汽车钢板弹簧的应用及其发展趋势

１　车用钢板弹簧概述
车用钢板弹簧又称为叶片弹簧，它是汽车悬架中应用广泛的一种弹性元件。

它由若干片长度不等、曲率半径不同、厚度相等或不等的弹簧钢片叠合在一起，组成一根近似等强度的弹性梁。

钢板弹簧的断面形状除采用对称断面外，还有采用上下对称的特殊断面。

这样可改善弹簧的受力状况，不仅提高了其疲劳强度，还节约了金属材料。

钢板弹簧在载荷作用下变形，各片之间因相对滑动而产生摩擦，可使车架的振动衰减。

各片之间处于干摩擦，同时还要将车轮所受冲击力传递给车架，因此增大了各片的磨损。

所以在装合时，各片之间要涂上较稠的石墨润滑脂进行润滑，并应定期维护。

钢板弹簧本身还起导向装置的作用，可不必单设导向装置，使结构简化。

有些高级轿车的后悬架也采用钢板弹簧作弹性元件。

目前一些汽车上采用变厚度的单片或２～３片的钢板弹簧，可以减小片与片之间的干摩擦，同时减轻了重量。

２　钢板弹簧的功能结构
在采用传统弹簧的吸震式悬架设计上，弹簧起支持车身以及吸收不平路面和其他施力对轮胎所造成的冲击的作用，而这里所谓的其他施力包含加速、减速、制动、转弯等对弹簧造成的施力。

更重要的是在消除振动的过程中要保持轮胎与路面的持续接触，维持车辆的循迹性。

如果弹簧很软，则很容易出现“坐底”的情况，即将悬架的行程用尽。

假如在转弯时发生坐底情况，则
可视为弹簧的弹力系数变成无限大
（已无压缩的空间），车身会立即产
生质量转移，使循迹性丧失。

如果
这辆车有着很长的避振行程，那么
或许可以避免“坐底”，但相对的车
身也会变得很高，而很高的车身意
味着很高的车身重心，车身重心的
高低对操控表现有决定性的影响，
所以，太软的弹簧会导致操控上的
障碍。

如果路面的崎岖度较大，那就
需要比较软的弹簧才能确保轮胎与
路面接触，同时弹簧的行程也必须
增加。

弹簧的硬度选择要由路面的
崎岖程度来决定，越崎岖要越软的
弹簧，但要多软则是个关键的问题，
通常这需要经验的累积。

一般来说，
软的弹簧可以提供较佳的舒适性以
及行经较崎岖的路面时可保持比较
好的循迹性；但是，在行经一般路
面时，却会造成悬架系统较大的上
下摆动，影响操控。

而在配备有良
好空气动力学组件的车辆上，软的
弹簧在速度提高时会使车高发生变
化，造成低速和高速时不同的操控
特性。

一般载货汽车均采用钢板弹
簧作为弹性元件的非独立悬架，因
钢板弹簧既有缓冲、减振的功能，又
起传力和导向的作用，使得悬架结
构大为简化。

为了充分利用材料，钢板弹簧
做成接近于应力粱的形式，分为２种
类型：一种是等厚度，宽度呈现两
端狭，中间宽，即多片钢板弹簧，传
统的钢板弹簧就是这一类型。

这种
钢板弹簧由多片长度不等、宽度一
样的钢片迭成，现在多数大客车、货
车都使用这种钢板弹簧。

另一种是
等宽度、两端薄、中间厚的。

常见
的少片钢板弹簧就是这一类型，多
用于轻中型汽车。

多片钢板弹簧的各片钢板叠加
成倒三角形状，钢板的片数与支承
汽车的质量和减振效果相关，钢板
越多越厚越短，弹簧刚性就越大；但
是，当钢板弹簧挠曲时，各片之间
就会互相滑动摩擦产生噪声，摩擦
还会引起弹簧变形，造成行驶不平
顺，因此，在承载量不是很大的汽
车上，就出现了少片钢板弹簧，以
消除多片钢板弹簧的缺陷。

