（材料加工工程专业论文）汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料.pdf

浙江大学硕士学位论文 y 8 6 6 2 1 0 汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料 摘要 本文在分析了汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的工况条件 和技术指标的基础上，确定了摩擦材料研究中的四个技术关键：具有极低的磨耗 率和耐久性；动摩擦系数高而稳定；能承受高的能量负荷和压力负荷；具有好的 冷冲压性能。根据要求，对摩擦材料的基体组成、孔隙率、减摩组元、摩擦组元 等方面进行了系统的研究。 通过对基体组成的研究，确定了一种锡、锌共同强化的合金基体，并选用不 同的原材料进行配合，在基体组织中形成显微硬度有高低的两个相，并形成连通 的孔隙，使基体具有高的强度和好的摩擦磨损性能；通过不同孔隙率材料在不同 线速度、比压和能量负荷条件下的性能试验，找出了比压、线速度和能量负荷对 一一 一一 不同孔隙率材料摩擦磨损性能的影响关系，优化出了摩擦磨损性能最好时的孑l 隙 率：通过对减摩组元粒度和用量及摩擦组元用量的研究，有效地控制了材料的静 摩擦系数。 研制的湿式铜基摩擦材料突破了我国传统铜基摩擦材料概念，非金属组元含 量很低，具有好的冷冲压性能，满足粉末冶金同步环产品拉深成锥的工艺要求； 经检测，在所模拟的同步器工况条件下，材料的平均磨耗率小于1 3 1 0 1 硼3 j ， 对对偶钢片的平均磨耗率为0 6 5 l o - 6 m ? j ，动摩擦系数为0 0 8 5 0 1 0 3 ，静摩 擦系数为0 1 2 9 - 0 1 4 8 ；经强化试验，材料的能量负荷极限达3 5 j m m 2 ，压力负 荷极限达4 7 m p a ；经耐久试验和重复性试验，材料的摩擦磨损性能稳定，重复 性好。主要性能指标达到了同步器粉末冶金同步环的工况要求。 所设计的摩擦磨损性能检测规程分为初期磨损试验、筛选试验、压力试验、 速度和能量级试验、耐久试验五个部分，细化和完善了我国传统的摩擦磨损性能 试验方法，为湿式摩擦材料的研究提供了一个很有效的试验研究方法。 在研究过程中发现，孔隙率是如此大程度地影响着材料的摩擦磨损性能，因 此提出：把孔隙作为湿式铜基摩擦材料除基体、减摩组元、摩擦组元以外的第四 个组成部分。 关键词：同步器同步环粉末冶金摩擦材料孔隙率摩擦系数磨损性能检测方法 浙江大学硕上学位论文汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料 a b s t r a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fw e tc o p p e r - b a s e 。f r i c t i o n m a t e r i a lu s e da sp ms y n c h r o n i z e rr i n gf o ra u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rh a v eb e e n d i s c u s s e d ，a n dt h ek e yi s s u eo fw h i c hi se x c e l l e n tw e a rr e s i s t i b i l i t ya n dd u r a b i l i t y , h i g ha n ds t a b l ed y n a m i cf r i c t i o n 【c o d r t t c t e n t , h e a v yp r e s s u r el o a d ，h i g he n e r g ya n d p o w e ra b s o r p t i o nc a p a c i t ya sw e l l 嬲c o l dp u n c h i n gb e h a v i o r t h em a t r i 。x ，p o r o u s p r o p o r t i o n ，a n t i - f r i c t i o ne l e m e n t sa n df r i c t i o ne l e m e n t s h a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l y i n v e s t i g a t e dt om e e tt h ek e yi s s u e as o r to fc o p p e ra l l o ym a t r i xs t r e n g t h e n e db yt i i l a n dz i n c ，i nw h i c hs p e c i f i cr a wm a t e r i a lp o w d e ri si n 仕o d u c e d ，p r e s e n t sh i g hs t r e n g t h a n df r i c t i o np e r f o r m a n c ed u et oi t sm e t a l l u r g i c a lm i c r o s t r u c t u r ew i t ht w od i f f e r e n t m i c r oh a r d n e s sp h a s e sa n dw i s p ya n dc o n n e c t e d 。