變剛度鋼板彈簧是什麼

① 彈性元件的分類

汽車懸架系統中採用的彈性元件主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧、氣體彈簧和橡膠彈簧等。 鋼板彈簧是汽車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，它是由若乾片等寬但不等長（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁，其一般構造如圖1所示。
鋼板彈簧3的第一片（最長的一片）稱為主片，其兩端彎成卷耳1，內裝青銅或塑料、橡膠、粉末冶金製成的襯套，以便用彈簧銷與固定在車架上的支架或吊耳作鉸鏈連接。鋼板彈簧的中部一般用U形螺栓固定在車橋上。
中心螺栓4用以連接各彈簧片，並保證裝配時各片的相對位置。中心螺栓距兩端卷耳中心的距離可以相等（稱為對稱式鋼板彈簧，如圖1所示），也可以不相等（稱為非對稱式鋼板彈簧）。
當鋼板彈簧安裝在汽車懸架中，所承受的垂直載荷為正向時，各個力的方向和作用點如圖1）中箭頭所示。各彈簧片都受力變形，有向上拱彎的趨勢。這時，車橋和車架便互相靠近。當車橋與車架互相遠離時，鋼板彈簧所受的正向垂直載荷和變形便逐漸減小，有時甚至會反向。
主片卷耳受力嚴重，是薄弱處，為改善主片卷耳的受力情況，常將第二片末端也彎成卷耳，包在主片卷耳的外面稱為包耳。為了使得在彈簧變形時各片有相對滑動的可能。在主片卷耳與第二片包耳之間留有較大的空隙。有些懸架中的鋼板彈簧兩端不做成卷耳，而採用其他的支承連接方式，如橡膠支承墊。
連接各片的構件，除中心螺栓以外，還有若干個彈簧夾2（亦稱回彈夾），其主要作用是當鋼板彈簧反向變形（即反跳）時，使各片不致互相分開，以免主片單獨承載，此外，還可防止各片橫向錯動。彈簧夾用鉚釘鉚接在與之相連的最下面彈簧片的端部。彈簧夾的兩邊用螺栓5連接，在螺栓上有套管 , 頂住彈簧夾的兩邊，以免將彈簧片夾得過緊。在螺栓套管與彈簧片之間有一定間隙（不小於 (1.5mm）。以保證彈簧變形時，各片可以相互滑移。鋼板彈簧在載荷作用下變形時，各片之間有相對滑動而產生摩擦，可以促進車架振動的衰減。但各片間的干摩擦，將使車輪所受的沖擊在很大的程度上傳給車架，即降低了懸架緩和沖擊的能力，並使彈簧各片加速磨損，這是不利的。為減少彈簧片的磨損，在裝合鋼板彈簧時，各片間須塗上較稠的潤滑劑（石墨潤滑脂），並應定期進行保養。為了在使用期間內長期儲存潤滑脂和防止污染，有時將鋼板彈簧裝在護套內。
前已述及，鋼板彈簧本身還能兼起導向機構的作用，並且由於彈簧各片之間的摩擦而起到一定的減振作用。為了保證在彈簧片間產生定值摩擦力以及消除雜訊，可在彈簧片之間夾人塑料墊片。如某些高級轎車後懸架的彈性元件採用鋼板彈簧時，常採用此種結構。
許多國家的汽車上採用了一種由單片或2-3片 變厚度斷面的彈簧片構成的少片變截面鋼板彈簧，其彈簧片的斷面尺寸沿長度方向是變化的，片寬保持不變。這種少片變截面鋼板彈簧克服了多片鋼板彈簧質量大，性能差（由於片間摩擦的存在，影響了汽車的行駛平順性）的缺點。據統計，在兩種彈簧壽命相等的情況下，少片變截面鋼板彈簧可減少質量。 螺旋彈簧廣泛地應用於獨立懸架，特別是前輪獨立懸架中。然而在有些轎車的後輪非獨立懸架中，其彈性元件也採用螺旋彈簧（圖2）。螺旋彈簧與鋼板彈簧比較，具有以下優點：無需潤滑，不忌泥污；安置它所需的縱向空間不大；彈簧本身質量小。
螺旋彈簧本身沒有減振作用，因此在螺旋彈簧懸架中必須另裝減振器。此外，螺旋彈簧只能承受垂直載荷，故必須裝設導向機構以傳遞垂直力以外的各種力和力矩。
螺旋彈簧用彈簧鋼棒料卷制而成，可做成等螺距或變螺距。前者剛度不變，後者剛度是可變的。 扭桿彈簧本身是一根由彈簧鋼製成的桿 （圖3）。扭桿斷面通常為圓形，少數為矩形或管形。其兩端形狀可以做成花鍵、方形、六角形或帶平面的圓柱形等等，以便一端固定在車架上，另一端固定在懸架的擺臂2上。擺臂則與車輪相連。當車輪跳動時，擺臂便繞著扭桿軸線而擺動，使扭桿產生扭轉彈性變形，藉以保證車輪與車架的彈性聯系。有的扭桿由一些矩形斷面的薄條（扭片）組合而成，這樣，彈簧更為柔軟。
扭桿彈簧系用鉻釩合金彈簧鋼製成，其表面經過加工後很光滑。使用中必須對扭桿表面很好保護，通常在扭桿彈簧表面上塗有環氧樹脂，包一層玻璃纖維布，再塗一層環氧樹脂，最後塗以瀝青和防銹油漆，以防碰撞、刮傷和腐蝕，從而可提高扭桿彈簧的使用壽命。
扭桿彈簧在製造時，經熱處理後預先施加一定的扭轉力矩載荷，使之產生一個永久的扭轉變形，從而使其具有一定的預應力。左、右扭桿的預加扭轉的方向都與扭桿安裝在車上後承受工作載荷時扭轉的方向相同。其目的是減小工作時的實際應力，以延長扭桿彈簧的使用壽命。如果左、右扭桿換位安裝，則將使扭桿彈簧的預先扭轉方向與工作時扭轉方向相反，導致扭桿彈簧的實際工作應力加大，而使用壽命縮短，因此左、右扭桿彈簧不能互換。為此，左、右扭桿刻有不同的標記。
扭桿彈簧本身的扭轉剛度雖然是常數，但採用扭桿彈簧的懸架由於有導向機構的緣故，其懸架剛度卻是可變的。
氣體彈簧
氣體彈簧有空氣彈簧和油氣彈簧兩種。
空氣彈簧又有囊式和膜式之別。
①囊式空氣彈簧。由橡膠氣囊、上蓋板、下蓋板，以及腰環等組成。橡膠氣囊用夾有簾線的橡膠製成，氣囊上、下端裝有蓋板與氣囊一同構成。氣囊可以做成單曲、雙曲和多曲氣囊，在節與節之間裝有腰環，腰環用來防止對氣囊充氣時，因壓力升高，氣囊產生徑向膨脹變形。橡膠氣囊充氣後利用氣體可壓縮的特點，實現彈簧作用。當作用在彈簧上的載荷增加時，氣囊內的氣體受壓，氣壓升高，則彈簧剛度增加。當載荷減小時，氣囊內的氣體減壓，剛度減小。因此空氣彈簧的剛度是可變的。
②膜式空氣彈簧。由橡膠膜片、蓋板、底座等組成。膜式空氣彈簧工作原理與囊式空氣彈簧的相同，只是膜式空氣彈簧的剛度較囊式空氣彈簧的小，尺寸小，在車上容易安裝，但製造困難，壽命短。
空氣彈簧質量小，壽命長，一旦漏氣彈簧失效，與鋼板彈簧比較佔用汽車橫向方向尺寸多，因此布置困難。空氣彈簧只能承受垂直載荷作用，因此選用空氣彈簧作為彈性元件，懸架還必須裝減振器、導向機構等，如圖4所示。
油氣彈簧由氣體、油氣隔膜、油液、工作缸、活塞等組成。分為油氣分隔式和油氣不分隔式兩種，如圖5所示。

