变速箱同步器及其对润滑油性能的要求

李小娟

中国石化润滑油有限公司华中分公司

现代汽车驾驶过程中，发动机为车辆提供动力，变速器通过改变来自发动机的转速和转矩使车辆实现起步、加减速、倒车及爬坡等操作。

同步器是汽车变速器中的关键部件，对汽车的驾驶安全性及变速器换挡舒适性具有决定性作用，手动变速器(Manual Transmission，MT)、机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission，AMT)、双离合变速器(Dual Clutch Transmission，DCT)及部分电驱动自动变速速器（EMT，Electricdrive Mechanical Transmission）中都含有同步器。

变速箱中同步器的作用是，在换挡过程中使两个以不同转速旋转的部件在换挡力的作用下在较短时间内完成摩擦同步。早期汽车变速器没有同步机构，换挡时齿轮在换挡力的作用下轴向运动，与旋转的另一齿轮啮合，由于待啮合的齿轮存在转速差，所以在啮合时会产生强烈冲击，出现振动和噪声甚至断齿。为避免换挡冲击，汽车变速箱开始采用两脚离合换挡，两脚离合换挡对驾驶员的技术有很高要求，不能保证换挡时齿轮速度完全同步，严重影响了变速箱的性能及寿命[1]。为使变速箱换挡更可靠，1928年克莱斯勒公司将同步器应用到变速器上，取代了两脚离合换挡，使换挡操作更方便，有效减轻了驾驶员的操作复杂度。同步器逐步成为汽车变速器中的关键部件，其性能优劣影响着汽车的舒适性和稳定性。随着变速箱技术的发展，同步器结构、参数不断改进，同步器材料也有新的发展，挖掘与同步器更相适应的润滑技术，对于提升同步器性能和进一步提高变速箱使用寿命具有重要意义。

同步器的结构

同步器有常压式、惯性式、自增力式、杠杆式及短行程式等形式。以应用较为普遍的锁环式惯性同步器为例，其主要由齿座（也称花键毂）、滑动齿套（也称接合套）、同步环（也称锁环）及定位滑块等组成（如图1所示），应用比较普遍。根据摩擦锥面的数量不同，锁环式惯性同步器分为单锥面及多锥面同步器，常用的多锥面同步器主要有双锥面和三锥面同步器，多锥面同步器摩擦力矩比单锥面大很多，能减轻换挡操作力，缩短同步时间加快换挡，目前双锥面同步器在轿车及重型载货汽车等变速箱上应用广泛，三锥面同步器在高档轻卡、乘用车MT及DCT上得到广泛应用。

图1 锁环式惯性同步器结构组成示意图[2]

同步器的材料

为使同步器具备较好的换挡性能，同步器零件的质量精度要高。目前同步器齿座大多釆用高强度粉末冶金钢生产，滑动齿套及齿轮采用锻钢生产，同步器滑块采用粉末冶金材料制成[3]，同步环有铜合金齿环、钢基齿环、球墨铸铁齿环及粉末冶金齿环，其中铜合金齿环价格低，性能较好，但基体强度和耐热性较差，主要用于轿车和轻卡领域；钢基齿环主要用于大吨位及大扭矩的载货车；球墨铸铁齿环的综合性能与钢相近，机械性能比铜基齿环好，但冲击韧性比铜合金差，含有石墨相具有自润滑作用，耐磨性好，使用寿命长且生产成本低，适用于重型汽车和工程机械变速箱用大型齿环；粉末冶金齿环性价比高，且力学性能优异，也逐渐发展起来[4，5]。

为使同步环具备更好的摩擦磨损及承载性能，同步环表面会附着一层摩擦材料，摩擦材料的摩擦系数及耐磨性对同步器的换挡性能及使用寿命具有重要影响。为改善同步器摩擦元件的性能，通常需根据同步器对耐磨损性、抗超载能力、极限载荷、导热性及使用经济性等方面的要求选择合适的摩擦材料。碳摩擦材料由于具备优异的综合性能，将会是同步器摩擦材料未来发展的重要方向，随着国内制造业水平的发展，碳摩擦材料会被广泛应用在各种车型上。不同同步环摩擦材料的特点、优点、缺点及应用情况见表1[5～7]。

