CN104565107A - 一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环 - Google Patents
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Abstract
一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，包括外齿环与内摩擦环，所述外齿环的内弧面与内摩擦环的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，且在外齿环的内弧面上开设有至少三条与内摩擦环外弧面相啮合的外齿槽。所述外齿环的制造材料为金属，内摩擦环的制造材料为纤维增强PPS树脂，纤维是玻璃纤维或碳纤维。本设计不仅机械强度较高、耐磨性能较好、使用寿命较长，而且结构简单、制作工艺简易、成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车同步器环，属于汽车零部件领域，尤其涉及一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，具体适用于增强耐磨性能，并提高使用寿命与机械强度。
背景技术
同步器环是汽车变速箱中的一种关键零件，可起到在换挡时使主、从动齿轮相互平滑啮合并同步旋转的作用。该零件不仅要承受换挡的冲击力矩，还要承受复杂的摩擦力矩，因此，不同车型不同载荷的变速箱同步器环会有不同的结构设计和材料要求。其中对于同步器环摩擦层最主要的技术要求是：高强度、耐高温、稳定的摩擦系数和低磨损量。
目前，乘用车同步器环材料一般采用Cu–Zn基高强度黄铜以及Cu–Al基铝青铜。但由于商用车，尤其是重型车要求变速箱具有更高的输出和更高的扭矩，同步器环也要能承受更大的负载，因而，具有较小动磨擦系数及较低强度的Cu基同步器环难以满足强度和耐磨性要求。现有技术中，重型车同步器环也有采用铁基环热喷钼工艺，虽然其强度及摩擦系数可满足同步器环的性能要求，但经试验验证，其耐磨性及使用稳定性不够，如其初期磨损性较好，但经多次换挡操作后喷钼层厚度就会磨损减薄。
中国专利，公开号为CN1580100A，公开日为2005年2月16日的发明专利申请公开了一种汽车钢制同步器齿环摩擦材料及使用方法，该摩擦材料以丙烯腈碳纤维为增强材料，以腰果壳油、三聚氰胺改性酚醛树脂为粘结剂，并添加膨胀铁粉、黄铜粉、人造石墨粉、硬脂酸锌、沉淀硫酸钡及二硫化钼多种摩擦性能调节剂组成。虽然该设计能够提高摩擦系数，但其仍旧具有以下缺陷：
首先，该设计中作为内圈的摩擦材料通过粘结剂与外齿环相粘接，该种结合方式的破坏形式为界面破坏，强度较低，难以承受重型车所带来的高负载，使用寿命较短，易出事故；
其次，该设计中摩擦材料的主体采用的是酚醛树脂，酚醛树脂属于热固性材料，无法注塑成型，不易使用，应用范围较小，此外，酚醛树脂的强度不高，耐磨性、韧性均较低，以其作为摩擦层易发生断裂；
再次，该设计依次需要称料均匀混合、热模压片、加热固化、表面处理、涂胶粘贴，以及固化及卸压，步骤、可控参数均较多，操作难度较高，要花费较多的人力与时间，成本较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的耐磨性较弱、使用寿命较短、机械强度较低的缺陷与问题，提供一种的耐磨性较强、使用寿命较长、机械强度较高的重型车用钢基复合树脂基的同步器环。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，包括外齿环与内摩擦环，且外齿环的内弧面与内摩擦环的外弧面固定连接；
所述外齿环的内弧面与内摩擦环的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，且在外齿环的内弧面上开设有至少三条与内摩擦环外弧面相啮合的外齿槽。
所述内摩擦环的内弧面上均匀开设有至少两条内凹槽，且在相邻的内凹槽之间设置有内凸条。
所述内凸条上设置有摩擦纹理。
所述外齿环的制造材料为金属，内摩擦环的制造材料为纤维增强PPS树脂，该纤维增强PPS树脂是纤维与PPS树脂的混合物。
所述纤维是玻璃纤维或碳纤维，且纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为15％–40％。
所述纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％.