p o r e s m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n t p o r o u sp r o p o r t i o nh a v eb e e nt e s t e du n d e rv a r i o u ss p e e d s ，e n e r g yl o a d sa n ds p e c i f i c l o a d s 豁w e l l t h ee f f e c t so fp o r o u s0 1 1f r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e n f o u n d ，t h ee f f e c t si n d i c a t et h a tt h e r ei sa p o r o u so p t i m u m ，o fw h i c hm a t e r i a ls h o w s e x c e l l e n t p r o p e r t i e s s t a t i c f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a se f f e c t i v e l yd e p r e s s e da n d c o n t r o l l e db yt h ew a y o f s t u d y i n go nt h ep a r t i c l es i z ea n dq u a n t i t yo f a n t i - f r i c t i o na n d 衔c t i o ne l e m e n t s t h en e wd e v e l o p e dm a t e r i a lc o n t a i n i n gs l i g h tn o n m e t a l l i ce l e m e n t s ，w h i c hb r o k e t h r o u g ht h et r a d i t i o n a lc o n c e p t , s h o w sg o o dc o l dp u n c h i n gp r o p e r t ya n dm e e t st h e r e q u i r e m e n tt od e e p - d r a wt h es y n c h r o n i z e rr i n gi n t oc o n ef o r m u n d e rt h et e s t i n g p r o c e d u r es i m u l a t i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fs y n c h r o n i z e r , i t sw e a rr a t ei s 1 3 1 0 6 r n m 3 j , t h ew e a rt ot h em a t i n gp l a t ei s0 6 5 10 石t o n i 3 j t h ed y n a m i cc o e f f i c i e n ti s 0 0 8 5 0 1 0 3a n dt h es t a t i cc o e f f i c i e n ti so 1 2 9 0 1 4 8 t h ee n e r g ya b s o r p t i o nc a p a c i t y r e a c h e s3 5 j r a m 2a n dt h ep r e s s u r el o a dl i m i t4 7 m p a d u r i n gt h ed u r a b i l i t ya n d r e - p r o d u c t i v 晦t e s t ，i tp r e s e n t ss t a b l ef r i c t i o na n dw e a l r e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s t h e m a i np a r a m e t e r sm e e tt h ep r a c t i c a lw o r k i n gc o n d i t i o no f t h ep ms y n c h r o n i z e rr i n g t h es p e c i f i cd e s i g n e df r i c t i o na n dw e a rp e r f o r m a n c et e s ts p e c i f i c a t i o ni n c l u d e s n 浙 c 大学硕士学位论文汽车同步爨粉束冶会同步环用温式铜基摩擦捌制 