Lehrstuhl für Maschinenelemente Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau Prof. Dr.-Ing. K. Stahl, Prof. i. R. Dr.-Ing. B.-R. Höhn

Technische Universität München

Synchronizers for MT and DCT Application Performance Evaluation of Friction Materials & Lubricants AUTOMOTIVE WORLD, Chennai, 26.04.2012

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 1

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Megatrends at Transmission Technology  Improvement of Efficiency  Increase of Performance Power Density Reduction of Cost and Weight  Improvement of Reliability

Effective Cooperation Supplier/Customer Standardization of Methods and Tools

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 2

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Manual 5-Speed Transmission - Principle Gear

5

R

3

4 1

2

Input (Engine)

Output

n in

n out JK

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 3

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Requirements for Synchronizers: Friction Clutch to reduce rot. Speed at Toothed Clutch Blocking while rot. Speed Shift Feel Comfort

Function of Lubricant: Lubrication Reduce Wear Prevent Scuffing (Overlaoding) Optimize Friction Cooling

Function of Friction Material: Prevent Hydodynamic Pressure Wear Resistance Overloading Capacity 26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 4

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Exploided Drawing Synchro-System

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 5

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Tribological System – Friction Clutch Load

Lubricant

Friction Behaviour Wear Behaviour

Friction Material 26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 6

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Gear and Synchronizer Ring - Brass

Friction Surface Brass

Friction Surface Steel Blocker Teeth

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 7

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Metallic Friction Materials

Brass

Moly Sinter A welded

26.04.2012 308.06.41

Sinter B

Sinter C

welded

deep drawn

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 8

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Organic Friction Materials

Carbon A 26.04.2012 308.06.41

Carbon B

Carbon C

Carbon D

Synchronizer Performance Evaluation

Carbon E H. Pflaum 9

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Standard-Synchonizer-Test-Rig ZF/FZG SSP-180

Aims: Friction-, Wear- and Endurance Behaviour 26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 10

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Standard-Synchonizer-Test Rig ZF/FZG SSP-180

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 11

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SSP-180 - Measured Signals of Engagement s [mm] TR [Nm] Fa [N] 2.50

90

900

1.50

80

800

µ [-]

Fa

n [1/min] K

0.150

2375

0.135

2125

0.120

1875

0.50

70

700

-0.50

60

600

0.105

1625

-1.50

50

500

0.090

1375

-2.50

40

400

0.075

1125

-3.50

30

300

0.060

875

-4.50

20

200

0.045

625

-5.50

10

100

0.030

375

-6.50

0

0

0.015

125

-7.50

-10

0.000

-125

s

-100

µ

TR

nK

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

Messdauer [s] / time [s]

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 12

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Endurance Test Method 12

vg [m/s] / p [N/mm²]

10

8

6

vg = const.

4

2

0

p= const.

v [m/s] p [N/mm²]

Total Cycles 26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

100000

H. Pflaum 13

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Suitability of Test Methods:  Endurance Test Method  Brass  Sintered Friction Lining  CARBON Friction Lining

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 14

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Influence of Lubricant on Endurance Life of CARBON Synchro

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 15

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v -Load Stage Test

g v-Load Stage Test Method

20 18 16

vg [m/s]

14 12 10 8 6 4 2

p= const.

v [m/s]

0 1000

2000

p [N/mm²] 3000

4000

5000

6000

Total Cycles 26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

7000

8000

H. Pflaum 16

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Engagements – without/with Scuffing test:AF109/ cycle95

FZG test rig SSP

0,200

2500

2500

250

2,00

µ

n

FA

TR

s

[-]

[/min]

[N]

[Nm]

[mm]

0,160

2000

2000

200

1,00

0,140

1750

1750

175

0,50

0,120

1500

1500

150

0,00

0,100

1250

1250

125

-0,50

test:AF109/ cycle102 0,080

1000

1000

0,060

750

750

0,040

500

500

0,020

250

250

0,000

0

0

0,200

2500

2500

µ

n

FA

[-]

[/min]

[N]

0,160

0,00

0,25

0,50

0,75

2000

2000

0,140 1,00 1750

1750

0,120

1500

100

-1,00

75

-1,50

50

-2,00

25

-2,50

0

-3,00

FZG test rig SSP

1,25

250

2,00

TR

s

[Nm]

[mm]

200

1,00

175

0,50

150

0,00

125

-0,50

time[s] Zeit[s] oil: B09-003315

Part No. A-Side: AF109 Part No. B-Side: SG713

date: 14.7.09 synchro: ZF BK 119

0,100

Kennwerte: n[/ min] = 701

1500

steel : St friction mat.: Mo

1250

1250

FA[N] = 871

frict. torque[Nm] = 47

0,080

1000

1000

100

-1,00

0,060

750

750

75

-1,50

0,040

500

500

50

-2,00

0,020

250

250

25

-2,50

0,000

0

0

0

-3,00

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

time[s] Zeit[s]

26.04.2012

oil: B09-003315

Part No. A-Side: AF109 Part No. B-Side: SG713

steel : St friction mat.: Mo

Synchronizer Performance Evaluation Kennwerte:

308.06.41

n[/ min] = 1214

FA[N] = 805

date: 14.7.09 synchro: ZF BK 119

H. Pflaum 17

frict. torque[Nm] = 49

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Moly Scuffing Behaviour – Influnce of Lubricants

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 18

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Summary  Synchronizer Performance Core Requirement for Transmission Performance

 Standardization of Test Machine and Test Methods  Performance Criteria for Synchronizers  Friction Behaviour  Wear Behaviour  Overloading Capacity

 Test Methods Specific for Friction Material

26.04.2012 308.06.41

Synchronizer Performance Evaluation

H. Pflaum 19