东风商用车技术中心解析：聚苯硫醚PPS在变速箱同步器环的开发
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变速器输入轴与输出轴以各自的速度旋转，变换档位时合存在一个"同步"问题。两个旋转速度不一样齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，损坏齿轮。因此，旧式变速器的换档要采用"两脚离合"的方式，升档在空档位置停留片刻，减档要在空档位置加油门，以减少齿轮的转速差。但这个操作比较复杂，难以掌握精确。
因此设计师创造出"同步器"，通过同步器使将要啮合的齿轮达到一致的转速而顺利啮合。本篇文章主要是讲述用PPS材料开发新型重型车变速箱同步器环。
一、技术背景
常用同步环材料介绍
名称 | 优点 | 缺点 |
铜合金同步器环 | 摩擦性能优良 | 成本高，强度低， 铜材加工浪费多 |
粉末冶金烧结 同步器环 | 成本低 | 工艺不稳定，应用 环境有限 |
碳纤维布同步器环 | 摩擦性能优良，耐温性好 | 成本较高 |
钢基喷钼同步器环 | 材料强度较高，摩擦性能优良，耐温性好 | 工艺较为复杂 |
钢基酚醛树脂同步器环 | 成本低，耐温性好 | 抗冲强度低，承载性较低 |
树脂基同步器环：
1、具有减震缓冲效果，提高换挡柔顺性；
2、摩擦性能可调，适应性强。
舍弗勒新一代同步器环
本项目创新性
材料以-PPS树脂为耐磨层；工艺-机加+注塑
1.PPS 聚苯硫醚
PPS聚合物主要性能特点
耐热性好（HDT>250℃）
耐腐蚀性好（与氟树脂媲美）
尺寸稳定好（收缩率0.1%）
绝缘、疏水、易加工
2.PPS树脂在商用车上的典型应用
二、PPS材料开发试验
1.PPS（聚苯硫醚）主要性能测试数据
项目 | 单位 | 结果 |
拉伸强度 | MPa | 200（70） |
弯曲强度 | MPa | 205（80） |
IZOD缺口冲击强度 | KJ/m2 | 13（3） |
热变形温度 | ℃ | 260（/） |
摩擦系数（油浴） | / | 0.02 |
磨耗量（油浴） | mg/120min | 0.1 |
2.同步环材料摩擦磨损对比试验
项目 | 单位 | 喷钼 | 锡青铜 | PPS |
摩擦系数 | / | 0.18 | 0.1 | 0.16 |
磨耗量（100N，180r/min） | mg/120min | 钼层磨完 | 0.36 | 0.2 |
3.PPS（聚苯硫醚）热摩擦性能
面压P（kg/cm2） | 速度V（m/min） | 温度（℃） | 动摩擦系数u | 比摩耗量（mm3/kg.km） | |
PPS树脂 | S45C | ||||
1 | 100 | 23 | 0.25 | 1.5 | 1.0 |
120 | 0.23 | 0.6 | 0.4 | ||
5 | 60 | 23 | 0.36 | 12 | 6 |
120 | 0.37 | 6 | 3 |
试验结果分析
1、表1数据显示PPS树脂具有优异的机械强度、耐热性能以及摩擦磨损性能；
2、表2为几种同步环用摩擦材料对比试验，同样试验条件下PPS摩擦性能最佳；
3、表3为考察PPS在同步器工作温度上限（120℃）下摩擦性能变化，其摩擦面未发生热粘滞现象，摩擦性能反而有所上升。（注：S45C为与PPS试样对磨材料45钢）回复“汽车”查询跟多信息
三、PPS同步器环结构设计及试制
目标零件：DF14S变速箱后附箱同步器锥环
PPS同步器环试制件：
1、PPS试制材料分别为碳纤增强PPS（牌号：东丽A310MX04B），玻纤增强PPS（牌号：东丽A504X90 ）
2、试制件PPS树脂层平均厚度3.5mm。
目标零件：DF六档箱变速箱后附箱同步器锥环
四、PPS同步器环零件性能试验
1.同步器环单体磨耗试验
试验目的
同步器环单体磨耗试验可模拟零件在设定的变速箱油温、转速、同步压力、同步时间等工作条件下，测试同步器环的摩擦系数及磨损量。该试验可较为准确的判断同步器环零件性能及使用寿命。回复“汽车”查询跟多信息
试验参数设定
试验设备：武汉协和齿环有限公司单体磨耗评价试验（日本KYOWA）
试验样品
1701543-90201 | 钢基+喷钼 | NO1 |
钢基+碳纤维PPS 密槽纹结构 | NO2 | |
钢基+玻纤PPS密槽纹结构 | NO3 |
试验结果
项目 | 试验数 | 单位 | 试验结果 | |
滑动摩擦系数 | 1#喷钼同步环 | 2#喷钼同步环 | 3#喷钼同步环 | |
10 | / | 0.1 | 0.09 | 0.08 |
500 | / | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
1000 | / | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
