汽车钢板弹簧专利技术综述

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概述

在汽车的设计开发中，需要攻克的一个重要问题是汽车运动时的减振效果，而汽车座椅、轮胎和悬架是汽车产生振动时的主要振动部位，其中，假设轮胎、座椅相关参数不发生变化时，则主要由悬架的减振性能决定汽车稳定性能的指标。钢板弹簧是悬架上非常重要的一个部件之一，目前，国内大多数的重型卡车的悬架系统中均具有钢板弹簧。因此，提升钢板弹簧品质可以进一步改善汽车安全性，提高汽车性能有着很大的影响。钢板弹簧（Leafspring）是由许多具有等宽等厚，但长度不同的弹簧片构成，其作用是用悬挂的形式把车架与车桥连接在一起，起到了承受载荷冲击、减振、保持车辆行驶的平稳性和对不同路况的适应性的效果。

技术发展状况分析

数据源与技术分析本文选择中国专利文摘数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI）作为数据采集源，通过对检索所获得的该领域下的专利申请进行统计和研究，对弹簧钢板刚度及截面形式涉及的技术方案分析可得：对于钢板弹簧的刚度，包括定刚度和变刚度，而定刚度钢板弹簧包括多片等行业曲线linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.24.003可替代度影响力真实度截面式和少片变截面式，变刚度钢板弹簧包括主副簧复合式、渐变刚度式、少片渐变刚度式。经过检索式检索与人工筛选，确定涉及汽车钢板弹簧结构改进的来自30多个国家或地区申请人的全球专利申请共计2271项，通过对申请量势态变化趋势的分析，可以初步掌握由对汽车钢板弹簧结构改进发展与趋势变化，由此对其未来发展方向形成一定判断。如图1所示，中国及世界范围内的汽车钢板弹簧申请量都呈现整体上升的趋势，从世界范围来看，汽车钢板弹簧的专利申请始于1902年，并在之后的二三十年中有一研发小高潮，之后由于技术的限制及钢板弹簧具有一定的稳定性，直至1960年均处于相对较低的水平，自新型的少片变截面钢板弹簧的发明，专利申请又重新恢复蓬勃，申请量开始逐渐增长，于2016年达到巅峰，而这其中不乏中国专利数量急剧增长的作用。中国对于汽车钢板弹簧的研究起步比较晚，第一件汽车钢板弹簧的专利始于1987年，之后的申请量与世界范围内的增长基本保持一致。对全球申请量排名前十的申请人进行统计如图2所示。可以看出申请人主要集中在日本、中国、韩国、美国的汽车公司和汽车零配件公司。申请的地域分布申请的地域分布可以反映出企业的产品市场中心特征和对市场的重视程度。对汽车钢板弹簧专利申请的所在国家和地区产权组织分布进行统计，得到图3的数据。从图3中可以看出，申请量较大的国家的分别是中国、日本、美国、德国、英国、法国、韩国这几个国家占了申请总数的94%，其与国家的申请总量加起来只有6%，数量与前面几个国家相比甚微。这几个个国家是汽车产业生产和研发的大国，也是最汽车进出口的大国，因此在汽车钢板弹簧领域上的研究相对比较多。值得注意的是，中国的相关专利申请占了全球的23%，这不仅表明中国作为一个巨大的消费市场对各国企业的重要性，同时也与中国今年来实施的知识产权战略、鼓励发明创新的战略思想相吻合，此外这一情况的产生还由于中国申请的实用新型较多，占了申请总量的很大比例有关。申请人信息分析对国内申请量排名前十的申请人进行统计如图4所示。