少片钢
板弹簧的钢板截面变化大，从中间
到两端的截面是逐渐不同，因此轧
制工艺比较复杂。

为了减轻质量和
轧制工艺难度，目前出现了一种纤
维增强塑料（ＦＲＰ）代替钢板，质量
可减少１／２以上。

钢板弹簧的中部一般固定在车
桥上。

主片卷耳受力严重、是薄弱
处，为改善主片卷耳的受力情况，常
将第二片末端也弯成卷耳，包在主
片卷耳的外面（亦称包耳）。

为了使
得在弹簧变形时各片有相对滑动的
可能，在主片卷耳与第二片包耳之
间留有较大的空隙。

有些悬架中的
钢板弹簧两端不做成卷耳，而采用
其他的支承连接方式（如非独立悬
架）。

中心螺栓用来连接各种弹簧
片，并保证各片装配时的相对位置。

中心螺栓到两端卷耳中心的距离可
以相等，也可不相等者。

钢板弹簧端部有三种结构型
式：端部为矩形的钢板，其制造简
单，广泛应用在载货汽车上；端部
为梯形的钢板，其质量小、节省钢
材，较多的用在载货汽车上；端部
为椭圆形的钢板，这种结构改善了
汽车钢板弹簧的应用及其发展趋势
肖　军
应力分布状况，片端弹性好，片间摩擦小，重量也较轻，但制造工艺复杂，成本较高，一般在轿车上应用较多。

