重型卡車鋼板彈簧騎馬螺栓擰緊力矩衰減探討

李海波 居剛 修永芝

江淮汽車股份有限公司

1 前言

騎馬螺栓是汽車懸架系統(tǒng)最重要的零部件之一，它的主要作用是保證鋼板彈簧在橋或平衡軸上的固定，實現(xiàn)板簧各片間的貼合，防止板簧的縱向及橫向的躥動，此外，騎馬螺栓對鋼板彈簧片的剛度及應力分布也有較大影響[1]。影響騎馬螺栓使用的主要問題是騎馬螺栓擰緊力矩的衰減，這是導致鋼板彈簧中心螺栓斷裂，鋼板彈簧錯位的主要原因，同時，其對鋼板彈簧的剛度也有較大影響，是造成重卡懸架系統(tǒng)零部件損壞的重要誘因。本文基于對重卡騎馬螺栓的功能分析，研究騎馬螺栓在鋼板彈簧不同安裝方式下的的受力狀態(tài)，確定騎馬螺栓擰緊力矩衰減的原因，并提出了減緩騎馬螺栓擰緊力矩衰減的措施。

2 騎馬螺栓的受力分析

根據(jù)鋼板彈簧的制造工藝，重卡采用的多片簧是通過各片曲率不同的鋼板彈簧片堆疊而成的[2]，其整體呈橢圓弧形，通過鋼板彈簧蓋板和騎馬螺栓固定在橋或平衡軸上，如圖1所示。根據(jù)承載方式不同，鋼板彈簧的安裝方式分為正向和反向安裝兩種。下面基于鋼板彈簧的兩種安裝方式對騎馬螺栓擰緊力矩衰減問題進行分析。

2.1 鋼板彈簧安裝時的預緊力

理論上，鋼板彈簧無承載安裝時由自由狀態(tài)變?yōu)閵A緊狀態(tài)，騎馬螺栓距內(nèi)部分即由圓弧狀態(tài)變成平直狀態(tài)，故安裝時騎馬螺栓的預緊力為：

式中，F(xiàn) 為車輛無承載時，彈簧鋼板正向安裝時騎馬螺栓的預緊力；F1為克服鋼板彈簧變形的力；F2為鋼板彈簧壓平后騎馬螺栓對鋼板彈簧的殘余正壓力；Fη為克服板簧各片間摩擦需要的力。

對于正向安裝的鋼板彈簧，鋼板彈簧凹曲方向與騎馬螺栓的擰緊方向相反，因此通過對騎馬螺栓的擰緊可以實現(xiàn)鋼板彈簧的安裝，擰緊后的鋼板彈簧如圖2(a)所示，此時鋼板彈簧騎馬螺栓距內(nèi)的弧高由ε減小到ε′。對于正向安裝的板簧，基本可以實現(xiàn)ε≈0，即騎馬螺栓距內(nèi)部的鋼板彈簧壓平，鋼板彈簧緊固到理想狀態(tài)。

反向安裝的鋼板彈簧，鋼板彈簧凹曲方向與騎馬螺栓的擰緊方向相同，因此在鋼板彈簧裝配過程中，在騎馬螺栓的作用下板簧蓋板首先受力，并通過板簧蓋板來實現(xiàn)對鋼板彈簧的夾緊。在理想狀態(tài)下，如果板簧蓋板為剛體，則可以實現(xiàn)騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的壓平，達到夾緊狀態(tài)。

由材料力學的剛度的計算公式可知，騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的剛度為：

式中，C1為騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的剛度；E為材料的彈性模量；I為各片鋼板彈簧的抗彎截面系數(shù)，b為鋼板彈簧的厚度；h為鋼板彈簧的寬度；Sn為鋼板彈簧的騎馬螺栓距。

由剛度的計算公式可知，對剛度影響最大的是板材的厚度值。在實際狀態(tài)下板簧蓋板的厚度遠小于鋼板彈簧的厚度，即板簧蓋板的剛度小于騎馬螺栓距內(nèi)的鋼板彈簧剛度，并且在鋼板彈簧裝配過程中，鋼板彈簧片間還存在較大的內(nèi)摩擦力，因此，在安裝過程中，板簧蓋板首先會發(fā)生變形δ，同時騎馬螺栓距內(nèi)的鋼板彈簧在板簧蓋板的作用下弧高ε也會減小，直到板簧蓋板逐漸與鋼板彈簧貼合。由于板簧蓋板的剛度小于騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的剛度，因此，在騎馬螺栓擰緊后，騎馬螺栓距內(nèi)的鋼板彈簧也無法實現(xiàn)壓平，存在微小弧高ε′。此時騎馬螺栓的預緊力可表示為：