当纤维为玻璃纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为40％；
当纤维为碳纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％。
所述外齿环的制造方式为金属锻造，内摩擦环的制造方式为纤维增强PPS树脂在外齿环内注塑成型。
所述外齿环的制造材料是20CrMnTi齿轮钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环中，外齿环的内弧面与内摩擦环的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，即外齿环内弧面、内摩擦环外弧面通过凹凸镶嵌的方式结合为一体，与现有通过粘结剂的连接方式相比，其破坏形式为内摩擦环的材料层本体破坏，而不是界面破坏，强度更高，此外，制作时无需粘接工艺，直接注塑成型，工艺简单，环保，成本更低。因此，本发明不仅机械强度较高，而且能简化制作工艺。
2、本发明一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环中，内摩擦环的制造材料为纤维增强PPS树脂，其中，单PPS树脂而言，其优点如下：首先，PPS树脂的材料强度、韧性很好，远高于现有技术采用的酚醛树脂，耐磨性很好，使用寿命较长；其次，PPS树脂的耐热性好，适用于注塑成型，不仅利于提高产品制作时的尺寸精度，而且便于降低操作难度，减少成本。尤其当PPS树脂中混有纤维，即为本设计采用的纤维增强PPS树脂时，耐磨性能更是大幅提高。因此，本设计的耐磨性能较好，使用寿命较长。
3、本发明一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环中，外齿环的制造材料为金属，内摩擦环的制造材料为纤维增强PPS树脂，其中，外齿环的金属结构赋予同步器环整体高强度结构，相比于传统铜合金、粉末冶金同步器环，具有高强度的优势，尤其当外齿环的制造材料是20CrMnTi齿轮钢时，强度更高，同时，纤维增强PPS树脂制造的内摩擦环也比现有酚醛树脂制作的强度要高。因此，本发明的机械强度很高。
4、本发明一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，只包括凹凸镶嵌的外齿环、内摩擦环这两个零部件，其中，外齿环的制造方式为金属锻造，内摩擦环的制造方式为纤维增强PPS树脂在外齿环内注塑成型，并不需要现有技术中的粘贴步骤，步骤数量少，操作简易。因此，本发明结构简单，易于制造。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中A–A方向的剖视图。
图3是图2中B处的放大示意图。
图4是本发明中实施例4、5，及现有技术中喷钼样品经模拟同步试验后的对比图。
图中：外齿环1、外齿槽11、内摩擦环2、内凹槽21、内凸条22、摩擦纹理23。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1–图4，一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，包括外齿环1与内摩擦环2，且外齿环1的内弧面与内摩擦环2的外弧面固定连接；
所述外齿环1的内弧面与内摩擦环2的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，且在外齿环1的内弧面上开设有至少三条与内摩擦环2外弧面相啮合的外齿槽11。
所述内摩擦环2的内弧面上均匀开设有至少两条内凹槽21，且在相邻的内凹槽21之间设置有内凸条22。
所述内凸条22上设置有摩擦纹理23。
所述外齿环1的制造材料为金属，内摩擦环2的制造材料为纤维增强PPS树脂，该纤维增强PPS树脂是纤维与PPS树脂的混合物。
所述纤维是玻璃纤维或碳纤维，且纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为15％–40％。
所述纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％.
当纤维为玻璃纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为40％；
当纤维为碳纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％。
所述外齿环1的制造方式为金属锻造，内摩擦环2的制造方式为纤维增强PPS树脂在外齿环1内注塑成型。
所述外齿环1的制造材料是20CrMnTi齿轮钢。
本发明的原理说明如下：
一、凹凸镶嵌结合：
参见图3，本发明中外齿环的内弧面与内摩擦环的外弧面之间的连接方式是凹凸镶嵌连接，制作时，先锻造外齿环，且在外齿环的内弧面上开设有外齿槽，再以外齿环为基体，在其内部注塑树脂，以形成内摩擦环，注塑时，树脂材料会注满外齿槽，从而实现外齿环、内摩擦环之间的凹凸镶嵌。
外齿环、内摩擦环采取凸凹镶嵌的结合方式相比同步器环中传统的粘接剂粘接方式，具有以下优点：
1、工艺简单，环保，无需粘接工艺，直接注塑成型，工艺成本更低；
2、结构强度高，其破坏形式为PPS材料层本体破坏，而粘接剂主要为界面破坏。
二、纤维增强PPS树脂：
PPS树脂：聚苯硫醚，全称为聚亚苯基硫醚，英文名称为Polyphenylene sulfide,简称PPS。
纤维增强PPS树脂：纤维与PPS树脂的混合物，是一种改性塑料材料，本设计采用的是碳纤维增强PPS树脂、玻璃纤维增强PPS树脂两种。与酚醛树脂相比，纤维增强PPS树脂材料不仅机械强度高很多，而且具有很优异的摩擦磨损性能，其摩损试验数据及与同类型同步器环摩擦材料性能的比较请看下方表格(试验方法按GB3960-1983)：
