重型卡车钢板弹簧骑马螺栓拧紧力矩衰减探讨

2012-08-24李海波居刚修永芝

专用汽车 2012年3期

李海波居刚修永芝

江淮汽车股份有限公司

1 前言

骑马螺栓是汽车悬架系统最重要的零部件之一，它的主要作用是保证钢板弹簧在桥或平衡轴上的固定，实现板簧各片间的贴合，防止板簧的纵向及横向的蹿动，此外，骑马螺栓对钢板弹簧片的刚度及应力分布也有较大影响[1]。影响骑马螺栓使用的主要问题是骑马螺栓拧紧力矩的衰减，这是导致钢板弹簧中心螺栓断裂，钢板弹簧错位的主要原因，同时，其对钢板弹簧的刚度也有较大影响，是造成重卡悬架系统零部件损坏的重要诱因。本文基于对重卡骑马螺栓的功能分析，研究骑马螺栓在钢板弹簧不同安装方式下的的受力状态，确定骑马螺栓拧紧力矩衰减的原因，并提出了减缓骑马螺栓拧紧力矩衰减的措施。

2 骑马螺栓的受力分析

根据钢板弹簧的制造工艺，重卡采用的多片簧是通过各片曲率不同的钢板弹簧片堆叠而成的[2]，其整体呈椭圆弧形，通过钢板弹簧盖板和骑马螺栓固定在桥或平衡轴上，如图1所示。根据承载方式不同，钢板弹簧的安装方式分为正向和反向安装两种。下面基于钢板弹簧的两种安装方式对骑马螺栓拧紧力矩衰减问题进行分析。

2.1 钢板弹簧安装时的预紧力

理论上，钢板弹簧无承载安装时由自由状态变为夹紧状态，骑马螺栓距内部分即由圆弧状态变成平直状态，故安装时骑马螺栓的预紧力为：

式中，F 为车辆无承载时，弹簧钢板正向安装时骑马螺栓的预紧力；F1为克服钢板弹簧变形的力；F2为钢板弹簧压平后骑马螺栓对钢板弹簧的残余正压力；Fη为克服板簧各片间摩擦需要的力。

对于正向安装的钢板弹簧，钢板弹簧凹曲方向与骑马螺栓的拧紧方向相反，因此通过对骑马螺栓的拧紧可以实现钢板弹簧的安装，拧紧后的钢板弹簧如图2(a)所示，此时钢板弹簧骑马螺栓距内的弧高由ε减小到ε´。对于正向安装的板簧，基本可以实现ε≈0，即骑马螺栓距内部的钢板弹簧压平，钢板弹簧紧固到理想状态。

反向安装的钢板弹簧，钢板弹簧凹曲方向与骑马螺栓的拧紧方向相同，因此在钢板弹簧装配过程中，在骑马螺栓的作用下板簧盖板首先受力，并通过板簧盖板来实现对钢板弹簧的夹紧。在理想状态下，如果板簧盖板为刚体，则可以实现骑马螺栓距内钢板弹簧的压平，达到夹紧状态。

由材料力学的刚度的计算公式可知，骑马螺栓距内钢板弹簧的刚度为：

式中，C1为骑马螺栓距内钢板弹簧的刚度；E为材料的弹性模量；I为各片钢板弹簧的抗弯截面系数，b为钢板弹簧的厚度；h为钢板弹簧的宽度；Sn为钢板弹簧的骑马螺栓距。

由刚度的计算公式可知，对刚度影响最大的是板材的厚度值。在实际状态下板簧盖板的厚度远小于钢板弹簧的厚度，即板簧盖板的刚度小于骑马螺栓距内的钢板弹簧刚度，并且在钢板弹簧装配过程中，钢板弹簧片间还存在较大的内摩擦力，因此，在安装过程中，板簧盖板首先会发生变形δ，同时骑马螺栓距内的钢板弹簧在板簧盖板的作用下弧高ε也会减小，直到板簧盖板逐渐与钢板弹簧贴合。由于板簧盖板的刚度小于骑马螺栓距内钢板弹簧的刚度，因此，在骑马螺栓拧紧后，骑马螺栓距内的钢板弹簧也无法实现压平，存在微小弧高ε´。此时骑马螺栓的预紧力可表示为：

式中，Q为车辆无承载时，弹簧钢板反向安装时骑马螺栓的预紧力；Q1为克服钢板弹簧变形的力；Q2为克服钢板弹簧盖板变形的力；Q3为钢板弹簧盖板与钢板弹簧贴合后骑马螺栓对钢板弹簧的残余正压力；Qη为克服板簧各片间摩擦需要的力。