其中经过对山东理工大学和王炳超申请人专利申请的追踪，发现其应当与山东恒日悬架弹簧有限公司具有合作关系，其对各类钢板弹簧的细节设计，如主副簧间隙设计、刚度设计，应力计算方法等，进行了一系列的专利申请，在获得专利授权后将专利权转让于山东恒日悬架弹簧有限公司。进一步可以看出，国内关于汽车钢板弹簧的专利申请主要出自企业实际生产的需求。对全球申请量排名前十的申请人进行统计如图5所示。可以看出申请人主要集中在日本、中国、韩国、美国的汽车公司和汽车零配件公司。专利技术发展演进自汽车及汽车悬架的产生对汽车钢板弹簧的研究就已经开始，通过对汽车钢板弹簧领域的专利文献进行梳理和分析，可以得出该领域的专利技术演进路线。下面结合图6对专利技术的演进路线，进行逐步分解。汽车钢板弹簧的申请主要集中在钢板弹簧的结构改进。为适应路面的崎岖度，确保汽车的舒适性，以及避免弹簧过软导致的悬架系统较大地上下摆动、增加控制难度，首先被研制出的是既起到缓冲和减振的作用，又起到支撑和导向作用的多片等截面式钢板弹簧，其通常为倒梯形形状，通过U型螺栓固定在车桥上，主片簧两端的卷耳铰接在车架上，这样使得钢板弹簧在车桥与车身之间起到了承载载荷的作用。现今承载量较大的载货汽车、轨道机车、大客车以及拖拉机上还有采用的。由汽车理论可知，为保持车身固有频率不变，钢板弹簧的特性应该按指数函数变化，这在定刚度弹簧中难以实现，因此，当汽车载货后悬架承重变化较大时，为了保持悬架的频率不变或变化较小，因此发明出一种主副簧复合式钢板弹簧，如公开号为GB230000A的主副簧复合式钢板弹簧在1924年7月30日被申请。而为了改善主、副簧复合式钢板弹簧体积相对较大、布置较为复杂及重量较重的缺点，发明出了渐变刚度钢板弹簧，其特性曲线变为非线性，如公开号为FR752305A的渐变刚度式钢板弹簧在1933年3月13日被申请。由于主副簧复合式钢板弹簧与渐变刚度式钢板弹簧的主要特点是变刚度，因此，对于刚度可调方向进行了研究，典型的如1952年10月9日申请的公开号为FR1064232A的专利，其通过调节主副簧之间的距离对钢板弹簧的刚度进行调节，依维柯汽车公司在2004年12月9日申请了一种通过制动器来调节刚度的钢板弹簧结构。随着汽车行业的发展以及对钢板弹簧的研究加深，为了消除多片钢板弹簧的簧片间摩擦大的缺陷，在载重量较小的汽车上，出现了少片变截面钢板弹簧。其与多片簧相比少片变截面钢板弹簧生产成本较低，一般可节省30%～50%钢材，且可以节约油耗。少片变截面钢板弹簧的各片长度基本相同，但其厚度沿长度方向按照一定规律变化，片中应力基本均匀，与等强度梁相似。基于上述的几种钢板弹簧的形式，少片渐变刚度式钢板弹簧也被研发出来，典型的如1967年9月8日福特汽车申请的专利US3491994A为一种具有主副簧的，少片渐变刚度式钢板弹簧。1980年前后申请人对其截面形状及簧片形状的变化进行了一些研究，知名公司如通用汽车于1977年10月18日申请了一种S型簧片的钢板弹簧。随着少片变截面式钢板弹簧的进一步发展，现代汽车于1996年12月27日申请了一种中间凸起形状的钢板弹簧。中国公司自80年代起对钢板弹簧也进行了大量的研究，关于簧片截面和形状特征的典型专利如2009年7月15日青岛帅潮实业有限公司提出了一种反弧形的钢板弹簧。

本文从汽车钢板弹簧技术发展脉络出发，介绍了该领域各技术的相互关系，梳理了不同汽车钢板弹簧的发展情况，并对相关推进技术和重点申请人进行了分析，对该领域下的基本发展势态有了一个更全面的认识。

作者:仵凡 袁媛 单位:国家知识产权局专利局专利审查协作四川中心