表1 不同同步环摩擦材料的特点、优点、缺点及应用情况

目前，同步器齿环工艺中主要的摩擦材料有四种，分别是铜螺纹、喷钼、烧结铜及贴碳，其性能指标对比见表2[8，9]。

表2 不同摩擦材料性能指标对比

从表2可以看到，碳材料具有良好的承载性、耐磨性、摩擦稳定性及油品的兼容性，随着用户对换档性能要求逐步提高，碳材料同步环的应用将日渐增加。

同步器对润滑油的性能要求

润滑油性能对同步器摩擦特性的影响

同步器在工作过程中浸泡在盛油变速箱中与变速箱一起进行润滑，为使同步器在工作过程中具有大而稳定的摩擦系数能够提供较大的摩擦同步力矩，使车辆具备良好的换挡舒适性，以及产生较小的磨损量使同步器具有较长的使用寿命，变速箱油应使同步器保持优良的摩擦特性[10]。

润滑油对同步器摩擦特性的影响主要体现在两方面：一是降低同步器摩擦副间的摩擦系数，同步器在工作中润滑油在同步器摩擦副间会形成有机分子界面层及化学反应层，同时润滑油高温氧化生成油泥等产物沉积在摩擦副表面，会降低摩擦系统的摩擦系数，使摩擦力矩下降影响同步换挡；二是造成同步器磨损，润滑油在使用过程中老化变质，润滑及冷却作用降低，在同步器工作时不能及时带走摩擦副间的热量，会使摩擦副表面产生微裂纹，加速摩擦材料的磨损，造成同步器出现换挡打齿现象[11]。对于润滑油性能对同步器摩擦特性的影响，国内外研究人员做了较多研究。国外Maston[12]等人研究发现，同步器摩擦力矩受到润滑油与摩擦材料的联合作用影响，润滑油的种类、温度及摩擦材料的孔隙率等均会对同步器的摩擦特性产生影响。Boufft等人[13，14]研究表明润滑油的黏度等级以及摩擦改进剂、分散剂等会影响同步器的摩擦特性。Abdel-Halim[15]等人通过分析同步器摩擦副间的摩擦系数，研究了齿轮油温度对同步器的影响。国内文昊等人采用WS2001变速箱同步器油品适应性评定试验台对同步器磨损失效过程进行了研究，发现在换挡过程中，随着换挡次数的增加，油品若不能提供足够强度的润滑油膜或化学膜会导致同步器摩擦副不断磨损，进而导致同步器失效[16]。杨宏伟等人对碳纤维同步环的抗过载性能及油品兼容性进行了研究，将传统摩擦材料与碳纤维摩擦材料进行对比分析，发现碳纤维材料同步环初始摩擦系数高在工作过程中摩擦系数稳定，且在不同油品环境下摩擦磨损特性可保持稳定[9]。何大礼等人通过对行车试验中变速箱出现无法挂挡的原因进行试验分析，发现润滑油在高温条件下氧化生成的油泥附着在同步环表面，会改变摩擦副材料本身固有的摩擦系数，导致无法实现快速换挡[17]。

带有同步器的变速箱对油品性能的要求

变速箱油品主要在齿轮和轴承的润滑保护、齿轴散热保护及同步器摩擦特性方面对变速箱有影响，因此带有同步器的变速箱油品除对运动黏度、表观黏度、剪切稳定性、抗泡性、极压抗磨性及材料兼容性等性能有要求外，还要具备良好的同步器保护性能。具体来说同步器对润滑油性能要求主要有以下几点：

良好的黏温性能

温度会使润滑油的黏度发生变化，从而影响同步环摩擦锥面与结合齿面间的摩擦系数。温度降低，油品的黏度增加，摩擦系数增大，同步器滑动齿套需克服更大的摩擦力矩使同步环转半齿，换挡时需增大换挡力影响了换挡舒适性，温度增大，会降低油品的黏度，影响油膜的形成，造成同步器的磨损。因此，油品要具备良好的黏温性能，使其在温度低时黏度不至于太大，温度高时黏度不至于太低，降低润滑油对同步器换挡性能的影响。