钢板弹簧将车桥与车身连接起来，起到缓冲、减振和传力的作用。

由于载货汽车后悬架载质量变化较大，为了保持悬架的频率不变或变化不大，广泛地在后悬架中采用副钢板弹簧总成。

副钢板弹簧总成一般装在主钢板弹簧总成上方，当后悬架负荷较小时，仅由主钢板弹簧起作用。

在负荷增加到一定程度时，副钢板弹簧总成与车架上的支架接触，开始起作用。

此时，主、副钢板弹簧一起工作，一起承受载荷而使悬架刚度增大，保证车身振动频率不至因载荷增加而变化过大。

为了进一步改善钢板弹簧的受力状况，可采用不同形状的断面。

矩形断面钢板弹簧结构简单，但受拉应力一面的棱角处易产生疲劳裂纹；采用上下不对称的横断面，由于断面抗弯的中性轴线上移，不但可减小拉应力，而且节省了材料。

在车架加载弹簧变形时，钢板弹簧各片之间产生相对滑动进而产生摩擦，此时钢板弹簧本身具有一定的减振作用。

如果钢板弹簧各片之间产生干摩擦时，轮胎所受到的冲击要直接传给车架，并直接使钢板弹簧各片磨损，故安装钢板弹簧时，应在各片之间涂上适量的石墨润滑剂。

钢板弹簧各片之间有相对滑动而产生摩擦，可以促进车架振动的衰减，即起减振作用。

除此外，钢板弹簧本身还兼起导向机构的作用，控制车轮相对车身按规定轨迹进行运动，以获得较好的操纵稳定性。

另外钢板弹簧还在车轮与车架间起传递各个方向力矩的作用。

导向机构的断裂将直接危及整车安全性，对于独立悬架应尤为注意。

钢板弹簧多用于厢式车及卡车，由若干片长度不同的细长弹簧
片组合而成。

它比螺旋弹簧结构简
单，成本低，可紧凑地装配于车身底
部，工作时各片间产生摩擦，因此
本身具有衰减效果。

但如果产生严
重的干摩擦，就会影响吸收冲击的
能力。

重视乘坐舒适性的现代轿车
很少使用。

３　锥形少片变截面弹簧
钢板的片数与支承汽车的重量
和减震效果相关，钢板越多越厚越
短，弹簧刚性就越大。

但是，当钢
板弹簧挠曲时，各片之间就会互相
滑动摩擦产生噪声。

摩擦还会引起
弹簧变形，造成行驶不平顺。

因此，
在承载量不是很大的汽车上，就出
现了少片钢板弹簧，以消除多片钢
板弹簧的缺陷。

有些少片钢板弹簧
仅用一片钢板弹簧，它与多片钢板
弹簧相比除了减少噪声和不会摩擦
外，还可以节省材料，减轻重量，便
于布置，降低整车高度，具有良好
的平顺性。

少片钢板弹簧的钢板截
面变化大，从中间到两端的截面是
逐渐不同，因此轧制工艺比较复杂。

为了减轻重量和轧制工艺难度，近
年出现了一种纤维增强塑料（ＦＲＰ）
代替钢板，可减小一半以上重量。

这
种纤维增强塑料是由玻璃纤维制成，
用聚酯树脂聚合在一起。

据计算一
般的单片钢板弹簧每副重量约１１～
２０ｋｇ，而纤维增强塑料弹簧每副重
量约４ｋｇ左右，而且行驶平稳，噪
声很低。

由于多片钢板弹簧组成的汽车
悬架系统，一般要占汽车总质量的
５％～１０％。

为了节省能源与减少汽
车燃油的消耗、促使悬架系统、特
别是钢板弹簧的设计必须满足轻量
化、以及提高乘座舒适性的要求，
采用少片变截面弹簧能满足这些要
求。

从近年来国外公路运输车辆的
发展方向上看，越来越多的汽车采
用了锥形少片变截面弹簧。

锥形少
片变截面弹簧的特点有：弹簧片应
力分布均匀，接近于等应力梁；片
数减少到１～４片，从而使Ｕ形螺栓
夹紧部位的非工作区段的弹簧质量
大为减少；通过采用对弹簧片的特
殊工艺处理，以提高其应力、从而
使变截面弹簧轻量化；同原设计多
片簧重量相比，少片变截面弹簧减
轻重量４０％；少片变截面弹簧总成
的弹簧片，在承载时，除端部传力
处和中部Ｕ形螺栓夹紧部位有接触
外、无片间接触现象，从而大大减
少了片间摩擦，使弹簧刚度大为减
小，而提高了乘座舒适性；由于弹
簧片间接触区大为减少，并且在弹
簧中部加了聚甲醛软垫，基本消除
了由于片间摩擦而引起的磨损，能
在叶片大部分长度的表面上建立耐
久的防锈蚀涂层。

并且加工中在少
片簧上涂了防锈性能良好的油漆，
从面提高了少片变截面弹簧的疲劳
寿命；变截面弹簧总成中间等厚平
直段（Ｕ形螺栓夹紧部位），同上下
保护垫板之间和弹簧片之间均插入
聚甲醛衬垫，消除了弹簧总成工作
时在中间等厚平直段的直接挤压摩
擦，从而提高弹簧的疲劳寿命；减
少了总成厚度、可降低汽车满载高
度。

与传统的多片钢板弹簧相比
较，质量可减轻３０％～４０％，有的甚
至达到５０％；由于片与片之间保持
一定的间隙，可减轻片间摩擦，减
少接触疲劳，使疲劳寿命有较大增
加；改善客车行驶平顺性与稳定性。

少片变截面钢板弹簧可得到较大的
挠度，在小振幅振动时刚度略有增
加，因而可改善客车行驶平顺性与
稳定性，从而提高舒适性；运动噪
音小。

由于少片弹簧摩擦减轻，噪
音随之减小，符合乘车技术要求。

少片变截面钢板弹簧按簧片的
形状，可分为宽形和变宽形２种。

少
片变截面钢板弹簧有单片的或由２～４片组成一副，单片的不安全，不能在客车上装用；２～４片的由等长及沿长度方向各片变截面的簧片组成，片与片之间用０．２５～１．２ｍｍ的金属或塑料垫片隔开。