式中，Q為車輛無承載時，彈簧鋼板反向安裝時騎馬螺栓的預緊力；Q1為克服鋼板彈簧變形的力；Q2為克服鋼板彈簧蓋板變形的力；Q3為鋼板彈簧蓋板與鋼板彈簧貼合后騎馬螺栓對鋼板彈簧的殘余正壓力；Qη為克服板簧各片間摩擦需要的力。

2.2 車輛運行時騎馬螺栓的工作載荷

車輛運行過程中由于鋼板彈簧承受載荷（只考慮垂直載荷），故鋼板彈簧弧高減小，則此時騎馬螺栓的受力狀態(tài)為：

對于正向安裝的鋼板彈簧，車輛運行狀態(tài)下的懸架狀態(tài)如圖3(a)所示，由于鋼板彈簧受力G與騎馬螺栓受力F方向相同，則此時騎馬螺栓的工作載荷為：

式中，F(xiàn)1′為車輛運行狀態(tài)下鋼板彈簧正向安裝時騎馬螺栓的工作載荷；F1′為克服騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧變形的力。

由于鋼板彈簧承載時弧高減小，故騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的勢能也隨之減小，即克服騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧勢能的力減小，即 F1′

可見，此時騎馬螺栓的工作載荷小于騎馬螺栓安裝時的預緊力。如果特殊情況下板簧安裝過程中的弧高ε′足夠大，會導致懸架系統(tǒng)板簧蓋板與鋼板彈簧分離，如圖3(a)所示，即騎馬螺栓的工作載荷為零。

對于反向安裝的鋼板彈簧如圖3(b)所示，鋼板彈簧的受力與騎馬螺栓的受力方向相反，則騎馬螺栓的工作載荷為：

式中，Q′為車輛運行狀態(tài)下鋼板彈簧反向安裝時騎馬螺栓的工作載荷；Q1′為克服騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧變形而產(chǎn)生的力；Q2′為克服板簧蓋板變形而產(chǎn)生的力；Q3′為鋼板彈簧蓋板與鋼板彈簧貼合后騎馬螺栓對鋼板彈簧的殘余正壓力。

在車輛運行過程中，懸架承受載荷，使得鋼板彈簧弧高減小，由于鋼板彈簧內(nèi)部勢能減小，導致克服板簧蓋板及騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧變形的力減小，但由于鋼板彈簧承受的載荷全由騎馬螺栓承擔，因此車輛運行過程中騎馬螺栓的受力：

式中，G為鋼板彈簧載荷（單邊）；△ Q為車輛無承載狀態(tài)與運行狀態(tài)下騎馬螺栓克服板簧蓋板變形和騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧變形所需力的差值。

式中，△ δ為鋼板彈簧反向安裝時，車輛無承載狀態(tài)與運行狀態(tài)下的鋼板彈簧蓋板變形量之差（假設鋼板彈簧蓋板永遠與鋼板彈簧全面貼合），C1為騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的剛度；C2為板簧蓋板的剛度。

3 騎馬螺栓擰緊力矩衰減的機理分析

通過對騎馬螺栓的受力分析可知，鋼板彈簧正向安裝的狀態(tài)下，車輛無載荷時鋼板彈簧的變形趨勢消失，騎馬螺栓克服鋼板彈簧各片間的摩擦力消失，導致騎馬螺栓的工作載荷小于預緊力（式5），而工作載荷的減小勢必導致擰緊力矩的衰減，且在車輛運行過程中由于騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧的勢能減小，隨著懸架系統(tǒng)的抖動，擰緊力矩的衰減問題愈加嚴重。因此，鋼板彈簧正向安裝狀態(tài)的騎馬螺栓擰緊力矩衰減是必然現(xiàn)象，特別是騎馬螺栓距較長的懸架結(jié)構(gòu)，其擰緊力矩衰減的問題更加嚴重。

