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。