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同步器系统的粉末冶金零件
Lorenz S Sigl，Günter Rau
轿车与载货车的手动变速器都装备有同步器装置，以保证齿轮运转平稳和换档方便。除了轴与轴承外，同步器装置中有5 个关键零件:
·装在驱动轴上的同步器齿毂；
·从轴/齿毂组件传递转矩的滑动齿套；
·离合器齿轮及与其牢固连接的离合器接合锥，离合器接合锥采用焊接等方式与离合器齿轮固定；
·自由旋转的变速器齿轮，当滑动齿套与离合器齿轮连接时，“自由”旋转的变速器齿轮就被锁定在驱动轴上，并将转矩传递给刚性固定在输出轴上的中间轴变速器齿轮；
·同步器锁环，在滑动齿套与离合器齿轮啮合之前，和离合器接合锥相连接的同步器锁环已保证驱动轴与输出轴之间的旋转速度同步。
图1 是同步器系统中关键零件的分解图。
要使变速器正常运行和驾驶员换档舒适，同步器装置的使用性能非常关键。因此，同步器系统的所有零件都必须符合可靠性与舒适性的要求。多年来，粉末冶金同步器齿毂一直占有优势，近10 年( 1997～2007) 来，粉末冶金齿毂的产量一直在增长，在当今的同步器齿毂市场上已占有约65% 的份额。
另一方面，如同步器锁环与离合器接合锥之类的粉末冶金零件在市场上占有的份额＜15%；滑动齿套与齿轮一向都由锻钢生产，鉴于粉末冶金工艺的主要优势是诸如可成形为最终形状与降低生产成本等，这些也都适用于滑动齿套与齿轮。因此，采用粉末冶金工艺开发这些新的应用是充满机遇的。
在手动变速器零件领域，粉末冶金零件生产的困难在于: 需要进一步开发粉末冶金材料与生产工艺，同时还必须保持粉末冶金工艺的传统优势; 另外还要为汽车市场提供性能适当的产品。在这种意义上，本文阐述了当前和未来粉末冶金零件在同步器装置中的应用，并且对最近的一些发展重点进行了简要述评。
过去，粉末冶金同步器齿毂在市场中一直占有相当大的份额，是手动变速器中应用最广的粉末冶金零件，这主要是由于其性价比高所致。倘若能对高转矩应用的齿毂的使用性能明显改进，粉末冶金齿毂就具有可进一步增长的应用前景。笔者认为，这种进展的主要先决条件是开发力学性能优异的粉末冶金钢。除了降低孔隙度之外，使和淬透性相关的合金组成最优化，对于有效地强化粉末冶金钢是关键因素。
开发高性能同步器齿毂，最有前景的是Cr 合金化的粉末冶金钢。大批量生产的预合金化Fe-( Cr，Mo) 粉末的特点是显微组织完全均一; 而在同步器齿毂的当前生产中使用的主要是扩散合金化粉末冶金钢，其显微组织中不可避免地含有诸如Ni稳定的奥氏体、铁素体或珠光体之类的软组分，这种多相性会使零件的静态强度、硬度以及耐疲劳性能恶化。
同步器齿毂基本上是在交变转矩和在内花键与同步槽前有严重凹口的效应下加载的。而且，齿毂易于磨损，特别是当轴向力将其压向齿轮或轴承时。因此，齿毂需要兼具优异的疲劳强度与表面硬度。
图2 比较了各种高强度粉末冶金钢的力学性能。显然，铬钢在向兼具优异的疲劳强度与硬度性能的领域扩展。由于Cr 与Mo 具有优异的淬透作用，只要使用的生产工艺合适，很容易形成位于全贝氏体与全马氏体之间的均一显微组织。此外，(Cr，Mo) 粉末冶金钢还兼具优异的强度与硬度和适当的韧度与延性。
图2 表明，(Cr，Mo) 合金化的SIRON牌号钢的硬度与疲劳强度都优于Fe-(Mo)-Ni-Cu 混合合金钢的性能。特别是，Fe-(Cr，Mo) 基材料的轴向疲劳强度σf50%超过240MPa。如图2 所示，尽管Fe-(Cr，Mo) 钢的含碳量比2 种Fe-(Mo) -Ni-Cu 混合合金钢低，但其使用性能( 耐疲劳性) 却优于Fe-(Mo -Ni-Cu 混合合金钢。当零件的使用性能同时要求静态强度与疲劳性能时，这种性能结合特别重要。