2.2 车辆运行时骑马螺栓的工作载荷

车辆运行过程中由于钢板弹簧承受载荷（只考虑垂直载荷），故钢板弹簧弧高减小，则此时骑马螺栓的受力状态为：

对于正向安装的钢板弹簧，车辆运行状态下的悬架状态如图3(a)所示，由于钢板弹簧受力G与骑马螺栓受力F方向相同，则此时骑马螺栓的工作载荷为：

式中，F1´为车辆运行状态下钢板弹簧正向安装时骑马螺栓的工作载荷；F1´为克服骑马螺栓距内钢板弹簧变形的力。

由于钢板弹簧承载时弧高减小，故骑马螺栓距内钢板弹簧的势能也随之减小，即克服骑马螺栓距内钢板弹簧势能的力减小，即 F1´

可见，此时骑马螺栓的工作载荷小于骑马螺栓安装时的预紧力。如果特殊情况下板簧安装过程中的弧高ε´足够大，会导致悬架系统板簧盖板与钢板弹簧分离，如图3(a)所示，即骑马螺栓的工作载荷为零。

对于反向安装的钢板弹簧如图3(b)所示，钢板弹簧的受力与骑马螺栓的受力方向相反，则骑马螺栓的工作载荷为：

式中，Q´为车辆运行状态下钢板弹簧反向安装时骑马螺栓的工作载荷；Q1´为克服骑马螺栓距内钢板弹簧变形而产生的力；Q2´为克服板簧盖板变形而产生的力；Q3´为钢板弹簧盖板与钢板弹簧贴合后骑马螺栓对钢板弹簧的残余正压力。

在车辆运行过程中，悬架承受载荷，使得钢板弹簧弧高减小，由于钢板弹簧内部势能减小，导致克服板簧盖板及骑马螺栓距内钢板弹簧变形的力减小，但由于钢板弹簧承受的载荷全由骑马螺栓承担，因此车辆运行过程中骑马螺栓的受力：

式中，G为钢板弹簧载荷（单边）；△ Q为车辆无承载状态与运行状态下骑马螺栓克服板簧盖板变形和骑马螺栓距内钢板弹簧变形所需力的差值。

式中，△ δ为钢板弹簧反向安装时，车辆无承载状态与运行状态下的钢板弹簧盖板变形量之差（假设钢板弹簧盖板永远与钢板弹簧全面贴合），C1为骑马螺栓距内钢板弹簧的刚度；C2为板簧盖板的刚度。

3 骑马螺栓拧紧力矩衰减的机理分析

通过对骑马螺栓的受力分析可知，钢板弹簧正向安装的状态下，车辆无载荷时钢板弹簧的变形趋势消失，骑马螺栓克服钢板弹簧各片间的摩擦力消失，导致骑马螺栓的工作载荷小于预紧力（式5），而工作载荷的减小势必导致拧紧力矩的衰减，且在车辆运行过程中由于骑马螺栓距内钢板弹簧的势能减小，随着悬架系统的抖动，拧紧力矩的衰减问题愈加严重。因此，钢板弹簧正向安装状态的骑马螺栓拧紧力矩衰减是必然现象，特别是骑马螺栓距较长的悬架结构，其拧紧力矩衰减的问题更加严重。

而反向安装的钢板弹簧在装配过程中，由于骑马螺栓距内的钢板弹簧无法实现平直，即钢板弹簧进入拧紧状态时，骑马螺栓距内的钢板弹簧存在微小弧高ε´，使得板簧中心螺栓部位与板簧座间存在间隙。由于板簧座的长度大于骑马螺栓距，故当车辆承载时，板簧弧高减小到一定程度后，该间隙即会扩展到骑马螺栓部位。此外，由受力分析可知，钢板弹簧的受力与骑马螺栓的拉力方向相反，车辆承载后，骑马螺栓发生弹性变形，也会造成板簧与板簧座间的间隙增大，导致钢板弹簧与板簧座间形成间隙Σ，如图3(b)所示。由于钢板弹簧各片间内摩擦导致的钢板弹簧回弹的滞后性，车辆运行时的抖动会造成骑马螺栓工作载荷急剧变化，长时间的抖动就会造成骑马螺栓螺母的转退，从而导致骑马螺栓的拧紧力矩衰减。

另外，由于反向安装的骑马螺栓距内钢板弹簧存在微小弧高，故在工作过程中由于骑马螺栓距内部钢板弹簧各片间曲率的不同，钢板弹簧会产生相对运动。栓距越大，其相对运动量也越大，从而导致钢板弹簧各片间的磨损加剧，这也是导致骑马螺栓拧紧力矩衰减的一个重要原因。