而反向安裝的鋼板彈簧在裝配過程中，由于騎馬螺栓距內(nèi)的鋼板彈簧無法實現(xiàn)平直，即鋼板彈簧進入擰緊狀態(tài)時，騎馬螺栓距內(nèi)的鋼板彈簧存在微小弧高ε′，使得板簧中心螺栓部位與板簧座間存在間隙。由于板簧座的長度大于騎馬螺栓距，故當車輛承載時，板簧弧高減小到一定程度后，該間隙即會擴展到騎馬螺栓部位。此外，由受力分析可知，鋼板彈簧的受力與騎馬螺栓的拉力方向相反，車輛承載后，騎馬螺栓發(fā)生彈性變形，也會造成板簧與板簧座間的間隙增大，導致鋼板彈簧與板簧座間形成間隙Σ，如圖3(b)所示。由于鋼板彈簧各片間內(nèi)摩擦導致的鋼板彈簧回彈的滯后性，車輛運行時的抖動會造成騎馬螺栓工作載荷急劇變化，長時間的抖動就會造成騎馬螺栓螺母的轉(zhuǎn)退，從而導致騎馬螺栓的擰緊力矩衰減。

另外，由于反向安裝的騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧存在微小弧高，故在工作過程中由于騎馬螺栓距內(nèi)部鋼板彈簧各片間曲率的不同，鋼板彈簧會產(chǎn)生相對運動。栓距越大，其相對運動量也越大，從而導致鋼板彈簧各片間的磨損加劇，這也是導致騎馬螺栓擰緊力矩衰減的一個重要原因。

4 騎馬螺栓的防松措施

由以上分析可知，車輛運行時鋼板彈簧的形變以及內(nèi)摩擦導致騎馬螺栓的工作載荷小于預緊力是造成重型卡車騎馬螺栓擰緊力矩衰減的根本原因，在懸架系統(tǒng)的高頻抖動的共同作用下，即會造成騎馬螺栓的擰緊力矩衰減更加嚴重。因此，除了保證在懸架系統(tǒng)安裝過程中給予騎馬螺栓足夠的預緊力外，可采取以下措施防止騎馬螺栓的松動。

a. 鋼板彈簧結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。造成騎馬螺栓擰緊力矩衰減的根本原因是由于騎馬螺栓距內(nèi)部板簧微小弧高的存在。優(yōu)化鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)，將鋼板彈簧與板簧座接觸部分設計為平直，這樣既可以消除鋼板彈簧騎馬螺栓距內(nèi)的勢能，消除板簧弧高變化導致的騎馬螺栓受力的改變，還可以消除板簧弧高造成的鋼板彈簧與板簧蓋板及板簧托座間的間隙，從而減小由于車輛運行過程中的騎馬螺栓擰緊力矩的衰減，優(yōu)化后如圖4所示。

但是由于制作工藝的原因，鋼板彈簧在騎馬螺栓內(nèi)部分不可能實現(xiàn)完全的平直，仍會存在微小弧高。故該工藝多用在軋制的少片簧和騎馬螺栓距較大的反向安裝的滑板式板簧上。

b. 鋼板彈簧預壓。在一般的裝配條件下，由于鋼板彈簧內(nèi)部彈性勢能的存在，在裝配過程中騎馬螺栓需克服鋼板彈簧內(nèi)部的勢能實現(xiàn)鋼板彈簧的裝配。但是在車輛運行過程中，由于板簧弧高的改變導致鋼板彈簧內(nèi)部勢能減小，從而導致騎馬螺栓拉力的減小，在使用過程中騎馬螺栓的松動就難以避免。因此，采用鋼板彈簧預壓，將鋼板彈簧壓平后安裝或在鋼板彈簧安裝后對整車進行加載，再對騎馬螺栓進行定鈕[3]，即可有效地解決由于板簧內(nèi)部勢能導致騎馬螺栓力矩衰減的問題。