在变换齿轮时，齿轮同步系统要保证轴和被啮合的齿轮同步旋转，同步过程需要使齿轮加速或减速来克服变速器的惯性。如前所述，这是用同步器锁环与锥形摩擦离合器来实现的。同步系统还起着灵活锁定机构的作用，可防止在速率同步之前“直接换档”。
大多数低转矩手动变速器仍在使用带螺纹的黄铜同步器锁环。由于惰性与磨损的要求提高，高转矩变速器需要由高强度的耐磨钢体和粘结在其锥体横断面上的特制的摩擦材料组成的同步器锁环。图3是粘结在粉末冶金钢同步器锁环上的摩擦材料的典型例子。
通过加载分级与耐久试验，对下列3 种摩擦衬
面进行了评定:
· 由连续纤维编织的碳编织品;
· 烧结摩擦衬片SL6;
· 喷涂的Mo 涂层。
Mo 涂层与烧结摩擦衬片都是粉末冶金同步器锁环的标准摩擦材料。碳纤维编织品有可能改进油的兼容性，正在逐渐用于改进同步器系统的摩擦元件的使用性能，最近在市场上已占有相当大的份额。
所有摩擦材料都要与同步器锁环相结合，同步器锁环均采用先进的粉末冶金工艺，由PMG 粉末冶金钢(SIRON P380m) 制造，并进行等离子渗氮。碳衬面是用高温固化粘合剂粘结在环体上的，烧结摩擦衬片SL6 是用电容器放电焊接并固定在同步器锁环上的，而Mo涂层是用Mo丝火焰喷涂在锥体横断面上的。图3(a)～(c)是这3 种衬面的宏观结构。这3种摩擦层的摩擦学性能是用图4 所示的同步器试验台架进行评价的。
慕尼黑理工大学齿轮研究中心( FZG) 开发的ZF/FZG-SSP180 试验台架是为评定同步系统的摩擦材料在不同负载下的摩擦磨损性能的一种试验设备。负载分级包括通过轴向力(Fa)使压力p与旋转速度的差速Δn 进行系统的变化，烧结摩擦衬片SL6 的试验结果如图5 所示。在恒定压力5MPa与恒定旋转速度差速Δn = 1 600r /min 下，研究了高达105周次下，同步器系统的耐久性能，即长期的摩擦与磨损特性。
在每一个换档周次，都是在预订的压力p 下，测定作为时间函数的摩擦转矩。根据这些数据很容易评定摩擦系数的最小值μmin与平均值μavg以及同步时间。对于快速评定不同负载下的摩擦性能，“p-n-负载-分级”试验是一种适用的方法。
3种摩擦材料都顺利通过了短期负载分级试验。可是，只有SL6 衬片经受住了105 周次换档耐久性试验，而Mo 涂层与碳编织品分别在25 000 与55000 周次就过早失效了。结论如下:
· 碳编织品的特点是摩擦系数最大，μ ＞ 0. 12，耐磨性适用，但在高压力下倾向于微振磨损，适用于大的旋转速度差速和短时间同步。
· Mo 涂层具有中等摩擦系数，0. 10 ＜ μ ＜0. 12，磨损显著，在高压力下明显趋向于微振磨损，适用于低、中等旋转速度差速。
· 烧结摩擦衬片的摩擦系数和Mo 涂层类似，为0. 10 ＜ μ ＜ 0. 12，但耐磨性是所有摩擦材料中最好的，在中、高压力和中等旋转速度差速下，其使用性能最好。
当驾驶员移动变速杆时，换档拨叉使滑动齿套在轴向向离合器齿轮/变速器齿轮组件滑动，如图1与图6所示。在齿套与离合器齿轮啮合时，转矩流开始通过系统。齿套内花键的几何形状非常复杂，包括有倒锥换档操纵杆限位器(见图7) ，其可防止操作时齿套无意之间从离合器齿轮中脱出。这种复杂的几何形状是导致迄今为止( ～2007 年) 滑动齿套全部由锻钢切削加工并随后进行表面硬化生产的主要原因。
2006 年，PMG 率先提出了批量生产手动变速器的粉末冶金滑动齿套。采用的是一种复杂的多工序生产工艺，在压制与烧结后需要进行复压，以保证内花键齿顶的密度足够高。和啮合的离合器齿轮齿顶相接触时，倘若同步失效，内花键齿顶就会倾向于严重磨损。在这种情况下，以不同速度旋转的2 个零件就会发出相互撞击的咔嗒声，从而使2 个零件的齿都严重磨损。