f i v ep a r t s i n i t i a lw e a lt e s t ，s c r e e n i n gt e s t ，p r e s s u r et e s t ，s p e e da n de n e r g yt e s t ，a n d d u r a b i l i t yt e s t ，w h i c hi s a ni m p r o v e m e n tt ot h et r a d i t i o n a lt e s tm e t h o df o rf r i c t i o n l e v e la n dw c a rp e r f o r m a n c ea n d i sae f f e c t i v e m e t h o df o rw e tf r i c t i o nm a t e r i a lr e a c h a n de s t i m a t i o n - 、 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o na n dw e a ri ss od e e p l yi n f l u e n c e db yp o r o u s p r o p o r t i o na n da ni d e ai sp u tf o r w a r dt h a tp o r e ss h o u l db ec o n s i d e r e da st h ef o u r t h p a r to fw e tc o p p e r - b a s ef r i c t i o nm a t e r i a l sb e s i d e sm a t r i x ，a n t i f r i c t i o ne l e m e n t sa n d f r i c t i o ne l e m e n t s k e y w o r d s ：s y n c h r o n i z e r , s y n c h r o n i z e rr i n g , p m ，f r i c t i o nm a t e r i a l ，p o r o u s p r o p o r t i o n ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n lw e a r , t e s tm e t h o d m 淅奠学硕士学位论史 汽车同步器糟束冶金同步环用湿式铺基摩擦材料 课题来源及研究内容 一、课题名称 汽车同步器粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料 二、课题来源 汽车工业是一个国家工业生产能力和科学技术水平的综合体现。经半个多世 纪的发展，特别是近二十年来大规模的技术引进和国外技术与资本的大规模进 入，我国汽车工业得到了飞速发展，已基本上从开始的整车引进逐步实现了大部 分零件的国产化，并且一些零部件的质量和性能已达到或接近国外先进水平，降 低了我国汽车工业对国外的依赖。汽车的设计能力也在逐步成长和形成，提癌了 民族汽车工业的自主性。但是，目前尚有一些关键零部件及材料，由于其技术难 度大，尚未实现国产化。现代车辆的设计是以满足车辆的动力蛀、经济性、安全 性、环保性为特征的，中国汽车市场的需求与国际市场的需求在同步发展。车辆 功率的不断提高、车辆速度的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压 缩，以及人们对车辆操作轻盈和乘坐舒适性方面要求的曰益苛刻。我国汽车工业 又不断面临着新的机遇和挑战。 同步器是汽车的关键部件之一，同步环是同步器上的核心零件。由于其优异 的性能，采用粉末冶金同步环是我国汽车工业发展的趋势，有着广阔的市场前景。 在国外，粉末冶金同步环已有近二十年的发展史。它促进了同步器技术的发展， 获得了市场的青睐，并为其技术拥有者创造了巨大的经济效益。在国内，本土汽 车企业还没有一家采用粉末冶金同步环，合资企业和外资企业所使用的粉末冶金 同步环完全依赖进口，国内还没有一家公司能生产粉末冶金同步环产品。杭州前 进齿轮箱集团有限公司杭州粉末冶金研究所作为国内粉末冶金行业的龙头企业， 根据国内外同步器技术的发展趋势和对未来的市场分析，决定立项，研究开发j i ! 末冶金同步环。 三、选题意义 研究开发粉末冶金同步环，做好技术贮备，可以填补国内窑自，为企业在未 来创造新的经济增长点，促进高性能新型同步器在我国韵应用和发展，缩小我国 汽车工业在关键零部件方面与国外的差距。 浙江_ 赶学硕士学位论文汽午l 哥步嚣粉末冶金同步玮片j 湿式铡基瘁擦材料 四、研究内容 粉末冶金同步环对我们来说是一个全新的技术和产品。国内外文献中关于粉 末冶金同步环的资料不多。在仅有的一些文献中，多属于不同材质同步环之间的 性能对比及粉末冶金同步环的性能、优点和使用情况的介绍，有关粉末冶金同步 环所用摩擦材料的材质配方、制造工艺、性能检测规程及检测手段等方面的文献 1“。 几乎没有。