某卡车板簧悬架U型螺栓设计

王成立，洪学臣，杨巩

某卡车板簧悬架U型螺栓设计

王成立，洪学臣，杨巩

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

钢板弹簧悬架是卡车最常用的悬架形式，其结构简单，成本低廉，具有良好的承载性能。板簧悬架通过钢板弹簧连接车架（或车身）与车桥，钢板弹簧与车桥通过U型螺栓连接。U型螺栓的强度，打紧力矩影响着钢板弹簧的使用寿命和整车的安全性能。

卡车；钢板弹簧；U型螺栓

CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-69-03

前言

U型螺栓是将钢板弹簧固定在车桥上的联接部件，是悬架紧固件的一种。U型螺栓的作用是连接钢板弹簧和车桥，是影响整车安全的重要零件。若螺栓发生断裂，会造成行驶车辆车轮飞出，导致事故；即使U型螺栓力矩产生衰退，也会造成钢板弹簧的早期断裂，影响承载性能。

1 螺纹的主要参数

骑马螺栓螺纹均为圆柱螺纹。现在以圆柱普通螺纹的外螺纹为例说明螺纹的主要几何参数。所示：

大径d——螺纹的最大直径，在标准中定为公称直径。

小径d1——螺纹的最小直径，在强度计算中常作为螺杆危险截面的计算直径。

图1

中径d2——通过螺纹轴向截面内牙型上的沟槽和凸起宽度相等处的假想圆柱面的直径，近似等于螺纹的平均直径。中径是确定螺纹几何参数和配合性质的直径。

线数n——螺纹的螺旋线数目。沿一根螺旋线形成的螺纹称为单线螺旋；沿两根以上的螺旋线形成的螺纹称为多线螺纹。常用的联接螺纹要求自锁性，故多用单线螺纹。

螺距P——螺纹相邻两个牙型上对应点间的轴向距离。

导程S——螺纹上任一点沿统一条螺旋线转一周所移动的轴向距离。单线螺纹 S = P，多线螺纹 S = nP。

牙型角α——螺纹轴向截面内，螺纹牙型两侧边的夹角。

表1 常用骑马螺栓选用材料与疲劳极限

2 螺纹联接件设计方法

螺纹联接件的设计主要是根据螺纹联接件受力分析所确定的螺栓所受最大工作力，计算螺栓联接所需螺纹直径。具体设计流程如下：

图2

3 计算例

以某卡车车型为例，设计后钢板弹簧悬架U型螺栓，其结构如图所示。车架上，其结构尺寸如表所示，设计此螺栓联接并选择螺栓。

图3

图4

表2 计算参数

钢板弹簧通过两个U型螺栓，共4处螺纹连接后桥，根据图二受力简图和表格数据，考虑冲击载荷，冲击倍数n=2.5，计算U型螺栓出受力F：

计算螺纹直径

选择螺栓材料为40Cr，性能等级为8.8，查标材料手册可得螺栓材料的抗拉强度为：

螺栓直径的计算公式为：

确定许用应力：

对于不控制预紧力的紧螺栓联接安全系数[s]=5～2.5，取[s]=4；根据螺栓性能等级和材料抗拉强度计算骑马螺栓屈服极限：

根据d1≥12mm，查标准件手册可得螺栓的规格为M16 (d1=13.835mm)。

螺栓拧紧力矩确定

根据机械设计手册，为了满足螺栓的预紧力要求，确定螺栓的拧紧力矩M，如下：

式中：

Dk——支撑面等价扭矩直径，mm；

dw——螺栓法兰外直径，mm；

dh——安装孔直径，mm；

d2——螺栓中径，mm；

P——螺距，mm；

u——螺栓摩擦系数，对于安全件螺栓取0.1～0.16；

S——许用安全系数，通常取1.2～1.5；

F0——系统需要的预紧力，N。

预紧力的大小需根据螺栓组受力的大小和连接的工作要求决定。设计时首先保证所需的预紧力，又不应使连接的结构尺寸过大。一般规定拧紧后螺纹连接件预紧应力不得大于其材料的屈服点σs的80%。对于一般连接用钢制螺栓，推荐的预紧力F0计算如下：

校核确定的拧紧力矩是否超出螺栓的动态屈服力矩确定螺栓的拧紧力矩是否超出了螺栓规格所能承受的动态屈服力矩，具体计算如下：

式中：

FY——屈服轴向力，N；

Dk——支撑面等价扭矩直径，mm；

σs——螺栓屈服强度，Mpa；

A0——应力截面积，可通过GB/T3098.1标准查阅，mm；

d2——螺栓中径，mm；

d0——危险截面直径，mm；

umin——螺栓的最小摩擦系数，取0.1；

MY——螺栓的屈服扭矩，N·mm；

Dk——支撑面等价扭矩直径，mm。

经过计算螺栓确定的最大拧紧力矩M必须要满足M≤MY，不然会引起螺栓的失效。

4 结语

U型螺栓是影响车辆安全的重要零件，对涉及安全的紧固件校核尤其要重视。螺纹联接件在悬架以及整车上应用十分广泛，种类繁多，不同螺纹联接件尺寸规格，性能规格等均有国标可查，在进行设计时，需查阅相关手册，选择合适的联接件。

参考资料

[1] 酒井智次.螺纹紧固件联接工程[M].北京：机械工业出版社.2016.

[2] 濮良贵,纪名刚.机械设计(7版)[M].北京∶高等教育出版社,2003∶ 44.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京∶机械工业出版社,2000.

[4] 陈家瑞.汽车构造[M].下册.人民交通出版社.1996.

A truck leaf spring suspension U-bolt design

Wang Chengli, Hong Xuechen, Yang Gong
( The Center of Technology of Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Leaf spring suspension is the most common form of suspension truck, simple structure, low cost, and has a good bearing performance. The suspension through leaf spring connection frame and axle, leaf spring and axle through the U-bolt connection. The strength of the U-bolt and fastening torque affects the service life of leaf of leaf spring and the safety of the vehicle .

Truck; leaf spring; U-bolt

U463

A

1671-7988(2017)16-69-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.025

王成立，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。