在增高齿顶密度后，分别车削与铣削换档槽和内花键的换档操纵杆限位器，随后对零件进行表面硬化和精切削加工。图7 是经精加工的滑动齿套。对其进行了严格试验，以评价其运转时的功能度。特别是，为了检验齿顶的耐磨性，还进行了磨损试验。图8是经3×105次换档前、后的粉末冶金齿套，几乎看不到齿顶的磨损。图9是经3 × 105次换档后，粉末冶金齿套和常规锻钢齿套齿顶轮廓对比的结果。
齿套与离合器齿轮顶对顶之间发生接触的情况下，粉末冶金齿套的磨损和锻钢齿套类似或较小; 粉末冶金齿套的换档性、同步性及疲劳强度都可和常规的锻钢滑动齿套相比拟。因此，和常规生产的锻钢滑动齿套相比，设计的全部试验的结果都是正面的。
齿轮是手动变速器的关键结构零件。通常，齿轮在啮合时承受脉冲应力，应力峰值位于齿轮表面附近。因此，齿轮主要是表面或接近表面处需要高强度与高耐磨性。齿轮的几何形状和/或组件不精确的话，就可能降低其使用寿命和负载能力，并增大噪声。因此，一般对变速器齿轮的品质要求都很高，通常要高于DIN7。除了对强度与噪声的要求外，还增加了对改进经济与使用性能的要求。
齿轮的负载是在表面或接近表面处产生高应力，因此，并不需要整个零件都达到全密度。选择性表面致密化适用于这种负载情况，该工艺可使零件表面形成致密化层，表面孔隙度接近于零，而其芯部孔隙度一般为10%( 体积分数) 左右。近几年，PMG 开发出了DensiForm工艺，采用这种工艺，可选择性地增高烧结齿轮表面的密度，同时仍保持芯部的孔隙度，从而可形成深度达到约0.5～1.0mm 的全致密表面层( 见图10) 。
本文研究了当前用作5 档前轮驱动手动变速器的第4 档齿轮，如图11所示。该齿轮有39个齿，螺旋角33°，模数1.8mm。用粉末冶金工艺生产该齿轮，并将其和目前装在这种变速器中的常规锻钢齿轮(20MoCrS4 GN) 进行了比较。粉末冶金齿轮(1.5%Mo预合金化+0.2% C)(质量分数)是用粉末冶金工艺和随后进行的DensiForm工艺加工与表面硬化制备的。
最后，将齿轮研磨到品质高于DIN7表面粗糙度Ra ＜1.8μm，这可与参照的锻钢齿轮相比拟，生产过程的详细情况见文献［6，7］。在亚琛工业大学的3轴总成的成对试验台架上研究了粉末冶金齿轮和参照齿轮的负载能力，详细情况见文献7］，试验结果汇总于图11 中。可以看到，用DensiForm工艺加工的粉末冶金齿轮的负载能力是位于常规锻钢齿轮的负载范围之内的。特别是在50% 存活率下的齿根弯曲疲劳强度为675MPa，这可和锻钢齿轮的750MPa 相比拟，也就是说表面致密化的粉末冶金齿轮的负载能力约为常规锻钢齿轮的90%。
在施加转矩为340N·m( 相当于齿根应力为685MPa)下，2种齿轮在10 ×106 ～ 50×106周次之间都因齿根断裂而失效(见图11) ，但齿侧面仍然没有损伤与剥蚀的迹象。因此，粉末冶金齿轮的使用
性能完全适合于目前的变速器之用。
手动变速器同步模块的零件都是粉末冶金零件产业的开发对象，未来几年这些零件可能有助于粉末冶金零件产业快速增长。这种增长是以材料性能、生产工艺及新型零件适用的进展为基础的。
本文的研究表明，最近几年粉末冶金钢和功能材料( 如摩擦层) 的整体与表面性能都有所改进。这些进展是通过采用先进的生产设备和工艺，例如可烧结Cr合金化钢的炉子或诸如DensiForm的选择性表面致密化工艺实现的。包括滑动齿套与负载齿轮在内的新型粉末冶金零件的被认可都为粉末冶金工艺在变速器中的新应用开拓了市场。
【本文来自“粉末冶金技术Powder M e tallurgy T echnology”(韩凤麟译)】圈圈在此表示感谢！！！
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