表1、同步器环材料摩擦磨损试验
试验证明，纤维增强PPS树脂与同步器环现用制造材料(喷钼、铜合金等)相比，具有优异的机械性能和耐温性，以及更优良的摩擦磨耗性能，在相同试验条件下测得其耐磨损寿命高于喷钼、铜合金等同步器环材料。
纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为15％–40％：当纤维含量低于15％时，其材料强度无法达到同步器环产品强度要求；而当纤维含量高于40％时，材料冲击强度下降较多，难以满足产品的韧性要求，且由于纤维取向，成型精度难以保证。
实施例1：
参见图1–图3，一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，包括外齿环1与内摩擦环2，所述外齿环1的内弧面与内摩擦环2的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，且在外齿环1的内弧面上开设有至少三条与内摩擦环2外弧面相啮合的外齿槽11，内摩擦环2的内弧面上均匀开设有至少两条内凹槽21，相邻的内凹槽21之间设置有内凸条22，该内凸条22上设置有摩擦纹理23；
所述外齿环1的制造材料为金属，内摩擦环2的制造材料为纤维增强PPS树脂，该纤维增强PPS树脂是纤维与PPS树脂的混合物，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为15％，且纤维为玻璃纤维或碳纤维。
制造时，先锻造加工成外齿环，再将做好的外齿环放入注塑机模具中，然后在外齿环内圈注射纤维增强PPS树脂以注塑成型内摩擦环。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％。
实施例3：
基本内容同实施例1，不同之处在于纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为40％。
实施例4：
基本内容同实施例1，不同之处在于：纤维是玻璃纤维，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为40％。
实施例5：
基本内容同实施例1，不同之处在于：纤维是碳纤维，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30％。
模拟同步实验：
将重型车用喷钼同步器环(1#试样)与本发明实施例4、5制备的同步器环(2#：玻璃纤维增强PPS树脂同步器环样件、3#碳纤增强PPS树脂同步器环样件)进行模拟同步台架对比实验。试验模拟重型车变速箱总成工作介质、温度、转速、压力及同步时间等运行参数条件，具体参数设定见表2，1万次模拟试验后测试结果见表3。
表2、模拟同步试验条件
表3、模拟同步试验结果
从上述测试结果可知，实施例4、5中样件2#、3#相比于对比件喷钼同步环1#具有明显的耐磨损性能优势，动摩擦系数在整个试验过程中保持稳定，并且测试后没有破环配合件的表面(见图4)，能够满足重型车变速箱同步器环的性能要求。对于对同步器环动摩擦系数要求更高的变速箱产品，本设计还可以对内摩擦环内弧面上内凹槽进行纹理设计来提高零件动摩擦系数以满足设计要求。
Claims (9)
1.一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，包括外齿环（1）与内摩擦环（2），且外齿环（1）的内弧面与内摩擦环（2）的外弧面固定连接，其特征在于：
所述外齿环（1）的内弧面与内摩擦环（2）的外弧面凹凸镶嵌连接为一体，且在外齿环（1）的内弧面上开设有至少三条与内摩擦环（2）外弧面相啮合的外齿槽（11）。
2.根据权利要求1所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述内摩擦环（2）的内弧面上均匀开设有至少两条内凹槽（21），且在相邻的内凹槽（21）之间设置有内凸条（22）。
3.根据权利要求2所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述内凸条（22）上设置有摩擦纹理（23）。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述外齿环（1）的制造材料为金属，内摩擦环（2）的制造材料为纤维增强PPS树脂，该纤维增强PPS树脂是纤维与PPS树脂的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述纤维是玻璃纤维或碳纤维，且纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为15%–40%。
6.根据权利要求5所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30%。
7.根据权利要求5所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：
当纤维为玻璃纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为40%；
当纤维为碳纤维时，纤维在纤维增强PPS树脂中的质量百分比浓度为30%。
8.根据权利要求4所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述外齿环（1）的制造方式为金属锻造，内摩擦环（2）的制造方式为纤维增强PPS树脂在外齿环（1）内注塑成型。
9.根据权利要求4所述的一种重型车用钢基复合树脂基的同步器环，其特征在于：所述外齿环（1）的制造材料是20CrMnTi齿轮钢。
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