4 骑马螺栓的防松措施

由以上分析可知，车辆运行时钢板弹簧的形变以及内摩擦导致骑马螺栓的工作载荷小于预紧力是造成重型卡车骑马螺栓拧紧力矩衰减的根本原因，在悬架系统的高频抖动的共同作用下，即会造成骑马螺栓的拧紧力矩衰减更加严重。因此，除了保证在悬架系统安装过程中给予骑马螺栓足够的预紧力外，可采取以下措施防止骑马螺栓的松动。

a. 钢板弹簧结构的优化。造成骑马螺栓拧紧力矩衰减的根本原因是由于骑马螺栓距内部板簧微小弧高的存在。优化钢板弹簧的结构，将钢板弹簧与板簧座接触部分设计为平直，这样既可以消除钢板弹簧骑马螺栓距内的势能，消除板簧弧高变化导致的骑马螺栓受力的改变，还可以消除板簧弧高造成的钢板弹簧与板簧盖板及板簧托座间的间隙，从而减小由于车辆运行过程中的骑马螺栓拧紧力矩的衰减，优化后如图4所示。

但是由于制作工艺的原因，钢板弹簧在骑马螺栓内部分不可能实现完全的平直，仍会存在微小弧高。故该工艺多用在轧制的少片簧和骑马螺栓距较大的反向安装的滑板式板簧上。

b. 钢板弹簧预压。在一般的装配条件下，由于钢板弹簧内部弹性势能的存在，在装配过程中骑马螺栓需克服钢板弹簧内部的势能实现钢板弹簧的装配。但是在车辆运行过程中，由于板簧弧高的改变导致钢板弹簧内部势能减小，从而导致骑马螺栓拉力的减小，在使用过程中骑马螺栓的松动就难以避免。因此，采用钢板弹簧预压，将钢板弹簧压平后安装或在钢板弹簧安装后对整车进行加载，再对骑马螺栓进行定钮[3]，即可有效地解决由于板簧内部势能导致骑马螺栓力矩衰减的问题。

对此方案进行试验验证，采用某重型卡车前悬架系统的钢板弹簧及其骑马螺栓进行试验。将钢板弹簧安装到台架试验机后，将其压平拧紧至螺栓的紧固力矩，然后在钢板弹簧上按照频率3 Hz施加34～65 kN的交变载荷，半小时后对骑马螺栓的扭矩进行测定，结果如图5所示。试验证明，该方法是解决骑马螺栓拧紧力矩衰减的有效办法。

由图5可以看出，采用板簧预压法紧固骑马螺栓后，骑马螺栓的预紧力不但没有发生衰减，而且还有可能增大。可见，采用该方法可以有效地减小骑马螺栓的力矩衰减，防止骑马螺栓过早松动。

c. 骑马螺栓复紧。由上面的分析可知，导致骑马螺栓拧紧力矩衰减的原因除骑马螺栓距内板弹簧势能的改变外，钢板弹簧装配过程中各片间的内摩擦力也是一个重要因素。由于钢板弹簧的自身特性，特别是多片簧装配过程中，各片间的内摩擦力较大，而车辆行驶一段时间后，由于钢板弹簧的形变以及摩擦，各片间的内摩擦力逐渐减小，且钢板弹簧各片间以及钢板弹簧与钢板弹簧座、钢板弹簧盖板间的间隙也逐渐减小，从而导致骑马螺栓受力减小，逐渐造成紧固力矩的衰减。

对此，国外整车厂提出对下线车辆在行驶20 km后进行骑马螺栓复紧的方法，以达到减小间隙，减弱骑马螺栓的拧紧力矩衰减的目的。国内某些整车厂也采用类似的方法来减弱骑马螺栓扭矩的衰减。

d. 有效力矩型自锁螺母。普通的骑马螺栓螺母为厚螺母或法兰面螺母，这种螺母的锁紧方式采用螺栓预紧力进行自锁，因此预紧力的减小极易导致螺母的自锁能力下降，从而导致螺母的转退直至松动。有效力矩型自锁螺母结构如图6所示，通过螺母上端的挤压变形（D>d），形成螺母的锁紧区域，产生螺母的有效力矩特性。它可借助自身的有效力矩特性使其不能在相配的螺纹上自由转动，使其在一定程度上具有防止转退的功能[4]，因此，有效力矩型自锁螺母可以有效地防止由于骑马螺栓预紧力降低而产生的螺母的松动。所以，采用有效力矩型自锁螺母通过骑马螺栓复紧的方法也可以有效的降低骑马螺栓的拧紧力矩衰减。

此外，骑马螺栓的重复使用也是导致拧紧力矩衰减的一个原因。使用过的骑马螺栓螺纹存在微量变形，并且螺杆的弹性降低及骑马螺栓紧固和使用过程中易出现塑性变形，导致拧紧力矩衰减，因此，骑马螺栓不允许重复使用。