弄清同步器的工作原理，研究粉末冶金同步环的工作环境及工况条件 是开展该项目的起点；研究粉末冶金同步环用摩擦材料的材质配方和制造工艺是 该项目技术和产品开发的主要内容；研究粉末冶金同步环的性能检测方法和质量 控制手段是该项目必不可少的重要内容。在整个项目的进展过程中，少不了汽车 设计师特别是变速箱和同步器设计师们的合作。鉴于国内的汽车设计师们刚开始 考虑采用粉末冶金同步环，该项目的进度为：首先尽可能做好技术贮备，在将来 时机成熟时与汽车设计师们密切配合，使该产品逐渐走向市场。为此。该项目当 前韵研究内容为： 1 了解国内外汽车同步器的发展状况和发展趋势。 2了解国内外汽车同步器同步环的发展状况和发展趋势。 3研究同步环的工况参数及其所用湿式铜基摩擦材料的性能技术指标。 4研究粉末冶金同步环用湿式铜基摩擦材料的材质配方、制造工艺和检测方 法。 v 浙江大学硕士学位论丈 第章绪论 1 1 1 同步器概述 第一章绪论 1 1 汽车同步器与同步环 同步器是汽车和非公路车辆变速器的重要部件。在变速器换档时，它使欲换 接上的齿轮副迅速达到并保持同步后接合，并能阻止在同步前接合。采用同步器 后，可实现迅速而无冲击地换档，避免换档时的复杂操作”o ，同时还可以避免 其它换档方式在刹车失效的危急情况下欲换低速档( 以利用发动机的牵阻作用) 而未能换入所带来的因下滑而不断加速的危险l z j 。现代车辆变速器设计以满足 车辆的动力性、经济性、安全性、环保性为特征，因而所有齿轮式变速器均采用 同步器，带同步器的变速器也因此广泛应用于货车、重型自卸车、越野车、客车、 轿车、工程车、拖拉机、履带车辆等领域。随着车辆功率的不断提高、车辆速度 的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压缩，以及人们对车辆操作轻 盈和乘坐舒适性方面要求的日益苛刻，汽车同步嚣得到了快速发展。 1 1 1 1 同步器技术发展趋势 汽车同步器包含三个机构：使滑动齿套与花键齿圈的圆周速度迅速达到并保 持一致( 同步) 的摩擦机构：阻止滑动齿套与花键齿圈在达到i 司步之前接合以防止 冲击的锁止机构：滑动齿套回到中位( 空档) 的定位机构。实现同步器换档的关键 机构是摩擦机构和锁止挑构。特别地，摩擦机构直接关系到同步器的容量、换档 可靠性、操作稳定性和制造成本”1 。 为改善和提高同步器的性能，目前，同步器技术研究主要集中在：( 1 ) 降低 a 传动链的转动惯量；( 2 ) 改进变速器速比分配以更好地发挥同步器的性能；( 3 ) 加大同步器摩擦锥面半径；( 4 ) 加大换档力；( 5 ) 选用性能更好的摩擦材料；( 6 ) 减小同步器摩擦锥面角；( 7 ) 采用多锥同步器；( 8 ) 锁止机构的研究。所有这些 浙江凡学硕士学位论史 帮章绪论 1 1 1 同步器概述 第一章绪论 1 1 汽车同步器与同步环 同步器是汽车和非公路车辆变速器的重要部件。在变速器换档时，它使欲换 接上的齿轮副迅速达到并保持同步后接合，并能阻止在同步前接合。采用同步器 r 后，可实现迅速而无冲击地换档，避免换档时的复杂操作”。，同时还可以避免 其它换档方式在刹车失效的危急情况下欲换低速档( 以利用发动机的牵阻作用) 而未能换入所带来的因下滑而不断加速的危险l 2 jo 现代车辆变速器设计以满足 车辆的动力性、经济性、安全性、环保性为特征，因而所有齿轮式变速器均采用 同步器，带同步器的变速器也因此广泛应用于货车、重型自卸车、越野车、客车、 轿车、工程车、拖拉机、履带车辆等领域。随着车辆功率的不断提高、车辆速度 的不断加快、车辆结构的小型化、车辆制造成本的压缩，以及人们对车辆操作轻 盈和乘坐舒适性方面要求的日益苛刻，汽车同步器得到了快速发展。 1 1 1 1 同步器技术发展趋势 汽车同步器包含三个机构：使滑动齿套与花键齿圈的圆周速度迅速达到并保 持一致( 同步) 的摩擦机构；阻止滑动齿套与花键齿圈在达到同步之前接合以防止 冲击的锁止机构；滑动齿套回到中位( 空档) 的定位机构。实现同步器换档的关键 机构是摩擦机构和锁止虮构。特别地，摩擦机构直接关系到同步器的容量、换档 可靠性、操作稳定性和制造成本l 3 j 为改善和提高同步器的性能，目前，同步器技术研究主要集中在：( 1 ) 降低 a 传动链的转动惯量；( 2 ) 改进变速器速比分配以更好地发挥同步器的性能；( 3 ) 加大同步器摩擦锥面半径；( 4 ) 加大换档力；( 5 ) 选用性能更好的摩擦材料；( 6 ) 减小同步器摩擦锥面角；( 7 ) 采用多锥同步器；( 8 ) 锁止机构的研究。所有这些 减小同步器摩擦锥面角；( 7 ) 采用多锥同步器；( 8 ) 锁止机构的研究。所有这些 浙t l 夫学硕士学位沧文 第章绪沧 方面的研究和技术进展都直接或间接地引司步器所采用的摩擦元件相关“卜剐。 1 1 1 2 同步器的主要技术参数及计算 同步器的技术参数是确定同步器用摩擦材料性能指标的依据。图1 1 为同步 器计算原理简图，图1 2 为同步器受力图，同步器的主要技术参数及其计算公式 如下1 h 1 4 1 ： ( 1 ) 摩擦锥面角a 摩擦锥面角是同步器的重要参数，它必须满足t g a 一 p 的极限条件( 其中“为 摩擦系数) ，以防止同步器出现自锁。日前，一般控制摩擦锥面角的数值为6 5 9 。也就是说，其所用摩擦材料的摩擦系数根据锥面角的不同应大于o 1 0 o 1 6 o ( 2 ) 轴向力 轴向力为同步器轴囱受到的力。