没有制订国内专用的同步器齿环材料标准或技术规范，大部分材料是参照国外技术标准和规范进行设计的，属于复杂锰黄铜和复杂铝黄铜系列.一般采用6～10种元素如铝、铁、硅及难熔的钴、镍、铬和低熔点的锡、铅等元素.以我国市场上应用的高强耐磨复杂黄铜为例，除 HA161－4－3－1和 H Mn62－3－3－0.7两种合金列入 GB 5231 外，其他诸如 TL081、TL084、MBA－2、QN4 OSO、So Ms64、H Mn59CM 等，都是厂家命名的牌号［10］.根据汽车类型不同，同步器齿环使用工况的特殊要求也不同，一般同步器齿环用高强耐磨复杂黄铜不仅对合金基体的强度、韧性有较高的要求，而且要求在基体上必须均匀、稳定地分布有硬度极高的耐磨相［11－13］，在硬度极高的耐磨相和硬度相对较低的基体间形成优良的耐磨机制，同时也有利于在摩擦时建立稳定的润滑层，使材料在高速、重载的恶劣工况下，能有效地抵抗载荷的冲击及剧烈的磨损作用，具有良好的高强、耐磨特性.

目前国际上大部分齿环材料生产所采用的挤制工艺，虽然投资成本比较高，但是非常适合大批量的生产.国际上大部分同步器齿环材料生产核心技术，集中在少数几个大公司的手中，主要有德国代傲（DIEHL）公司、日本中越合金（CHUETSU）、日本三菱金属.这些企业都具有独立开发材料的能力，而且材料独立成为一个系列.

1.2 存在的问题

同步器齿环的工作原理，是利用一对锥形摩擦副产生摩擦力，使得待啮合的一对齿轮的圆周速度达到同步并平稳地进入啮合［14－15］.生产同步器齿环的材料不仅要求强度高，而且需要具有稳定的摩擦系数及良好的耐磨性.中国齿环材料的生产是在引进国外产品的基础上发展起来的，研制的规格和种类多达180余种，常用齿环材料牌号有十几个，但大多数材料的耐磨性不够，同时由于受材料质量和档次等方面的限制，还很难进入外资品牌汽车企业的供应商体系.随着汽车行业的快速发展，对同步器齿环耐磨性的要求越来越高，特别是随着世界各种名车的进入而引入的齿环，其耐磨性更是远远超过国内产品，如何提高同步器齿环的耐磨性以满足汽车行业的需要，是国内同步器齿环行业发展的关键问题.

在20世纪60年代至90年代初，受当时的熔炼铸造工艺及炉前检测技术水平限制，控制成分偏析、夹渣等铸造缺陷非常困难，加上此类复杂黄铜的加工性能较差，在应力作用下容易出现断裂的现象，因此国内采用黄铜耐磨材料生产的同步器齿环使用性能普遍较差，寿命较低，从而影响了汽车的灵巧性、舒适性、平稳可靠性及其竞争力.

2 同步器齿环生产工艺及优缺点

目前，国内同步器齿环环坯的生产主要有三种工艺，即：离心铸造、水平连铸和挤制管材.各工艺优缺点如表1所示.

表1 三种生产工艺优缺点比较

由表1可以看出，离心铸造齿环材料的性能基本可以满足要求，其生产成本较低，设备简单，投资少，适用于小批量生产，但材料的组织不均匀，产品质量差，成品率非常低，产品质量不够稳定，国内大部分采用此工艺生产同步器齿环.而水平连铸生产的齿环组织比较均匀，性能比较好，设备投资较少，工序短，能耗低，成品率高，工艺比较成熟，生产成本适中，国内部分厂家使用此工艺生产.挤制管材性能最优，组织均匀一致，尺寸精度高，但设备投资大，工序多，工艺控制复杂，技术含量高，成品率一般只能达到60%～80%，目前国内还没有批量生产，生产成本较高.

3 同步器齿环发展趋势

从目前生产同步器齿环所涉及的技术来看，各国主要在全力开发新的齿环材料和新的生产工艺，包括：采用新材料，如新型铜合金、钢质及双金属材料与复合材料等；采取新型成形工艺及设备，如精锻、粉末冶金锻造、液态模锻、旋转冷滚压等.目前市场所认可的齿环生产方式是由管材切片成环坯后经热精锻、精加工而成.无论哪种工艺，就同步器齿环而言，材料及其熔炼是齿环管材制造的核心技术，是开发新型同步器齿环的根本，由于材料的生产过程是一个复杂的系统工程，特别是材料成分的优化和熔炼，到目前为止国内只有有限的几家工厂能批量生产，其耐磨性能远远不如国外的产品，而且成本高，价格昂贵，目前大部分品牌汽车生产厂家还是要依靠进口.

随着国内汽车市场逐步成熟，国内对同步器齿环的需求出现了新的变化.首先是对材料的要求越来越高，离心铸造和水平连铸工艺生产的材料不能满足要求，必须开发挤制工艺.由于摩擦材料的推广，在齿环中要求使用复合材料的产品增加，特别是碳素齿环作为一种新技术开始从欧洲（苏尔素）和日本（达耐时）进入中国，欧洲已经在一些高档变速器中采用，如DCT变速器中应用较多.随着铜合金成本的增加，钢基材料的齿环也逐步发展起来，特别是工程车需要的大规格齿环.齿环的结构逐步向双锥多锥发展，同时开始由按图生产，转化成变速器设计开发及制造.材料作为齿环的关键点，其研发将是以后齿环竞争中的核心.不论齿环的材料和结构如何变化，作为目前最成熟的铜合金材料，在未来很长一段时间仍将处于主导地位.随着国际汽车工业中心向我国转移，我国将是齿环材料需求的最大市场之一.据预测，未来5～10年，国内汽车零部件产业将处于最佳的发展时期，根据近三年汽车产业每年15%以上的增长速度的发展态势来看，到2015年，我国的汽车生产量将突破1 500万辆，按照汽车生产和维修更换零配件的需要测算，中国轿车用同步器齿环和齿环生产用铜合金管的消费量将分别达8000万件／a和3.3万t／a以上，由此可见同步器齿环及其材料的市场将非常巨大.

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