單氣室油氣分隔式油氣彈簧的球形氣室固定在工作缸上。油氣隔膜位於球形氣室和工作缸中間，用來防止油液乳化。在球形氣室內充入高壓氮氣，構成氣體彈簧，起彈性元件作用。在工作缸內充有油液，如在工作缸內安裝有節流閥，它所提供的阻尼力又使油氣彈簧兼有減振作用。球形氣室和活塞桿的端部分別固定在車架和車橋上。
油氣彈簧的工作原理是當載荷增加時車架與車橋間的距離縮短，即活塞向上移動並推油液壓迫油氣隔膜向高壓氮氣室移動，於是氣室容積減小，氮氣壓力升高，彈簧剛度增大，隨之車架下降速度減慢。當外界載荷與氮氣壓力平衡時，活塞停止上移，車架與車橋的相對位置不變。當載荷減少時在高壓氮氣壓力作用下，油氣隔膜向下移動並推油液活塞下移，使氣室容積增加，氮氣壓力降低，彈簧剛度減小，同時車架與車橋間拉開距離的速度也減小，直至外界載荷與氮氣壓力平衡時，車架與車橋間的距離停止變化。
油氣彈簧的特點是具有變剛度特性，兼起減振器作用，用於載質量大些的商用貨車上時體積與質量比鋼板彈簧小。但一旦漏氣或漏油將失去作用，所以對密封要求高。油氣彈簧只能承受垂直載荷，故選用油氣彈簧作彈性元件的懸架還必須裝置導向機構。油氣彈簧主要應用於載質量大些的商用貨車和自卸車上。 由橡膠製成。為增加彈簧行程，常將它做成中空狀。橡膠彈簧具有隔音、工作無雜訊、不要潤滑和變剛度等優點。但有易老化、怕油污和行程小，以及只能承受壓縮和扭轉載荷等缺點。橡膠彈簧主要用於做副簧和緩沖塊。