驾驶员施加一个操纵力于换档杆上，经杠杆 机构放大后，通过拨叉推动滑动齿套将力施加于同步器的摩擦锥面上，其大小为： f o = k e 其中，f 。为加在同步器上的轴向力，f h 为驾驶员换档时的操纵力，一般在1 0 0 4 5 0 n ，k 为杠杆比。 图1 1 同步器计算原理简图图1 2 同步器受力图 ( 3 ) 摩擦锥面正压力 见图1 2 所示，同步器摩擦锥面正压力的大小为： e ：善 s i n 口 其中n 为同步器的摩擦锥面角。 摩擦锥面的工作比压需满足以下条件： 2 新汪大学硕士学位论文第一章绪论 p = 鲁【p 】 其中a 。为锥面摩擦丽积。 p l 蔓j 锥面摩擦材料的比压许用值，傲其值取2 0 0 0 k p a 。 ( 4 ) 锥面摩擦力矩 i ：丢硝以：冬盥 z s m 口 其中，t s 为锥面摩擦力矩，u 为摩擦系数，d l 为同步器锥面的平均直径。 对于多锥同步器 乏总= t ，= 错 其中d i 为同步器各锥面的的平均直径。 d ) 同步时间 同步器均可简化如图1 1 所示的简图。图中输入端的l 为离合器等的阻力 矩，输出端的t ，为车辆行驶时的阻力矩，i 。为同步器输入端的当量转动惯量，i ， 为同步器输出端的当量转动惯量，。l 为同步器输入端的初始角速度，m2 为同步 器输出端的初始角速度。用动力学和运动学公式推导得同步器的同步时间为： 铲赫 从上式可清楚地看出影响同步器同步时间的各因素，特别是挂档时离合器的“粘 滞”或退档时同步器锥面的“粘滞”都将导致同步器换档的恶化。同步时间一般 设计为o 4 1 2 秒。若将同步器输出端的当量转动惯量i ，当作无穷大，并忽略离 合器等的阻力矩k 和车辆行驶时的阻力矩t 。，同步器的同步时间可简化为： = 华 ( 6 ) 锥面摩擦功 同步器锥面的摩擦功和摩擦功率是同步器的两个重要指标，它必须低于锥面 摩擦材料摩擦功和摩擦功率的许用值。其计算公式为； e = 口= l t 国，出= 寻o 。一国：) 浙江大学硕士学位论文 第一章绪涂 p = 者= 专暑”勘 其中e 为摩擦功，p 为摩擦功率，0 为同步器两锥面的相对角位移量，a 。为锥面 摩擦面积。 ( 7 ) 锥环锁止角 同步器锥环锁止角即为锥环接合齿倒角，见图t 2 的受力分析，其计算公式 为： 秽= 擘雩巡 p , d zs m 口+ ，删l 其中，b 为锁止角，d 2 为锥环接合齿平均作用直径，u ，为接合齿间的摩擦系数。 不发生换档冲击的约束条件为 t g f l d 2 _ = s i n _ ：a - a u l _ d , 幽d 2 s m 口+ 磷 1 1 2 同步环发展状况和发展趋势 1 1 2 1 同步环概述 前面已经讲到，同步器关键的两个机构是摩擦 机构和锁止机构。摩擦机构的锥面摩擦副决定着同 步器的同步扭矩和同步时间；锁止机构保证同步器 只有在达到同步以后才能接合。其中最关键的元件 之一是同步环或同步锥，它的锥面是摩擦副的摩擦 面。对于环锬式同步器，同步环的外圆端面还有锁 止机构的接合齿。图1 3 是同步器同步环的一个实 例，它为单锥粉末冶金同步环。由此，同步环的技 术关键为锥面摩擦材料豹性能和接合齿的性能。图l 3 单锥粉末冶金同步环 为保证变速器在整个工作寿命期间能充分发挥其作用，同步器同步环所采用 的摩擦材料( 又称摩擦衬层) 应具备以下性能特点”1 ： 1 ) 高耐磨损性 4 浙￥i ，大学硕十学位| 文 2 ) 相当匹配的摩擦系数 3 1 对对偶件无磨蚀 4 ) 具有高强度、耐高温和抗冲击载荷能力 5 ) 不受载荷与换挡次数( 2 0 0 ，0 0 0 ) 影响的稳定的摩擦系数 6 ) 具有可应付过载现象工况( 使用不当) 的能力 7 ) 好的油兼容性 1 1 2 。2 国外同步环的发展状况和发展趋势 1 1 2 2 1 同步环用摩擦材料分类 现代汽车同步器所采用的摩擦材料包括特殊黄铜合金、喷锢材料、纸基摩擦 材料、铜基粉末冶金摩擦材料“。 1 ) 特殊黄铜合金 用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。它是最早用 作同步环的材料。当前用得最多的技术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雨成”卜d t 。 2 ) 喷铝材料 采用喷钼材料的同步环，其为在钢环的锥面上喷一层0 0 7 0 2 5 厚度的钼摩 擦衬层。其中，钼摩擦衬层使同步环具有满足性能要求的摩擦磨损性能，钢环使 同步环具有满足性能要求的强度。其制造工艺为，首先用精密锻造或粉未锻造工 艺成型钢齿环，然后对钢齿环的锥面进行机j j i ( 包括油槽) ，再在其锥面上喷一 层钼摩擦衬层，必要时还得对钼摩擦衬层进行磨加工。喷铝的工艺有氧乙炔火焰 喷涂和等离子喷涂，当前国外主要采用等离子喷涂技术m 卜2 “。 3 ) 纸基摩擦材料 采用纸基摩擦材料的同步环，其工艺为在钢环或铜环的锥面上粘贴一层纸基 摩擦衬层。纸基摩擦衬层由各种纤维、摩擦添加剂和摩擦调节剂造成摩擦纸后浸 渍树脂固化，经冲裁后粘贴到钢齿环或铜齿环的锥面上刎一州。 5 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 4 ) 铜基粉末冶金摩擦材料 采用铜基粉末冶金摩擦材料的同步环，其工艺为在钢环的锥面上复合一层粉 末冶金摩擦衬层。