拖拉機(jī)離合器非標(biāo)角接觸球軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王海威，劉菁，李明利，孫晶，賈松陽(yáng)

(1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039)

拖拉機(jī)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最常見(jiàn)且不可替代的動(dòng)力機(jī)械，隨著農(nóng)用機(jī)械的發(fā)展，拖拉機(jī)被應(yīng)用到國(guó)內(nèi)外更多樣化的地區(qū)，使用工況復(fù)雜，自動(dòng)化程度高，對(duì)拖拉機(jī)各部件的可靠性要求也越來(lái)越高。離合器是保證拖拉機(jī)正常工作的重要部件，其中分離軸承對(duì)離合器起重要作用。拖拉機(jī)離合器軸承需承受軸向力并滿(mǎn)足高轉(zhuǎn)速的要求，從推力球軸承發(fā)展到角接觸球軸承,離合器軸承規(guī)格未統(tǒng)一，均為非標(biāo)軸承,軸承結(jié)構(gòu)、材料等均由軸承生產(chǎn)廠(chǎng)家設(shè)定[1]。拖拉機(jī)離合器軸承復(fù)雜的工況條件、操控安全性、非標(biāo)特性等因素使該位置軸承面臨更多考驗(yàn)。

文獻(xiàn)[2-7]對(duì)離合器及離合器軸承的維護(hù)和失效進(jìn)行了研究，但均從應(yīng)用角度出發(fā)，缺乏軸承設(shè)計(jì)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(diǎn)，結(jié)合某工程應(yīng)用中離合器軸承失效情況，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 離合器軸承工作原理及使用工況

現(xiàn)有拖拉機(jī)通常采用雙離合器，主離合器提供拖拉機(jī)行走的動(dòng)力，副離合器提供拖拉機(jī)后掛農(nóng)具的動(dòng)力。拖拉機(jī)主、副離合器分別對(duì)應(yīng)主、副分離軸承。

1.1 工作原理

某拖拉機(jī)離合器典型結(jié)構(gòu)[8]如圖1所示，離合器軸承工作原理如下：

1—副離合器從動(dòng)盤(pán)總成；2—副離合器壓盤(pán)；3—連接桿；4—碟形彈簧；5—主離合器壓盤(pán)；6—主離合器從動(dòng)盤(pán)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(xiāo)軸；19—調(diào)整螺釘圖1 拖拉機(jī)離合器典型結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical structure of tractor clutch

1)未踩下離合時(shí)，飛輪帶動(dòng)離合器總成旋轉(zhuǎn)，主、副分離軸承內(nèi)圈分別與主、副分離套筒過(guò)盈配合，隨分離套筒旋轉(zhuǎn)。

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(zhuǎn)。力通過(guò)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(pán)中心，壓盤(pán)被推離離合器片，使離合器片與飛輪分離。

3)松開(kāi)離合后，壓盤(pán)內(nèi)彈簧壓力會(huì)將壓盤(pán)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(gè)工作循環(huán)。

1.2 使用工況

主、副分離軸承均為角接觸球軸承，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)軸承不同。主離合軸承單側(cè)帶密封，副離合軸承雙側(cè)帶密封，密封采用接觸式氟橡膠雙唇密封。潤(rùn)滑方式為脂潤(rùn)滑。

圖2 離合器軸承結(jié)構(gòu)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(duì)于軸承額定載荷，受力較小。軸承轉(zhuǎn)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(jī)在耕作時(shí)因頻繁使用離合器多次出現(xiàn)分離軸承燒毀，引起離合器損壞。拆解失效軸承發(fā)現(xiàn)：1)內(nèi)、外圈溝道已無(wú)殘留潤(rùn)滑脂;2)內(nèi)圈溝道輕微剝落，內(nèi)圈部分位置出現(xiàn)變色(圖3);3)保持架燒毀、斷裂;4) 端面密封材料出現(xiàn)裂紋，唇口部分開(kāi)裂，密封失效。

圖3 內(nèi)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(guò)盈安裝在離合器主、副分離套筒上，內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。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(zhuǎn)動(dòng)。在離合器頻繁操縱工況下，離合器盤(pán)式摩擦片之間磨損加劇，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致離合器內(nèi)部溫度升高。過(guò)高的溫度引起橡膠密封失效，潤(rùn)滑脂流失，球與溝道磨損加劇等一系列問(wèn)題，從而引起軸承早期失效。

3 改進(jìn)措施

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

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

3)改進(jìn)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(jié)構(gòu)不變，內(nèi)圈擋邊處設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀，形成簡(jiǎn)易迷宮結(jié)構(gòu)，金屬防塵蓋壓裝在外圈密封槽內(nèi)。非接觸式密封可減小密封與內(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部空間較小，可參考文獻(xiàn)[9]對(duì)沖壓碗形保持架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。碗形保持架具有強(qiáng)度高，變形小，裝配容易等優(yōu)點(diǎn)，承受軸向沖擊載荷和高溫環(huán)境的能力更強(qiáng)。

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

沖壓鋼制碗形保持架如圖5所示，改進(jìn)后的軸承結(jié)構(gòu)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(jìn)后的離合器軸承結(jié)構(gòu)Fig.6 Optimized structure of clutch bearing

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

搭建試驗(yàn)臺(tái)模擬離合器軸承的實(shí)際工作狀態(tài)，根據(jù)其使用工況對(duì)離合器進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)得改進(jìn)前后主、副離合器軸承溫度見(jiàn)表1，改進(jìn)后軸承溫度降低。拆解試驗(yàn)后的離合器軸承，金屬防塵蓋及內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)高溫?zé)龤лS承和離合器現(xiàn)象，改進(jìn)后的軸承可滿(mǎn)足離合器的高溫工況要求。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了拖拉機(jī)離合器軸承的工作原理，并結(jié)合實(shí)際案例提出了離合器軸承的優(yōu)化方案，改進(jìn)后的軸承可以滿(mǎn)足離合器的高溫工況要求。未來(lái)有必要在離合器軸承技術(shù)上統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并改進(jìn)離合器結(jié)構(gòu)，從根本上降低離合器的摩擦發(fā)熱。