② 空氣懸掛的好處和壞處

舒適性和操控性一直是衡量汽車性能的兩大核心標准，但在汽車最初百多年的發展歷程當中，兩者在眾多汽車設計者看來一直是一對水火不容的冤家，很難彼此兼顧。對此，眾多汽車設計大師們研究出各種技術來解決這一問題，但其中最具里程碑意義的還數空氣懸掛技術(Airmat i c )的問世.
空氣懸掛也並不是最近幾年才研發的新技術，它們的基本技術方案相似，主要包括內部裝有壓縮空氣的和阻尼可變的減震器兩部分。
與傳統鋼制相比較，空氣懸掛具有很多優勢，最重要的一點就是彈簧的彈性系數也就是彈簧的軟硬能根據需要自動調節。例如，高速行駛時懸掛可以變硬，以提高車身穩定性，長時間低速行駛時，控制單元會認為正在經過顛簸路面，以懸掛變軟來提高減震舒適性。
另外，車輪受到地面沖擊產生的加速度也是空氣彈簧自動調節時考慮的參數之一。例如高速過彎時，外側車輪的空氣彈簧和減震器就會自動變硬，以減小車身的側傾，在緊急制動時電子模塊也會對前輪的彈簧和減震器硬度進行加強以減小車身的慣性前傾。因此，裝有空氣彈簧的車型比其它汽車擁有更高的操控極限和舒適度。
我們以裝備在 Maybach 上的AIRMATIC.DC空氣懸掛系統為簡例說明彈簧軟硬的變化。彈簧的彈性系數是通過橡膠皮腔中空氣的流量來調節的。在短波路面或高速過彎時，皮腔中的部分氣體會被鎖定，在皮腔受壓時，空氣流量減小，令彈簧變硬，以減小車身起伏和提高車身穩定性。在普通路面上，所有空氣都可以自由流動，皮腔受壓時，空氣流量加大，從而提供柔軟的彈簧和最大程度的行駛舒適性。 Maybach 的空氣懸掛中的空氣始終保持6-10個巴的壓力。
空氣懸掛還將傳統的底盤升降技術融入其中。高速行駛時，車身高度自動降低，從而提高貼地性能確保良好的高速行駛穩定性同時降低風阻和油耗。慢速通過顛簸路面時，底盤自動升高，以提高通過性能。另外，空氣懸掛系統還能自動保持車身水平高度，無論空載滿載，車身高度都能恆定不變，這樣在任何載荷情況下，懸掛系統的彈簧行程都保持一定，從而使減震特性基本不會受到影響。因此即便是滿載情況下，車身也很容易控制。這的確是平台技術的一個飛躍。
在採用相似的設計方案的同時各廠家的技術又完全不相同。 BENZ 是空氣懸掛技術的前輩，它首次將橡膠皮腔放置在金屬外殼內，令皮腔受壓時的彈性特性接近鋼簧，另外，皮腔中還加入了一個特殊的纖維，從而使皮腔更堅固，壽命更長。 AUDI 在此基礎上改變了纖維的排布方向，使彈簧的鋼度進一步提高等等。
在一些底盤升降的具體指標上各廠商也存在不同。例如 Maybach 與 Phaeton 在車速超過140Km/h後，車身高度自動下降1.5cm，當車速降回70Km/h以下時，車身又恢復正常高度，而 A8 的這兩個速度指標則分別為120Km/h和100Km/h，在自動減震模式下和Sport減震模式下車身高度分別下降2.5cm和2cm。如果遇到破壞非常嚴重的路面，三輛車的底盤都能在正常高度上升高2.5cm。
除了多種車身高度外， Phaeton 、 Maybach 和 A8 還能通過車內相應按鍵選擇自動、舒適、抬高和Sport等多種減震模式。它們能分別提供不同硬度的減震器來滿足不同的駕駛需要。
當然，僅僅依靠空氣彈簧和減震器總成並不能實現上述的諸多功能，還需要大量附加部件的配合。其中包括空氣壓縮機、蓄壓器、控制單元、前後橋車身高度感測器、3個不同方向的車身加速度感測器以及4個空氣彈簧伸張加速度感測器等等。
感測器將收集到的信號傳給控制單元，控制單元經過計算再發出指令來調節空氣彈簧硬度和減震器阻尼，從而達到最理想的彈性狀態。這個看來十分復雜的過程在整個系統內的反映時間只有幾十微秒。因此，空氣懸掛系統對車輪的每一個微小動作都能做出及時而且恰當的反應。
Maybach 和 Phaeton 空氣懸掛系統的自適應減震器都採用叫做SKYHOOK的計算方法，這個演算法的基本原則是減小車身在各個方向上的加速度，同時盡可能保證車輪擁有最完美的貼地性能，這樣就能提供最完美的操控感受和無窮的駕駛樂趣。