粉未冶金摩擦衬层由铜粉和各种合金组元、摩擦添加剂、摩擦 调节剂的混合粉末经特殊工艺成型后烧结在钢芯板上，再经拉深成锥后复合到钢 齿环上。对于多锥同步器，经拉深后的锥环可以直接用着摩擦锥环”1 2 “。 图1 4 描述了当前同步器中不同摩擦材料所占的市场份额1 。 | 鬈 焉。 2 5 k k瀛、冰i s ! 叠 j 露熬黪霎鬻。 一黝! 雾莛l l 镶董引 图1 4 同步器中各摩擦材料所占市场份额 1 , 1 222 同步环用各摩擦材料的特征及性能对比 特殊黄铜合金、喷钼材料、纸基摩擦材料、铜基粉未冶金摩擦材料各有其特 点，性能上有很大的差异，对其性能比较如下1 5 1 7 1 踟啪m 州嘲”1 。 1 ) 摩擦衬层表面磨损 1 0 图1 5 摩擦衬层磨损摩擦功曲线对比图图1 6 摩擦衬层磨损一接合次数曲线对比图 多项实验研究表明在标准典型的应用条件下，粉末冶金摩擦衬层和钼衬层具 ：j， l 一ke#t0。j” 浙江人学硕十学位论文第章绪论 有极好的抗磨损性能。图1 5 展示了随单位而秘摩擦功的增加，不同摩擦衬层的 磨损曲线。在较高的摩擦功( 表面能量负荷) 条件下，黄铜合金和有机摩擦利层 出现相对较高的磨损，钳衬层在表面能量负荷增加到一定值后磨损快速增加。图 1 6 展示了不同摩擦衬层随着接合次增加的磨损情况。 2 ) 对对偶锥的磨损 纸基摩擦材料衬层。即使在对偶锥的硬度很低的条件下，对对偶锥的磨损也 很小。当对偶锥的硬度达到5 5 h r c 以上时，纸基、黄铜和烧结摩擦衬层都不会 对对偶锥产生磨损，而钼衬层则会对对偶锥产生较大的磨损。 隙，但其材质的耐热性能和承受压力 s ”mm * 的性能较低，因此其载荷能力不高。图1 8 各种摩擦材料速度压力载荷极限 当传动轴与齿轮间的转速差异较小时，钼衬层的承受载荷能力实际上与铜基 粉末冶金衬层相同。但当转速较高时，钼衬层锥面的磨合点会出现明显的热效应 现象，产生烧伤痕迹，并在对偶锥表面形成磨蚀。黄铜衬层不适合长期在大于 o 1 j m m 2 能量载荷下使用。图1 8 展示了不同摩擦材料所能承受的载荷极限，即 线速度压力载荷极限。 舢摩擦性能 如图1 9 所示，在摩擦衬层和润滑剂所允许的热容量范围内，纸基摩擦材 料的摩擦性能近于完美。在相同的工况下，虽然铜基粉末冶金摩擦材料的摩擦性 7 浙江大学硕士学位论文第章绪论 能略有降低，但其摩擦性能依然相当的稳定。而铜材料的摩擦性能则在受表面变 化影响而随时间的变化明显降低。 图1 9 各种摩擦材料的摩擦性能对比图 5 ) 抗过载能力 因操作不当引起同步器在过载条件下工作的情况总是存在的。比如部分驾驶 员在推进同步器时忘记或者没有正确地松开离合器。离合器有时也会出现脱排不 彻底的情况。在这两种情况下，发动机的动力就完全没有或部分没有被切断，这 将使同步环吸收更多的能量，引起同步器过载。现代汽车要求同步器具有抗过载 能力。抗过载能力测试( 不当使用测试) 在美国尤为普遍。抗过载能力测试是在比 实际工况更高的比压和线速度条件下进行的。表1 1 是为模拟驾驶员的不正确操 作换档行为而设计的试验条件。测试结果表明：铝衬层出现磨蚀，纸基衬层则出 现热负荷过载( 炭化) ，而粉末冶金摩擦衬层表现出了最好的抗过载能力。 表1 1同步器摩擦材料抗过载能力( 不当使用) 测试表 换档力：5 0 磅= 2 8 l n 杠杆比：7 5 ：l 轴向力： 2 1 0 9 n 换档时间： 2 5 s 同步环直径： 1 0 0 m m 新江大学硕土学伉论文第章绪论 表1 1 ( 续) 转速 线速度总能量单位面积能量 步骤 ( 转分) ( m s ) ( j )( j r a m 2 ) l4 5 02 31 2 3 7o 5 1 28 2 04 22 2 5 40 9 2 3 1 2 3 06 43 3 8 1 1 3 9 4 1 5 9 08 24 3 7 01 7 9 51 8 0 09 34 9 5 02 0 3 6 1 9 0 09 8 5 2 2 32 1 4 6 1 润滑油兼容性 四种摩擦衬层对润滑油都十分敏感，但粉末冶金摩擦材料和纸基摩擦材料表 现出最好的润滑油兼容性。 1 1 223 各种摩擦衬层综合性能一览表 表1 2 各摩擦衬层性能综合对比表 1 5 2 6 1 技术指标粉末冶金摩擦材料纸基摩擦材料铝衬层 摩擦衬层耐磨损性能 + + 对偶锥的磨损性能 0+ 承载能力( j f i l m 2 ) + + + + + + 动摩擦系数 + + 摩擦性能稳定性 + +o 抗过载能力 + + 油兼容性 - 4 - + + + 性能比较基点 相对于黄铜材料的提商相对于黄铜材料的不足 各性能以特殊黄铜合金十+ + 相当大 一一相当大 的性能为比较基点+ + 明显 一轻微 十轻微0 无 浙汀大学硕士学位论文第璋绪沦 表1 2 所列，为黄铜合金、粉末冶金、纸基、锱衬层的性能对比。可以看h 粉末冶金摩擦材料衬层的综合性能高于其它三种衬层，纸基摩擦材料衬层也表现 出较高的摩擦性能和承载能力。目前，欧洲新设计的同步器主要采用粉末冶金摩 擦衬层，而不采用纸基摩擦材料衬层；北美，在重载领域采用粉末冶金摩擦衬层， 在轻型车辆和轿车领域大量采用纸基摩擦材料衬层。 