拖拉機離合器非標角接觸球軸承的優化設計

王海威，劉菁，李明利，孫晶，賈松陽

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

拖拉機是現代化農業生產中最常見且不可替代的動力機械，隨著農用機械的發展，拖拉機被應用到國內外更多樣化的地區，使用工況復雜，自動化程度高，對拖拉機各部件的可靠性要求也越來越高。離合器是保證拖拉機正常工作的重要部件，其中分離軸承對離合器起重要作用。拖拉機離合器軸承需承受軸向力并滿足高轉速的要求，從推力球軸承發展到角接觸球軸承,離合器軸承規格未統一，均為非標軸承,軸承結構、材料等均由軸承生產廠家設定[1]。拖拉機離合器軸承復雜的工況條件、操控安全性、非標特性等因素使該位置軸承面臨更多考驗。

文獻[2-7]對離合器及離合器軸承的維護和失效進行了研究，但均從應用角度出發，缺乏軸承設計和制造方面的研究。鑒于此，介紹了離合器軸承的工作原理和特點，結合某工程應用中離合器軸承失效情況，提出了相應的改進措施。

1 離合器軸承工作原理及使用工況

現有拖拉機通常采用雙離合器，主離合器提供拖拉機行走的動力，副離合器提供拖拉機后掛農具的動力。拖拉機主、副離合器分別對應主、副分離軸承。

1.1 工作原理

某拖拉機離合器典型結構[8]如圖1所示，離合器軸承工作原理如下：

1—副離合器從動盤總成；2—副離合器壓盤；3—連接桿；4—碟形彈簧；5—主離合器壓盤；6—主離合器從動盤總成；7—離合器蓋；8—扭簧；9—副離合器分離杠桿；10—副分離桿桿頭;11—副分離套筒；12—副分離軸承；13—主分離套筒；14—主分離軸承；15—主分離桿桿頭；16—主離合器分離杠桿；17—小杠桿；18—銷軸；19—調整螺釘圖1 拖拉機離合器典型結構Fig.1 Typical structure of tractor clutch

1)未踩下離合時，飛輪帶動離合器總成旋轉，主、副分離軸承內圈分別與主、副分離套筒過盈配合，隨分離套筒旋轉。

2)踩下離合后，主、副離合器分離杠桿桿頭與分離軸承外圈端面接觸，外圈旋轉。力通過離合器分離杠桿傳遞到離合器分離軸承外圈端面，離合器軸承移向離合器壓盤中心，壓盤被推離離合器片，使離合器片與飛輪分離。

3)松開離合后，壓盤內彈簧壓力會將壓盤前推，壓向離合器片，使離合器片與離合器軸承分離，完成一個工作循環。

1.2 使用工況

主、副分離軸承均為角接觸球軸承，結構如圖2所示。離合器軸承尺寸小，套圈及鋼球材料均為GCr15，保持架材料為尼龍。兩軸承外圈端面為工作摩擦接觸面，外圈結構與標準軸承不同。主離合軸承單側帶密封，副離合軸承雙側帶密封，密封采用接觸式氟橡膠雙唇密封。潤滑方式為脂潤滑。

圖2 離合器軸承結構示意圖Fig.2 Structure diagram of clutch bearing

主、副分離軸承均承受軸向力、徑向力和輕微扭矩，相對于軸承額定載荷，受力較小。軸承轉速大于2 000 r/min，工作溫度大于300 ℃。

2 離合器軸承的失效分析

2.1 失效情況

拖拉機在耕作時因頻繁使用離合器多次出現分離軸承燒毀，引起離合器損壞。拆解失效軸承發現：1)內、外圈溝道已無殘留潤滑脂;2)內圈溝道輕微剝落，內圈部分位置出現變色(圖3);3)保持架燒毀、斷裂;4) 端面密封材料出現裂紋，唇口部分開裂，密封失效。

圖3 內圈滾道失效情況Fig.3 Failure of inner ring raceway

2.2 失效原因

主、副分離軸承分別過盈安裝在離合器主、副分離套筒上，內圈轉動。踩下離合器后，離合器分離杠桿與分離軸承外圈端面摩擦接觸，外圈轉動。在離合器頻繁操縱工況下，離合器盤式摩擦片之間磨損加劇，產生大量熱量，導致離合器內部溫度升高。過高的溫度引起橡膠密封失效，潤滑脂流失，球與溝道磨損加劇等一系列問題，從而引起軸承早期失效。

3 改進措施

1)提高回火溫度。套圈及鋼球在淬火后進行高溫回火，提高軸承在高溫工況下的尺寸穩定性。

2)外圈端面終磨后增加超精工序。對外圈端面進行超精處理，可改善端面粗糙度，減少摩擦生熱量。

3)改進軸承密封。將接觸式橡膠密封改成非接觸式金屬防塵蓋密封(圖4)，外圈結構不變，內圈擋邊處設計成臺階狀，形成簡易迷宮結構，金屬防塵蓋壓裝在外圈密封槽內。非接觸式密封可減小密封與內圈之間的摩擦，高溫下金屬材料不易失效。

1—外圈；2—防塵蓋：3—內圈

4)將尼龍保持架改為沖壓鋼制碗形保持架。離合器及軸承結構緊湊，內部空間較小，可參考文獻[9]對沖壓碗形保持架進行優化設計。碗形保持架具有強度高，變形小，裝配容易等優點，承受軸向沖擊載荷和高溫環境的能力更強。

5)潤滑脂選型和填脂量應考慮脂的耐高溫性能。選擇工作溫度為-30～300 ℃的長城鋰基潤滑脂，填脂量占軸承內部空間的30%～50%。

沖壓鋼制碗形保持架如圖5所示，改進后的軸承結構如圖6所示。

圖5 沖壓鋼制碗形保持架Fig.5 Stamped steel bowl-shaped cage

圖6 改進后的離合器軸承結構Fig.6 Optimized structure of clutch bearing

4 試驗驗證

搭建試驗臺模擬離合器軸承的實際工作狀態，根據其使用工況對離合器進行試驗。測得改進前后主、副離合器軸承溫度見表1，改進后軸承溫度降低。拆解試驗后的離合器軸承，金屬防塵蓋及內部結構完好，試驗過程中未出現高溫燒毀軸承和離合器現象，改進后的軸承可滿足離合器的高溫工況要求。

表1 改進前后主、副離合器軸承試驗溫度Tab.1 Test temperature of primary and secondary clutch bearings before and after improvement ℃

5 結束語

介紹了拖拉機離合器軸承的工作原理，并結合實際案例提出了離合器軸承的優化方案，改進后的軸承可以滿足離合器的高溫工況要求。未來有必要在離合器軸承技術上統一標準，并改進離合器結構，從根本上降低離合器的摩擦發熱。