小吨位的MPV和部分乘用车由于成本的压力，后悬架仍有采用钢板弹簧悬架的形式，但因为钢板弹簧先天的摩擦特性，带来噪声大等舒适性的问题，所以工程师在设计钢板弹簧后悬架时，在连接部位多采用橡胶零件用来消除噪声。如钢板弹簧与车桥的连接也橡胶垫的结构，这种柔性连接方式一方面降低了噪声，但另一方面也带来连接U型螺栓的力矩衰减，对钢板弹簧的寿命带来极大的影响。本文就是在处理类似问题的过程中，总结出来的。

钢板弹簧连接的结构型式

钢板弹簧可以安装在车桥的上方，当车辆静止时，U型螺栓不受轴向力(见图1);也可安装在车桥的下方，当车辆静止时，U型螺栓受轴向拉力。为了降低噪声，可在连接部位添加橡胶(见图2)。

螺栓连接接头的应用方式主要有螺栓受剪切力和轴向力两种，其中螺栓受轴向力的情况最为复杂，也是难点，螺栓连接接头的应用不是本文所讨论的重点。本文主要讨论图3所示的结构，U型螺栓受轴向拉力且为柔性连接的情况。

U型螺栓力矩衰减的分析

1. U型螺栓力矩的计算

钢板弹簧与车桥的安装基本上都采用U型螺栓紧固的方式，U型螺栓的拧紧力矩需要克服车辆运行过程中钢板弹簧所受的各种作用力及力矩。一般在项目开发初期按0.8g的紧急制动的工况进行初算，项目开发中，用测量和计算的各种工况下的负载，来进行校验初定U型螺栓拧紧力矩。

T估算力矩=(K d)/4[F/(μ n)+Fz+K_Jδ] (1)

T估算力矩：U型螺栓的估算力矩 (Nm);

K:力矩系数，从GB/T 16823.2查出;

d：螺栓直径 (mm);

4：2只U型螺栓相当于4颗螺栓;

F：板簧与卡板的摩擦力，由负载确定 (N);

μ：板簧与卡板间的接触面摩擦系数;

n：板簧与卡板之间的接触面数量;

Fz：沿U型螺栓轴向的工作力，由负载确定 (N);

KJ：U型螺栓夹紧零件的总成刚度 (N/mm);

δ：U型螺栓夹紧零件的变形 (mm)。

根据公式(1)可以初算和校验U型螺栓的拧紧力矩。

2.U型螺栓力矩衰减的分析

在给定的U型螺栓拧紧力矩下，由于连接件之间的弹性松弛、接触面之间的嵌入等原因，会造成U型螺栓拧紧力矩的衰减(见图3)。FB是U型螺栓拧紧力矩产生的预紧力，ΔL是在给定拧紧力矩下的U型螺栓伸长量，KB是U型螺栓的刚度，ΔT是在给定拧紧力矩下的被连接件的压缩量，KJ是被连接件的刚度。A是由于接触面之间的嵌入所引起的预紧力下降量，B是由于弹性松弛所引起的预紧力下降量。预紧力的下降，最终导致U型螺栓的拧紧力矩衰减，严重情况下，最终钢板弹簧的中心螺栓断裂、钢板弹簧本身断裂等疲劳寿命等问题。

3.柔性连接的影响

柔性连接中因为有橡胶件的存在，橡胶的弹性松弛很容易就造成U型螺栓伸长量和被连接件的压缩量减少，也就造成图3中预紧力减少量B。为了验证柔性连接的弹性件的影响，我们进行刚性与柔性连接的对比试验(见图4)。

在图4中，左为刚性连接，右边为柔性连接，按照规定的力矩打紧后，经过静置24h后，测量U型螺栓的力矩，刚性连接的U型螺栓力矩没有衰减，而柔性连接的U型螺栓力矩衰减了20%。

4.U型螺栓与被连接件的刚度比的影响

如图4，U型螺栓的刚度为KB，被连接件的刚度为KJ。一般的螺栓连接接头要求KB与KJ的比值为1:5，这样U型螺栓在受到轴向外力的作用下，接头中的预紧力仍能保持所需的数值。图5是螺栓接头受到轴向外力时的预紧力的变化。

U型螺栓受外力是LX，在此外力的作用下，U型螺栓伸长量由ΔL增加到ΔL'，U型螺栓承受的拉力FB是预紧力FP加上ΔFB。被连接件的压缩量由ΔT减少到ΔT'，被连接件受的压力FJ是预紧力FP减去ΔFJ。由相似三角形可得出，

ΔFB=KB/(KB+KJ)*LX (2)

令载荷因子ΦK=ΔFB/LX=KB/(KB+KJ)

则式(2)变为

ΔFB=ΦK*LX (3)

被连接件的受压力变化为

ΔFJ=(1-ΦK)*LX (4)

被连接件的受压力为

FJ=FP-(1-ΦK)*LX (5)

如果降低被连接件的刚度KJ，则ΦK增大，由式(4)可知，被连接件所受的压力FJ增大，这样更能满足钢板弹簧夹紧的要求，这就是为什么钢板弹簧置于车桥下方，采用柔性夹紧的原因。

但是，被连接件的刚度降低，则U型螺栓承担的增量外力ΔFB增大，所以必须要校核U型螺栓的强度。

设计建议

钢板弹簧与车桥的连接采用橡胶件的柔性连接目的是降低钢板弹簧的噪声，但由于橡胶件的弹性变形无法避免，造成U型螺栓拧紧力矩的衰减，因此在设计时必须有如下考虑：

1. 为了避免橡胶件的过大变形，就必须限制橡胶件变形量;通常可以采用图2中的卡板用以限制橡胶的变形，我们一般控制橡胶的变形量在1~3 mm范围内。

2.为了提高U型螺栓夹紧效果，就需降低被连接的刚度;通常采取的设计手段是降低橡胶件的初始工作的刚度。

如果用卡板限制橡胶的变形，那么就必然提高了被连接件的刚度，所以上述两个要求是互相矛盾。因此，在设计时必须平衡这两个要求。

我们的做法是：先计算出U型螺栓正常工作应满足的力矩，然后调整卡板的高度，使在这个力矩下卡板刚刚接触，限制了橡胶的继续变形。在此基础上，提高20%的拧紧力矩，作为发布值。

结论

钢板弹簧与车桥的连接如采用柔性连接来降低噪声，如果钢板弹簧布置在车桥下方，设计连接时应考虑两个因素：1.尽量降低被连接件的刚度;2.必须用刚性支架限制橡胶的变形量。如果考虑了这两个因素，在实车试验时，可以有效降低U型螺栓拧紧力矩的衰减，提高钢板弹簧的疲劳寿命。