1 1 2 2 , 4 粉末冶金同步环 粉末冶金摩擦材料已有七十余年的 发展史，但它用作同步器的摩擦材料是上 世纪，、十年代才开始的。用传统的压烧工 艺，要在同步器的摩擦锥面上烧结一层粉 末冶金摩擦材料从工艺角度分析是极其 麻烦的，从成本角度分析是非常昂贵的， 因而一直没有应用到同步器领域。上世纪 八十年代，德国贺尔碧格公司用喷撒工艺 ，。 将粉末冶金摩擦衬层烧结到环形薄钢片 上，经拉深后成同步器所需的锥形，再将 该摩擦锥内镶嵌到钢齿环或铜齿环的锥 面上，如图1 1 0 所示。这一工艺上的突破 实现了粉末冶金摩擦材料在同步器领域 的应用( ：2 e l 。 + 图1 1 0 单锥粉末冶金同步环图例 粉末冶金同步环在不改变同步器原。 二 来几何结构和尺寸的基础上具有如下优 势：可以l ：1 地替代原有的同步环；其j l、 摩擦磨损性能已经过长期的应用证明；使 换档更平稳柔和，降低了噪音；提高了同 一。、i ，6 、 | 、0 i i 黪 。 ”、。l l j 。一奠。j o j ? 步器的寿命；节约了对偶锥的成本等。因图1 1 1 双锥粉末冶金同步环 些它在同步器领域得到了快速的发展吲。粉末冶金摩擦材料在同步器上的应用 v0；0。 i!一；，囊 ：，。?： 浙江夫学硕士学位论文第一章臻论 又促进了同步器结构的优化，使双锥和三锥同步器的结构变得简单和可靠。图 1 1 1 和图1 1 2 为国际上最新的采用粉末冶金同步环的结构图。 图i 1 2 采用粉末冶金同步环的双锥同步器结构图例 1 。 。2 , 3 。我国同步环的发展状况和发展趋势 同步环的发展是依赖同步器的发展而发展的。我国从6 0 年代初开始在汽车 上使用带有同步器的变速器，但一直到8 0 年代初期，带有同步器的变速器在国 产汽车上的装备率才达到3 3 ( 主要用于s h 7 6 0 、e q l 4 0 、b j 2 1 2 型等汽车上) 1 。 8 0 年代后期，我国先后从德国、美国引进了z f 变速器和富勒变速器，用于重型 载货汽车及工程机械领域。这两种变速器的同步器均为单锥同步器。8 0 年代未 9 0 年代初，我国从国外引进了较多的轻型车、微型车、轿车制造技术，如南京 汽车制造厂从意大利引进的依维柯汽车、中国一汽集团从德国大众引进的奥迪轿 车、上海和德国大众合资生产韵桑塔纳轿车，后来世界各大汽车公司又纷纷涌入 中国市场组建合资或独资企业，带各种同步器的变速器进入了中国。髂个8 0 和 9 0 年代，中国的同步器发展表现为对引进技术的消化吸收和部分零件的国产化。 同步器的种类主要是单锥同步器蛆。进入新世纪后，中国的汽车行业开始考虑 选用或着手设计高技术含量的同步器。 我国同步环按其使用领域可分为重型载货汽车及工程车辆用同步环、中型载 货汽车用同步环、轻型和微型汽车用同步环d 6 2 8 1m 1 。 目前在我国，重型载货汽车和工程车辆采用的是钢环锥面喷钼的同步环，中 新蛆大学硕士学位论文第一章绪论 型载货汽车采用特殊黄铜合金制得的同步环和钢环锥面喷钼的同步环，轻型车辆 和轿车采用特殊黄铜合金甫得的同步环。特殊黄铜合金制得的同步环和钢环锥面 喷钼的同步环所采用的材料和生产工艺只停留在引进技术的国产化上，但对引进 技术的消化吸收和国产化很成功，并形成了较大规模的生产能力。国内还没有研 制和生产粉末冶金同步环及纸基同步环的相关文献和报道m m 8 1 2 9 j 。外资企业 生产的轿车所采用的粉末冶金同步环和纸基同步环完全依赖进口。国内的汽车制 造商、变速箱制造商和同步器制造商，近两年正在着手开发、设计和采用粉末冶 金摩擦衬层或纸基摩擦衬层的单双锥粉末冶金同步环的同步器；外资企业和合 资企业也正在着手加快汽车零部件国产化的进程。可以相信在不远的将来，粉末 冶金同步环在中国将有一个快速的发展。 i2 浙江大学硕士学位论史 第章绪论 1 2 1 概述 1 2 湿式铜基粉末冶金摩擦材料 现代机器和机械的传动系统或制动系统都安装了某种用途的摩擦装置，它 包括摩擦离合器和摩擦制动器。摩擦离合器或摩擦制动器是由摩擦材料制成的摩 擦元件及与其配对的摩擦对偶组成。摩擦离合器利用摩擦副间的摩擦力实现机器 或机械主动部分与从动部分的接合、分离或不同步运转；摩擦制动器利用摩擦副 间的摩擦力实现机器或机械的减速、限速或停止”“。 摩擦离合器和摩擦制动器广泛应用于汽车、船舶、农机、建筑、矿山、石 油化工、通用机械、军工等领域。在摩擦材料的发展过程中，早期的摩擦装置多 采用干式摩擦材料。由于机械和机器不断向大功率、高速度方向发展，同时对摩 擦装置的安全性、可靠性、结构尺寸、环境因素等不断提出苛刻的要求，这就促 进了湿式摩擦材料的快速发展。目前所使用的摩擦材料种类繁多，具体见以下分 类3 “： 浙江大学硕士学位论文 簿肇缡论 1 2 2 湿式铜基粉末冶金摩擦材料发展简史 早期的摩擦材料多是干式的，它直接采用树皮、软木、皮革或棉麻织物。十 九世纪初，橡胶工业的发展和酚醛树脂的出现，人们得以采用橡胶或树脂粘结棉、 麻、石棉等编织物或缠绕制成当时新颖的干式摩擦材料，其中某些干式材料至今 - 仍在采用。到上世纪三十年代，出现了新型的摩擦材料一粉末冶金摩擦材料k 3 1 j 。 粉末冶金摩擦材料是1 9 2 9 年提出的。施瓦尔茨科普夫提出用粉末冶金原理 制造铜基粉末冶金摩擦材料。