汽車鋼板彈簧專利技術綜述

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概述

在汽車的設計開發中，需要攻克的一個重要問題是汽車運動時的減振效果，而汽車座椅、輪胎和懸架是汽車產生振動時的主要振動部位，其中，假設輪胎、座椅相關參數不發生變化時，則主要由懸架的減振性能決定汽車穩定性能的指標。鋼板彈簧是懸架上非常重要的一個部件之一，目前，國內大多數的重型卡車的懸架系統中均具有鋼板彈簧。因此，提升鋼板彈簧品質可以進一步改善汽車安全性，提高汽車性能有著很大的影響。鋼板彈簧（Leafspring）是由許多具有等寬等厚，但長度不同的彈簧片構成，其作用是用懸掛的形式把車架與車橋連接在一起，起到了承受載荷沖擊、減振、保持車輛行駛的平穩性和對不同路況的適應性的效果。

技術發展狀況分析

數據源與技術分析本文選擇中國專利文摘數據庫（CNABS）和德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）作為數據采集源，通過對檢索所獲得的該領域下的專利申請進行統計和研究，對彈簧鋼板剛度及截面形式涉及的技術方案分析可得：對于鋼板彈簧的剛度，包括定剛度和變剛度，而定剛度鋼板彈簧包括多片等行業曲線linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.24.003可替代度影響力真實度截面式和少片變截面式，變剛度鋼板彈簧包括主副簧復合式、漸變剛度式、少片漸變剛度式。經過檢索式檢索與人工篩選，確定涉及汽車鋼板彈簧結構改進的來自30多個國家或地區申請人的全球專利申請共計2271項，通過對申請量勢態變化趨勢的分析，可以初步掌握由對汽車鋼板彈簧結構改進發展與趨勢變化，由此對其未來發展方向形成一定判斷。如圖1所示，中國及世界范圍內的汽車鋼板彈簧申請量都呈現整體上升的趨勢，從世界范圍來看，汽車鋼板彈簧的專利申請始于1902年，并在之后的二三十年中有一研發小高潮，之后由于技術的限制及鋼板彈簧具有一定的穩定性，直至1960年均處于相對較低的水平，自新型的少片變截面鋼板彈簧的發明，專利申請又重新恢復蓬勃，申請量開始逐漸增長，于2016年達到巔峰，而這其中不乏中國專利數量急劇增長的作用。中國對于汽車鋼板彈簧的研究起步比較晚，第一件汽車鋼板彈簧的專利始于1987年，之后的申請量與世界范圍內的增長基本保持一致。對全球申請量排名前十的申請人進行統計如圖2所示。可以看出申請人主要集中在日本、中國、韓國、美國的汽車公司和汽車零配件公司。申請的地域分布申請的地域分布可以反映出企業的產品市場中心特征和對市場的重視程度。對汽車鋼板彈簧專利申請的所在國家和地區產權組織分布進行統計，得到圖3的數據。從圖3中可以看出，申請量較大的國家的分別是中國、日本、美國、德國、英國、法國、韓國這幾個國家占了申請總數的94%，其與國家的申請總量加起來只有6%，數量與前面幾個國家相比甚微。這幾個個國家是汽車產業生產和研發的大國，也是最汽車進出口的大國，因此在汽車鋼板彈簧領域上的研究相對比較多。值得注意的是，中國的相關專利申請占了全球的23%，這不僅表明中國作為一個巨大的消費市場對各國企業的重要性，同時也與中國今年來實施的知識產權戰略、鼓勵發明創新的戰略思想相吻合，此外這一情況的產生還由于中國申請的實用新型較多，占了申請總量的很大比例有關。申請人信息分析對國內申請量排名前十的申請人進行統計如圖4所示。