對此方案進行試驗驗證，采用某重型卡車前懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧及其騎馬螺栓進行試驗。將鋼板彈簧安裝到臺架試驗機后，將其壓平擰緊至螺栓的緊固力矩，然后在鋼板彈簧上按照頻率3 Hz施加34～65 kN的交變載荷，半小時后對騎馬螺栓的扭矩進行測定，結(jié)果如圖5所示。試驗證明，該方法是解決騎馬螺栓擰緊力矩衰減的有效辦法。

由圖5可以看出，采用板簧預壓法緊固騎馬螺栓后，騎馬螺栓的預緊力不但沒有發(fā)生衰減，而且還有可能增大?？梢姡捎迷摲椒梢杂行У販p小騎馬螺栓的力矩衰減，防止騎馬螺栓過早松動。

c. 騎馬螺栓復緊。由上面的分析可知，導致騎馬螺栓擰緊力矩衰減的原因除騎馬螺栓距內(nèi)板彈簧勢能的改變外，鋼板彈簧裝配過程中各片間的內(nèi)摩擦力也是一個重要因素。由于鋼板彈簧的自身特性，特別是多片簧裝配過程中，各片間的內(nèi)摩擦力較大，而車輛行駛一段時間后，由于鋼板彈簧的形變以及摩擦，各片間的內(nèi)摩擦力逐漸減小，且鋼板彈簧各片間以及鋼板彈簧與鋼板彈簧座、鋼板彈簧蓋板間的間隙也逐漸減小，從而導致騎馬螺栓受力減小，逐漸造成緊固力矩的衰減。

對此，國外整車廠提出對下線車輛在行駛20 km后進行騎馬螺栓復緊的方法，以達到減小間隙，減弱騎馬螺栓的擰緊力矩衰減的目的。國內(nèi)某些整車廠也采用類似的方法來減弱騎馬螺栓扭矩的衰減。

d. 有效力矩型自鎖螺母。普通的騎馬螺栓螺母為厚螺母或法蘭面螺母，這種螺母的鎖緊方式采用螺栓預緊力進行自鎖，因此預緊力的減小極易導致螺母的自鎖能力下降，從而導致螺母的轉(zhuǎn)退直至松動。有效力矩型自鎖螺母結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過螺母上端的擠壓變形（D>d），形成螺母的鎖緊區(qū)域，產(chǎn)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紋上自由轉(zhuǎn)動，使其在一定程度上具有防止轉(zhuǎn)退的功能[4]，因此，有效力矩型自鎖螺母可以有效地防止由于騎馬螺栓預緊力降低而產(chǎn)生的螺母的松動。所以，采用有效力矩型自鎖螺母通過騎馬螺栓復緊的方法也可以有效的降低騎馬螺栓的擰緊力矩衰減。

此外，騎馬螺栓的重復使用也是導致擰緊力矩衰減的一個原因。使用過的騎馬螺栓螺紋存在微量變形，并且螺桿的彈性降低及騎馬螺栓緊固和使用過程中易出現(xiàn)塑性變形，導致擰緊力矩衰減，因此，騎馬螺栓不允許重復使用。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

a. 騎馬螺栓距內(nèi)鋼板彈簧與板簧座間的間隙以及鋼板彈簧各片間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦是導致鋼板彈簧騎馬螺栓擰緊力矩衰減的主要原因；

b. 優(yōu)化鋼板彈簧結(jié)構(gòu)，將鋼板彈簧與板簧座接觸部分設計為平直狀態(tài)，可以有效地緩解騎馬螺栓的擰緊力矩的衰減；

c. 通過鋼板彈簧預壓法裝配鋼板彈簧，可以有效地保證騎馬螺栓的緊固力矩，遏制騎馬螺栓的力矩衰減，防止騎馬螺栓早期松動；

d. 采用有效力矩型自鎖螺母通過騎馬螺栓結(jié)合復緊方法也可以有效減弱騎馬螺栓擰緊力矩衰減的現(xiàn)象。

[1] 王若平.騎馬螺栓約束對少片鋼板彈簧應力影響的試驗研究[J].機械科學與技術(shù),1997(6):44-45.

[2] 王望予.汽車設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000.5.

[3] 馮小松,步一鳴,吳理南.EQ140 汽車后懸架U型螺栓扭矩的試驗研究[J].汽車科技,1992(5):31-33.

[4] 侯亞萍.螺紋聯(lián)接的放松方法[J].機械工程師,2010(11):18-19.