少片变截面钢板弹簧所采用的材质与等截面的不同，有的用铬锰钒弹簧钢，硬度也比等截面板簧高得多。

采用少片变截面钢板弹簧的悬架系统，其中减震器是与少片簧相匹配的，如减震器损坏，必须更换与原车同规格的减震器。

少片变截面钢板弹簧片数少，片间有垫片，片长范围内有间隙，其振动阻尼力比传统的多片钢板弹簧低，因而需要增加减震器的阻尼力来加以补偿。

少片变截面钢板弹簧的硬度比多片钢板弹簧高，对簧片表面的要求也高，簧片表面有缺口，将形成应力集中。

因此，少片变截面钢板弹簧的表面涂有一层含锌粉的环氧漆，如使用过程中漆层脱落，应予补涂。

片与片之间的垫片如在使用中已磨损，应予更新，不得取消；片与片之间不得错位，钢板卡子应安装正确、齐全；更换少片变截面钢板弹簧簧片时，不得敲击簧片表面。

４　钢板弹簧非独立悬架的结构特点
钢板弹簧由若干长度不等、等宽等厚（厚度也可不等）的弹簧钢片迭成，构成整体上近似于等强度的弹性梁，最长的第一片称为主片，两端有卷耳。

自由状态下钢片曲率半径不同，下片小于上片；多片钢板由中心螺栓和若干钢板夹连在一起，钢片之间须涂上较稠的石墨润滑脂。

钢板弹簧变形时，为保证车架两端与钢板弹簧连接的卷耳间的距离有伸缩的余地弹簧后端与车架的连接通常采用了以下几种结构型式：吊耳支架式，解放ＣＡｌ０９１型载货汽
车前悬架采用；滑板支承式，东风
ＥＱｌ０９０Ｅ型载货汽车前悬架采用；
橡胶块支承式，一汽早期生产的
２．５ｔ越野汽车前悬架采用。

钢板弹簧非独立悬架的结构特
点：钢板弹簧一般安装在非独立悬
架上，沿汽车纵向放置；钢板弹簧
中部用Ｕ型螺栓通过上下盖板和下
托板与车桥固定连接，前端卷耳用
销子与支架相连；后端卷耳通过销
子与车架上的摆动吊耳相连，形成
活动铰链支点，保证弹簧变形时两
端卷耳间的距离有改变的可能。

有
的钢板弹簧后端与车架之间采用滑
板式连接滑板式连接结构简单，拆
装方便，不须润滑，广泛应用于货
车。

货车后悬架所受载荷因汽车装
载量不同在很大范围内变化，要求
悬架刚度可变，一般采用加副弹簧。

５　对汽车钢板弹簧的质量要求
和改善操控性的措施
钢板弹簧在汽车行驶过程中，
承受高频往复压缩运动，起着缓冲
和减振作用，其质量的好坏，对车
辆平稳性、安全性起着至关重要的
作用。

正规专业厂生产的汽车钢板
弹簧表面平整光滑，规格尺寸规范，
喷漆工艺水平高。

尤其客车对钢板
弹簧性能的要求较高，以使车辆具
有噪声小、速度快、振动小、舒适
度高、弹性好、平稳性好等特性；重
型及超重型载货车则需要高强度的
钢板弹簧，其发展趋势总体上为轻
量化（高应力）、高可靠度，悬架弹簧
设计应力普遍要求大于１１００ＭＰａ，
高的可达１２００ＭＰａ。

钢板弹簧控制了很多有关操控
的因素，弹簧的改变（改装）主要是
要改善操控性，也就是要改用刚度
较大的弹簧或是较短的弹簧，使很
复杂的操控特性得以改变。

例如，增
加刚度，可提高悬架的滚动抑制能
力，减少过弯时车身的滚动，而车
高的降低则可同时降低车身的重心，
减少过弯时车身质量的转移，提高
稳定性。

维持舒适性和保持轮胎良好的
贴地性是钢板弹簧的２个主要功能，
要达成这２个相冲突的目标需要有
不同的弹力系数。

保持轮胎的贴地
性对操控有决定性的影响，因此需
要刚度大的弹簧设定，来保持贴地
性。

在颠簸路面，则需要刚度较小
的弹簧设定。

要同时达到这２个目
的，需要使用具有复合弹力系数（非
线性）的渐进式弹簧。

渐进式弹簧能
随着弹簧的压缩而增加弹力系数，
在设计和制造上都有相当的难度。

目前的渐进式弹簧大多为采用不等
螺距弹簧或圈径变化弹簧。

不等螺
距弹簧受压缩时会产生局部线间接
触，以使有效圈数发生变化，进而
造成弹力系数变化。

经由弹簧上下
圈径的变化则是改变弹力系数最直
接的方法。

６　国产汽车钢板弹簧非独立悬架
东风ＥＱ１０６１Ｔ系列汽车的前、
后悬架系统，采用了传统的钢板弹
簧非独立悬架，锥形少片变截面弹
簧作为前悬架的选装弹簧，后悬架
采用具有副钢板弹簧的二级刚度复
式弹簧，前、后悬架均装有双向作
用筒式减振器。