其中經過對山東理工大學和王炳超申請人專利申請的追蹤，發現其應當與山東恒日懸架彈簧有限公司具有合作關系，其對各類鋼板彈簧的細節設計，如主副簧間隙設計、剛度設計，應力計算方法等，進行了一系列的專利申請，在獲得專利授權后將專利權轉讓于山東恒日懸架彈簧有限公司。進一步可以看出，國內關于汽車鋼板彈簧的專利申請主要出自企業實際生產的需求。對全球申請量排名前十的申請人進行統計如圖5所示。可以看出申請人主要集中在日本、中國、韓國、美國的汽車公司和汽車零配件公司。專利技術發展演進自汽車及汽車懸架的產生對汽車鋼板彈簧的研究就已經開始，通過對汽車鋼板彈簧領域的專利文獻進行梳理和分析，可以得出該領域的專利技術演進路線。下面結合圖6對專利技術的演進路線，進行逐步分解。汽車鋼板彈簧的申請主要集中在鋼板彈簧的結構改進。為適應路面的崎嶇度，確保汽車的舒適性，以及避免彈簧過軟導致的懸架系統較大地上下擺動、增加控制難度，首先被研制出的是既起到緩沖和減振的作用，又起到支撐和導向作用的多片等截面式鋼板彈簧，其通常為倒梯形形狀，通過U型螺栓固定在車橋上，主片簧兩端的卷耳鉸接在車架上，這樣使得鋼板彈簧在車橋與車身之間起到了承載載荷的作用。現今承載量較大的載貨汽車、軌道機車、大客車以及拖拉機上還有采用的。由汽車理論可知，為保持車身固有頻率不變，鋼板彈簧的特性應該按指數函數變化，這在定剛度彈簧中難以實現，因此，當汽車載貨后懸架承重變化較大時，為了保持懸架的頻率不變或變化較小，因此發明出一種主副簧復合式鋼板彈簧，如公開號為GB230000A的主副簧復合式鋼板彈簧在1924年7月30日被申請。而為了改善主、副簧復合式鋼板彈簧體積相對較大、布置較為復雜及重量較重的缺點，發明出了漸變剛度鋼板彈簧，其特性曲線變為非線性，如公開號為FR752305A的漸變剛度式鋼板彈簧在1933年3月13日被申請。由于主副簧復合式鋼板彈簧與漸變剛度式鋼板彈簧的主要特點是變剛度，因此，對于剛度可調方向進行了研究，典型的如1952年10月9日申請的公開號為FR1064232A的專利，其通過調節主副簧之間的距離對鋼板彈簧的剛度進行調節，依維柯汽車公司在2004年12月9日申請了一種通過制動器來調節剛度的鋼板彈簧結構。隨著汽車行業的發展以及對鋼板彈簧的研究加深，為了消除多片鋼板彈簧的簧片間摩擦大的缺陷，在載重量較小的汽車上，出現了少片變截面鋼板彈簧。其與多片簧相比少片變截面鋼板彈簧生產成本較低，一般可節省30%～50%鋼材，且可以節約油耗。少片變截面鋼板彈簧的各片長度基本相同，但其厚度沿長度方向按照一定規律變化，片中應力基本均勻，與等強度梁相似。基于上述的幾種鋼板彈簧的形式，少片漸變剛度式鋼板彈簧也被研發出來，典型的如1967年9月8日福特汽車申請的專利US3491994A為一種具有主副簧的，少片漸變剛度式鋼板彈簧。1980年前后申請人對其截面形狀及簧片形狀的變化進行了一些研究，知名公司如通用汽車于1977年10月18日申請了一種S型簧片的鋼板彈簧。隨著少片變截面式鋼板彈簧的進一步發展，現代汽車于1996年12月27日申請了一種中間凸起形狀的鋼板彈簧。中國公司自80年代起對鋼板彈簧也進行了大量的研究，關于簧片截面和形狀特征的典型專利如2009年7月15日青島帥潮實業有限公司提出了一種反弧形的鋼板彈簧。

本文從汽車鋼板彈簧技術發展脈絡出發，介紹了該領域各技術的相互關系，梳理了不同汽車鋼板彈簧的發展情況，并對相關推進技術和重點申請人進行了分析，對該領域下的基本發展勢態有了一個更全面的認識。

作者:仵凡 袁媛 單位:國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心