良好的热氧化稳定性

车辆运行过程中，变速箱油的温度会升高，高温会加速油品氧化，氧化生成的油不溶物如油泥会沉积在摩擦材料表面，造成同步器摩擦副间的摩擦系数降低，对同步器的换挡性能造成影响，因此油品要具有良好的热氧化稳定性。

良好的抗老化性能

在长期使用过程中，润滑油会由于老化而发生变质，润滑及冷却作用减弱，摩擦副表面不能及时冷却，在热应力的作用下使摩擦材料表面产生微裂纹，加速同步器摩擦材料表面的磨损，导致同步器在换挡过程中出现打齿现象，因此润滑油要具备良好的抗老化性能，延长换油周期。

能够适应各种材质的同步环摩擦材料

不同材质的同步环摩擦材料与润滑油的兼容性是不同的。碳摩擦材料由于本身综合性能很好，因此对润滑油的性能要求也是最低的。其他摩擦材料如铜螺纹环及钢基烧结铜同步环，由于铜是活泼金属，容易与油品中的极压剂反应而被腐蚀，因此油品除具有良好的热氧化稳定性及抗老化性能外，还要具备良好的抗腐蚀性能，以延长零部件的使用寿命。

变速箱油同步耐久性评定方法

评价变速箱油性能的方法主要有理化指标、模拟试验、台架试验及行车试验，现阶段评价变速箱油对同步器性能影响具有代表性的两个台架试验方法分别是德国采埃孚公司的同步器啮合耐久性方法以及北美的手动变速箱油循环耐久性方法。

德国同步器啮合耐久性方法

该方法采用FZG SSP-180同步啮合试验台，能对同步环的磨损率、摩擦系数及换挡次数等进行测试，用来评价同步器耐久、抗磨损、润滑油及同步器组件的性能，主要应用在轻中型负荷的手动变速箱[18]，评定方法是CEC L-66-99，我国将其修改采用起草了NB/SH/T 0925《手动变速箱油同步啮合耐久性的评定 FZG SSP-180 法》。

北美手动变速箱循环耐久性方法

该方法采用MACK循环耐久性试验台，主要用来测试变速箱油的高温热安定性，通过测试同步器从开始换挡到发生两次打齿的换挡次数、沉积物情况、换挡拨叉和摩擦盘的磨损量来评价变速箱油的性能[19]，评定方法是ASTM D5579，我国将其修改采用起草了SH/T 0756手动变速箱油热安定性评定法。

总结

☆在同步器结构中应用较为普遍的是锁环式惯性同步器，其双锥面及多锥面同步器较单锥面同步器具有更大的摩擦力矩，换挡力小，换挡体验更好，同步器寿命也更高，大量应用在各类变速箱内，但多锥面同步器的摩擦锥面更多，工作中会产生大量的热量造成同步环烧蚀，加速摩擦材料的磨损，因此对润滑油性能有更高的要求，同时随着同步器结构的多样化发展，同一款变速器同步器可能会存在一侧单锥一侧双锥、一侧双锥一侧三锥等多种配置情况，润滑油应尽可能覆盖多种摩擦锥面的同步器。

☆目前常用的同步器锥面摩擦材料有铜螺纹、喷钼、烧结铜及贴碳。碳摩擦材料具有抗磨性高、摩擦系数大而稳定、承载性能高等特点，相较于其他摩擦材料与润滑油具有更好的兼容性，是未来同步环摩擦材料的应用趋势。

☆总体来说，润滑油性能应尽可能满足各种摩擦材料的使用要求，同时也要兼顾不同摩擦锥面结构的同步器，保证同步器在工作过程中具有稳定的摩擦系数且较小的磨擦摩损，从而使同步器具有良好的换挡性能及更高的使用寿命。