10000 | / | 0.09 | 0.08 | 0.07 |
磨损厚度 | mm3 | 1.12 | 0.02 | 0.11 |
试验后零件锥面照片
同锥度检测
2.PPS材料耐热性、耐油性、耐候性试验验证
摩擦磨损试验 （PPS件与黄铜件对比）
摩擦转速：400r/m
压强：1Mpa
试验时间：1h
试验温度：85-90℃，
试验介质：试样表面涂MT-5齿轮油
摩擦磨损试验结果
Ih前质量 | Ih后质量 | 损量（g） | 磨损V(mm3) | 摩擦系数 | ||
P31B | 1# | 32.4797 | 32.4723 | 0.0074 | 0.83 | 0.12-0.13 |
2# | 32.5891 | 32.5838 | 0.0053 | 0.60 | 0.12-0.13 | |
PPS | A | 5.6508 | 5.6500 | 0.0008 | 0.48 | 0.05-0.07 |
B | 5.6643 | 5.6636 | 0.0007 | 0.42 | 0.05-0.07 |
试验目的：评价零件冷热交替条件是否发生铁芯剥离，树脂开裂等异常现象。
3.零件热循环试验
试验条件：取样件4 件，两件进行纯加热，另两件油浸（变速箱油），置于热老化试验箱，150℃，加热8 小时，自然冷却，每天1次，重复4 天，模拟样件的实际热工况。回复“汽车”查询跟多信息
热循环试验结果
尺寸 | 纯加热 | |||
32h加热前 | 32h加热后 | |||
1# | 2# | 1# | 2# | |
宽（PPS） 高（PPS） | 17.94 10.54 | 17.94 10.52 | 17.96 10.54 | 17.96 10.54 |
直径（45钢） | 17.94 | 17.94 | 17.94 | 17.94 |
尺寸 | 油浸加热 | |||
32h加热前 | 32h加热后 | |||
宽（PPS） | 1# | 2# | 1# | 2# |
高（PPS） | 17.96 10.56 | 17.96 10.56 | 17.96 10.56 | 17.92 10.56 |
直径（45钢） | 17.94 | 17.94 | 17.94 | 17.94 |
4.零件耐热性试验
试验条件
将经历过32小时热循环试验的油浸样件（仍旧油浸，变速箱油）和非油浸样件，置于耐热试验箱中，120℃，连续加热168小时，自然冷却，评价样件外观尺寸的变化和金属-PPS结合部的情况。
尺寸 | 纯加热 | |||||
32h加热前 | 32h加热后 | 168h加热后 | ||||
1# | 2# | 1# | 2# | 1# | 2# | |
宽 | 17.94 | 17.94 | 17.96 | 17.96 | 17.96 | 17.96 |
高 | 10.54 | 10.52 | 10.54 | 10.54 | 10.56 | 10.54 |
直径 | 17.94 | 17.94 | 17.94 | 17.94 | 17.92 | 17.94 |
尺寸 | 油浸加热 | |||||
32h油浸加热前 | 32h油浸加热后 | 168h油浸加热后 | ||||
1# | 2# | 1# | 2# | 1# | 2# | |
宽 | 17.96 | 17.96 | 17.96 | 17.92 | 17.96 | 17.92 |
高 | 10.56 | 10.52 | 10.56 | 10.56 | 10.56 | 10.54 |
直径 | 17.92 | 17.92 | 17.94 | 17.94 | 17.92 | 17.94 |
试验结果分析
1、PPS同步器环耐候性、耐热性优良，尺寸稳定性佳；
2、PPS同步器环样件耐磨损性能均明显优于喷钼材料，其中玻纤增强PPS磨损量最小，磨损厚度仅为喷钼件的2%；
3、PPS同步器环样件摩擦系数要小于喷钼件。如需提高摩擦系数，可通过修改模具增加PPS接触面纹理，提高其表面粗糙度来达到。
4、单体磨耗试验过程中3种样件均未观察到强噪声、异响、磨损不均等异常现象。
五、总结
1、本项目在行业内首次开发出以PPS材料作为内衬耐磨层的同步器环，在用材及制品成型工艺方面均体现了技术创新的特点；
2、与现生产用喷钼环相比，PPS同步环磨耗量更低，耐用性更好；
3、单件PPS同步器环零件减重25%，其注塑成型工艺较喷钼工艺更为简易，工艺成本及能耗更低。
4、零件长期使用可靠性有待装车试验验证。回复“汽车”查询跟多信息
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本文作者为东风商用车技术中心——李谦，艾邦高分子整理，转载请先联系我们
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