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(xué)機(jī)械工程學(xué)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(lái)，隨著中國(guó)汽車產(chǎn)量越來(lái)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(lái)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(guó)從上世紀(jì)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(guó)外相繼引進(jìn)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(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.1 汽車同步器齒環(huán)國(guó)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(jì)70年代末開始，國(guó)外對(duì)復(fù)雜黃銅耐磨材料進(jìn)行了廣泛的研究，國(guó)內(nèi)自80年代也開始對(duì)同步器齒環(huán)材料和制造技術(shù)進(jìn)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(qiáng)度要求，是最早用作同步環(huán)的材料，所占市場(chǎng)份額約75%.當(dāng)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(jī)精密鍛造成型和加工中心機(jī)械加工而成.

由于國(guó)內(nèi)主要以引進(jìn)車型為主，我國(guó)沒(méi)有制訂國(guó)內(nèi)專用的同步器齒環(huán)材料標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)規(guī)范，大部分材料是參照國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的，屬于復(fù)雜錳黃銅和復(fù)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(diǎn)的錫、鉛等元素.以我國(guó)市場(chǎng)上應(yīng)用的高強(qiáng)耐磨復(fù)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(hào)［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(qiáng)耐磨復(fù)雜黃銅不僅對(duì)合金基體的強(qiáng)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(duì)較低的基體間形成優(yōu)良的耐磨機(jī)制，同時(shí)也有利于在摩擦?xí)r建立穩(wěn)定的潤(rùn)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(qiáng)、耐磨特性.

目前國(guó)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(guó)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(gè)大公司的手中，主要有德國(guó)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(dú)立開發(fā)材料的能力，而且材料獨(dú)立成為一個(gè)系列.

1.2 存在的問(wèn)題

同步器齒環(huán)的工作原理，是利用一對(duì)錐形摩擦副產(chǎn)生摩擦力，使得待嚙合的一對(duì)齒輪的圓周速度達(dá)到同步并平穩(wěn)地進(jìn)入嚙合［14－15］.生產(chǎn)同步器齒環(huán)的材料不僅要求強(qiáng)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(guó)齒環(huán)材料的生產(chǎn)是在引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，研制的規(guī)格和種類多達(dá)180余種，常用齒環(huán)材料牌號(hào)有十幾個(gè)，但大多數(shù)材料的耐磨性不夠，同時(shí)由于受材料質(zhì)量和檔次等方面的限制，還很難進(jìn)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(duì)同步器齒環(huán)耐磨性的要求越來(lái)越高，特別是隨著世界各種名車的進(jìn)入而引入的齒環(huán)，其耐磨性更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)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(guó)內(nèi)同步器齒環(huán)行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題.

在20世紀(jì)60年代至90年代初，受當(dāng)時(shí)的熔煉鑄造工藝及爐前檢測(cè)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(fù)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)力.

2 同步器齒環(huán)生產(chǎn)工藝及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國(guó)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(diǎn)如表1所示.

表1 三種生產(chǎn)工藝優(yōu)缺點(diǎn)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(jiǎn)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(guó)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(guó)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(fù)雜，技術(shù)含量高，成品率一般只能達(dá)到60%～80%，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)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(shì)

從目前生產(chǎn)同步器齒環(huán)所涉及的技術(shù)來(lái)看，各國(guó)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(fù)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(chǎng)所認(rèn)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(wú)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(guò)程是一個(gè)復(fù)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(guó)內(nèi)只有有限的幾家工廠能批量生產(chǎn)，其耐磨性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如國(guó)外的產(chǎn)品，而且成本高，價(jià)格昂貴，目前大部分品牌汽車生產(chǎn)廠家還是要依靠進(jìn)口.

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)逐步成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)同步器齒環(huán)的需求出現(xiàn)了新的變化.首先是對(duì)材料的要求越來(lái)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(fù)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(dá)耐時(shí)）進(jìn)入中國(guó)，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(lái)，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(shí)開始由按圖生產(chǎn)，轉(zhuǎn)化成變速器設(shè)計(jì)開發(fā)及制造.材料作為齒環(huán)的關(guān)鍵點(diǎn)，其研發(fā)將是以后齒環(huán)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍將處于主導(dǎo)地位.隨著國(guó)際汽車工業(yè)中心向我國(guó)轉(zhuǎn)移，我國(guó)將是齒環(huán)材料需求的最大市場(chǎng)之一.據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)5～10年，國(guó)內(nèi)汽車零部件產(chǎn)業(yè)將處于最佳的發(fā)展時(shí)期，根據(jù)近三年汽車產(chǎn)業(yè)每年15%以上的增長(zhǎng)速度的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，到2015年，我國(guó)的汽車生產(chǎn)量將突破1 500萬(wàn)輛，按照汽車生產(chǎn)和維修更換零配件的需要測(cè)算，中國(guó)轎車用同步器齒環(huán)和齒環(huán)生產(chǎn)用銅合金管的消費(fèi)量將分別達(dá)8000萬(wàn)件／a和3.3萬(wàn)t／a以上，由此可見同步器齒環(huán)及其材料的市場(chǎng)將非常巨大.

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