1 9 3 2 年通用金属粉末公司组织生产了铜基粉末冶 金摩擦块，用于航空工业的干式离合器。摩擦块以钮扣形状机械联结在金属支承 盘的两面。航空工业是粉末冶金摩擦材料的第一个用户l 3 2 j 。 1 9 3 7 1 9 41 年间粉末冶金摩擦材料的基本工艺原理被美国威尔曼及其同事 们取得了专利。专利采用锡青铜作为摩擦材料的金属基体，加入铁粉和二氧化硅 粉末提高摩擦系数，加入石墨粉和铅粉作为润滑组元，各组元粉末混合后压成薄 片经烧结成为摩擦材料。由于粉末冶金摩擦材料本身强度低，它必须粘结在钢背 ( 或芯板) 上。为了达到很好的结合，钢背( 或芯板) 表面电镀一层铜，烧结规定在 钟罩炉中完成，钢背与粉末冶金薄片叠在一起进行加压烧结。这是最早的干式铜 基粉未冶金摩擦材料制造技术”1 。 湿式铜基粉未冶金摩擦材料是在干式铜基粉未冶金摩擦材料基础上发展起 来的，并与干式铜基粉未冶金摩擦材料同步发展。1 9 3 8 年，出现了两个因为齿 轮箱内有润滑油，采用湿式摩擦材料的应用实例。这种应用纯粹是为了结构上的 方便和筒单化，一例是g m 公司在汽车变速箱换档离合器中采用粉末冶金摩擦材 料和用纺织物做成制动带；另一例是w r i g h t 航空公司在其飞机增压器的双速齿 轮传动箱中采用粉末冶金摩擦材料。湿式摩擦材料一经出现就显示出温升低、摩 损小、寿命长、噪音低、可靠性高的优势l 3 1j 。 1 9 4 0 年，由于战争的需要，美国r a y b e s t o s 公司设诗制造了世界上第一台测 量摩擦材料在油介质中接合特性的试验机，用于二战期间飞机用摩擦材料的性能 研究。该试验机的产生使湿式摩擦材料的研究有了重大突破，加快了湿式摩擦材 料的发展l 3 1 j 。 i4 浙江大学顿士学位论文第一章绪论 二战结束后，变速箱工业迅速发展，拖拉机、工程机械、重型载货汽车制造 商开始采用湿式摩擦装置。湿式铜基粉未冶金摩擦材料逐渐在工业领域被广泛使 用。粉末冶金摩擦材料比老式的石棉摩擦材料在摩擦性能稳定性、承压能力、耐 温耐热性、耐久性等方面都有很大提高，工作时受环境因素影响小，因此得到了 快速的发展，在离合器和制动器中得到广泛应用。1 9 3 5 年美国粉末冶金摩擦元 件的主要制造商有维尔曼公司，稍后有石墨青铜公司、曼哈顿拉斯别斯托克公司、 拉斯别斯托克公司分部。当时主要生产干式铜基粉未冶金摩擦材料。湿式铜基粉 未冶金摩擦材料在工业领域大规模应用是从上世纪五十年代开始的。二战后，在 美国、法国、前西德、前苏联、日本、前捷克斯洛伐克、前东德、前波兰、前罗 马尼亚等国家，粉末冶金摩撩材料的研究和生产开始急速发展。经几十年的发展， 湿式铜基粉未冶金摩擦材料的材质组成、制造工艺、检测手段、质量控制等得到 了全面的发展。目前大约8 0 的铜基粉末冶金摩擦元件在油中工作叫蜘3 “。 我国从六十年代初期就开始研制铜基粉末冶金摩擦材料。1 9 6 5 年杭州粉末 冶金研究所研制和生产了中国第一片湿式铜基粉末冶金摩擦片，现拥有二条生产 线：引进的喷撒烧结生产线和压制描l 结生产线，并拥有各种试验检测设备，年 产粉末冶金摩擦元件1 2 0 万件以上。我国从事粉末冶金摩擦材料研究和生产的单 位有：中南工业大学、杭州粉未冶金研究所、北京摩擦材料厂、黄石粉末冶金厂、 厦门粉末冶金厂、长春粉末冶金厂、常德粉末冶金厂等等。产品广泛用于汽车、 船舶、农机、建筑、矿山、石油化工、通用机械、冲床、机床电器、军工等领域， 远销东南亚和欧美市场1 。 随着机器制造工业的不断发展，各种机器和机构的工作性能、速度及负荷迅 速增大，对摩擦材料的要求亦不断提高，早期的摩擦材料已不能满足使用要求， 这成为了摩擦材料不断发展的原动力。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 摩擦和磨损机理 1 2 3 1 摩擦和摩擦理论 1 2 3 1 1 摩擦的分类 根据运动学的特征，摩擦可分为：滑动摩擦和滚动摩擦两种形式。在实际发 生摩擦时，可同时兼备上述两种形式。根据物体位移的大小及其与切向力的大小 关系，摩擦可分为动摩擦和静摩擦。摩擦副的摩擦材料与对偶之间的厍摞包括滑 动摩榛和静廑檫。而日绎常为从静廑檫向滑动摩擦或从滑动摩擦向静摩擦转变。 按照摩擦副的摩擦材料与对偶的界面状态，又可以把摩擦分成四类，如图 2 1 所示1 5 1 3 5 o 1 ) 干摩擦：通常讲的干摩擦是指在无润滑剂条件下，两物体表面之间可能存在 着自然污染膜时的摩擦。 2 ) 纯净摩擦：纯净摩擦也称物理干摩擦， 化合物及人为加入物) 的摩擦。 3 ) 液体摩擦：液体摩擦指有充分润滑 剂存在时，两物体的摩擦表面有一 层连续的液体薄膜，摩擦表面完全 被薄膜层隔开的摩擦。假如将气体 膜也包括在内，则统称流体摩擦。 4 ) 混合摩擦：混合摩擦指液体摩擦 中，当油膜变薄出现微凸体触点的 相互作用时的摩擦。它分为三种情况： 指两物体表面无其它介质( 吸附膜、 图2 i 摩擦分类示意图 a ) 边界摩擦：混合摩擦中，当两物体接触面积内相互作用的微凸体的数量 增多，油膜厚度减至几个单分子层或更薄时的摩擦。 ”半干摩擦：摩擦表面同时存在干摩擦和边界摩擦情况时的摩擦。 c ) 半液体摩擦：摩擦表面同时存在液体摩擦和边界摩擦或同时存在液体摩 擦和干摩擦情况时的摩擦。 浙江大学硕士学位| 文 第章绪论 1 2 3 1 2