该车型前、后悬架
均采用了双向作用筒式减振器。

汽
车行驶时，减振器在拉伸和压缩过
程中产生阻尼力，从而钢板弹簧的
振动迅速衰减，以改善汽车的行驶
平顺性。

其上、下端均为吊环式结
构，上端通过减振器上支架及橡胶
衬套和车架相连，下端通过减振器
下支架和前轴相连（后悬架减振器
上支架由车架横梁充当）。

采用少片
变截面弹簧，和传统的多片弹簧相
比，它具有以下特点：弹簧片应分
布均匀，接近于等应力梁，片数减
少１～４片，减少了弹簧质量，能节省能源和减少汽车燃油消耗；少片变截面簧大大减少了片间摩擦，使弹簧动刚度大为减小，提高了乘座舒适性；由于弹簧片间及上、下保护垫板之间均插有金属垫片，基本消除了片间摩擦引起的磨损，提高了弹簧的疲劳寿命，同时由于板簧上涂有防锈性良好的油漆，进一步提高了使用寿命；钢板簧总成厚度减少，降低了汽车满载高度。

ＥＱ１１４１Ｇ型汽车的悬架系统，采用吊耳式和半椭圆双槽钢板弹簧。

悬架系统的导向机构主要是由车架外部装置组成；车架外部装置是指后悬架副簧支架，吊耳支架，固定端支架，前悬架吊耳支架，减振器上支架和前悬架固定端支架等组成。

前、后悬架系统采用了传统式的纵置、对称半椭圆形钢板弹簧的非独立悬架。

其中前簧和后副簧为锥形少片变截面弹簧；前悬架装有双向作用的筒式减振器，而后悬架为带有副钢板弹簧的两极刚度复式悬架。

ＥＱ１１４１Ｇ型汽车的前悬架系统采用了双向筒式液力减振器，汽车行驶时、减振器在拉伸和压缩的过程中，液体分别通过复原阀和压缩阀及其相应的节流系统产生阻尼力，从而使钢板弹簧的振动速度衰减，以改善汽车行驶的平顺性。

双向筒式液力减振器的上端为直杆，下端为吊环式结构。

南京依维柯Ｓ系列汽车后悬架为钢板弹簧非独立悬架，由钢板弹簧、减振器、吊耳、支架等主要零部件组成，车桥跳动时钢板弹簧发生挠曲变形产生弹性振动。

由减振器衰减振动能量，钢板弹簧主要起缓和冲击作用，车轮上下跳动，钢板弹簧压直和回曲引起吊耳前后摆动，由于钢板弹簧采用橡胶衬套，所以无需润滑，使维护工作简化，同时提高了弹簧销的使用寿命。

后悬
架的钢板弹簧由主、副钢板弹簧串
联而成，这是一种可变刚度悬架。

其
主簧由厚度为９ｍｍ的４片（或３片）
和副簧厚度为１５ｍｍ的２片（或３片）
组成逐渐变化刚度的钢板弹簧组件。

空载时主簧末片和副簧第一片不接
触，此时仅主簧参加工作，整个悬
架刚度较小：当汽车有一定载荷后
主簧末片才开始和副簧第一片接触，
副簧开始参加工作，整个悬架刚度
增大，确保汽车空载和重载行驶中
有理想的振幅变化范围，从而改善
汽车的平顺性。

