拖拉机离合器非标角接触球轴承的优化设计

王海威，刘菁，李明利，孙晶，贾松阳

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039)

拖拉机是现代化农业生产中最常见且不可替代的动力机械，随着农用机械的发展，拖拉机被应用到国内外更多样化的地区，使用工况复杂，自动化程度高，对拖拉机各部件的可靠性要求也越来越高。离合器是保证拖拉机正常工作的重要部件，其中分离轴承对离合器起重要作用。拖拉机离合器轴承需承受轴向力并满足高转速的要求，从推力球轴承发展到角接触球轴承,离合器轴承规格未统一，均为非标轴承,轴承结构、材料等均由轴承生产厂家设定[1]。拖拉机离合器轴承复杂的工况条件、操控安全性、非标特性等因素使该位置轴承面临更多考验。

文献[2-7]对离合器及离合器轴承的维护和失效进行了研究，但均从应用角度出发，缺乏轴承设计和制造方面的研究。鉴于此，介绍了离合器轴承的工作原理和特点，结合某工程应用中离合器轴承失效情况，提出了相应的改进措施。

1 离合器轴承工作原理及使用工况

现有拖拉机通常采用双离合器，主离合器提供拖拉机行走的动力，副离合器提供拖拉机后挂农具的动力。拖拉机主、副离合器分别对应主、副分离轴承。

1.1 工作原理

某拖拉机离合器典型结构[8]如图1所示，离合器轴承工作原理如下：

1—副离合器从动盘总成；2—副离合器压盘；3—连接杆；4—碟形弹簧；5—主离合器压盘；6—主离合器从动盘总成；7—离合器盖；8—扭簧；9—副离合器分离杠杆；10—副分离杆杆头;11—副分离套筒；12—副分离轴承；13—主分离套筒；14—主分离轴承；15—主分离杆杆头；16—主离合器分离杠杆；17—小杠杆；18—销轴；19—调整螺钉图1 拖拉机离合器典型结构Fig.1 Typical structure of tractor clutch

1)未踩下离合时，飞轮带动离合器总成旋转，主、副分离轴承内圈分别与主、副分离套筒过盈配合，随分离套筒旋转。

2)踩下离合后，主、副离合器分离杠杆杆头与分离轴承外圈端面接触，外圈旋转。力通过离合器分离杠杆传递到离合器分离轴承外圈端面，离合器轴承移向离合器压盘中心，压盘被推离离合器片，使离合器片与飞轮分离。

3)松开离合后，压盘内弹簧压力会将压盘前推，压向离合器片，使离合器片与离合器轴承分离，完成一个工作循环。

1.2 使用工况

主、副分离轴承均为角接触球轴承，结构如图2所示。离合器轴承尺寸小，套圈及钢球材料均为GCr15，保持架材料为尼龙。两轴承外圈端面为工作摩擦接触面，外圈结构与标准轴承不同。主离合轴承单侧带密封，副离合轴承双侧带密封，密封采用接触式氟橡胶双唇密封。润滑方式为脂润滑。

图2 离合器轴承结构示意图Fig.2 Structure diagram of clutch bearing

主、副分离轴承均承受轴向力、径向力和轻微扭矩，相对于轴承额定载荷，受力较小。轴承转速大于2 000 r/min，工作温度大于300 ℃。

2 离合器轴承的失效分析

2.1 失效情况

拖拉机在耕作时因频繁使用离合器多次出现分离轴承烧毁，引起离合器损坏。拆解失效轴承发现：1)内、外圈沟道已无残留润滑脂;2)内圈沟道轻微剥落，内圈部分位置出现变色(图3);3)保持架烧毁、断裂;4) 端面密封材料出现裂纹，唇口部分开裂，密封失效。

图3 内圈滚道失效情况Fig.3 Failure of inner ring raceway

2.2 失效原因

主、副分离轴承分别过盈安装在离合器主、副分离套筒上，内圈转动。踩下离合器后，离合器分离杠杆与分离轴承外圈端面摩擦接触，外圈转动。在离合器频繁操纵工况下，离合器盘式摩擦片之间磨损加剧，产生大量热量，导致离合器内部温度升高。过高的温度引起橡胶密封失效，润滑脂流失，球与沟道磨损加剧等一系列问题，从而引起轴承早期失效。

3 改进措施

1)提高回火温度。套圈及钢球在淬火后进行高温回火，提高轴承在高温工况下的尺寸稳定性。

2)外圈端面终磨后增加超精工序。对外圈端面进行超精处理，可改善端面粗糙度，减少摩擦生热量。

3)改进轴承密封。将接触式橡胶密封改成非接触式金属防尘盖密封(图4)，外圈结构不变，内圈挡边处设计成台阶状，形成简易迷宫结构，金属防尘盖压装在外圈密封槽内。非接触式密封可减小密封与内圈之间的摩擦，高温下金属材料不易失效。

1—外圈；2—防尘盖：3—内圈

4)将尼龙保持架改为冲压钢制碗形保持架。离合器及轴承结构紧凑，内部空间较小，可参考文献[9]对冲压碗形保持架进行优化设计。碗形保持架具有强度高，变形小，装配容易等优点，承受轴向冲击载荷和高温环境的能力更强。

5)润滑脂选型和填脂量应考虑脂的耐高温性能。选择工作温度为-30～300 ℃的长城锂基润滑脂，填脂量占轴承内部空间的30%～50%。

冲压钢制碗形保持架如图5所示，改进后的轴承结构如图6所示。

图5 冲压钢制碗形保持架Fig.5 Stamped steel bowl-shaped cage

图6 改进后的离合器轴承结构Fig.6 Optimized structure of clutch bearing

4 试验验证

搭建试验台模拟离合器轴承的实际工作状态，根据其使用工况对离合器进行试验。测得改进前后主、副离合器轴承温度见表1，改进后轴承温度降低。拆解试验后的离合器轴承，金属防尘盖及内部结构完好，试验过程中未出现高温烧毁轴承和离合器现象，改进后的轴承可满足离合器的高温工况要求。

表1 改进前后主、副离合器轴承试验温度Tab.1 Test temperature of primary and secondary clutch bearings before and after improvement ℃

5 结束语

介绍了拖拉机离合器轴承的工作原理，并结合实际案例提出了离合器轴承的优化方案，改进后的轴承可以满足离合器的高温工况要求。未来有必要在离合器轴承技术上统一标准，并改进离合器结构，从根本上降低离合器的摩擦发热。