７　汽车悬架钢板弹簧使用钢材
的趋势
汽车行业使用悬挂弹簧分为钢
板弹簧和圆簧两大类。

轻型货车、中
重型汽车和客运汽车使用钢板弹簧
的尺寸规格为（６～３０）×（５０～１４０）
ｍｍ，品种为弹簧扁钢。

卡车一般采
用等截面钢板簧，重型车前簧采用
等截面、后簧采用变截面钢板弹簧。

客车一般采用变截面钢板簧。

变截
面生产难度大，全国只有东风一家
引进英国设备具备生产能力。

汽车工业的发展将决定钢板弹
簧及圆簧的使用量。

据统计，近年
来，全国５０家企业悬架弹簧生产量
约为５０万ｔ，折合弹簧钢材约需５５
万ｔ，占全国总用量的９０％，因此全
国汽车悬架弹簧总需求弹簧钢约为
６０万ｔ，其中弹簧扁钢需求量约为５６
万ｔ，弹簧钢线材在４ｔ吨左右。

据统计资料，一辆５ｔ载货车
（１０９０车型）前桥钢板弹簧重量约为
５０ｋｇ，后桥钢板弹簧重量约为５０～
６０ｋｇ，副桥（放置在后桥上面）钢
板弹簧重量约为７０～８０ｋｇ，另外计
算９０％的钢材利用率，一辆５ｔ载货
车总计需要钢板弹簧２００～３００ｋｇ。

一辆８ｔ载货车（１１４１车型）前桥钢
板弹簧重量约为９０ｋｇ，后桥钢板弹
簧重量约为９０～１００ｋｇ，副桥钢板
弹簧重量约为７０～８０ｋｇ，另外计算
９０％的钢材利用率，一辆５ｔ载货车
总计需要钢板弹簧３００ｋｇ左右。

一
辆１３ｔ重型载货车每辆车约需求钢
板弹簧４００ｋｇ左右。

轻型货车、中及重型汽车和客
运汽车使用钢板弹簧，分钢种使用
情况如下：６０Ｓｉ
２
Ｍｎ代表规格为：１０
×６０（６５、７５、９０、１００）ｍｍ，１１
×６０（７０、７５）ｍｍ，弹簧方钢规
格为１８×１８ｍｍ，年消费量约占总
量的３５％左右。

５５ＳｉＭｎＢ弹簧扁钢
使用规格为：１０×７５ｍｍ、１１×７０
（９０）ｍｍ、１２×７０ｍｍ、１２×９０ｍｍ、
１３×７０ｍｍ、１３×９０ｍｍ、１７×
７０ｍｍ，双槽弹簧扁钢规格为１０×
７５ｍｍ，年消费量约占总量的３５％
左右。

５０ＣｒＶＡ使用规格１２×
９０ｍｍ，年消费量约占总量的３０％
左右。

另外，使用量较少的钢种为
６５Ｍｎ，代表规格为１０×７５ｍｍ，
３５ＣｒＭｎＳｉ代表规格为１０×
７５ｍｍ，６０ＣｒＭｎＡ代表规格为１２
×６０ｍｍ。

钢板弹簧生产企业还少
量使用Ｑ２３５扁钢及７０＃冷拔钢丝，
Ｑ２３５扁钢用于做连接结构件，规格
为４×２５ｍｍ、５×２５ｍｍ、６×
３０ｍｍ。

７０＃成卷冷拔钢丝，切成细
颗粒喷到热处理后的钢板表面，用
以除去再生氧化铁皮。

目前汽车对
弹簧扁钢原材料的年需求量约为５６
万ｔ，国产弹簧扁钢的质量、品种和
规格基本能够满足用户要求，以东
风汽车钢板弹簧有限公司为例，其
采购的弹簧扁钢全部国产化。

到
２０１０年汽车用弹簧扁钢的需求量为
６０万～７０万ｔ。

轻型货车、中重型
汽车和客运汽车使用钢板弹簧，使
用尺寸规格为（６～３０）×（５０～１４０）
ｍｍ，品种为弹簧扁钢，年需求量约
为５６万ｔ。

国内生产厂家较多，产
品质量基本能够满足用户需求，除
用户指定需进口国外钢厂的弹簧扁
钢外，基本采用国内钢材。