弹性元件应用

弹性元件能够完成变换隔离密封补偿储能和连接等各种不同的功能由于它结构简单制造容易价格低廉种类繁多故应用极为广泛机器电气元件许多仪器仪表和生活用具都要应用弹性元件巧妙地完成其重要的功能在一些仪器仪表中它是主要的基础元件之一特别是以它作为敏感元件时其质量直接影响仪器仪表的可靠性和工作精度各种弹性元件利用各自的结构特点不同的制造材料和变形来完成不同的功能

汽车悬架系统中采用的弹性元件主要有钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧、气体弹簧和橡胶弹簧等。

钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，它是由若干片等宽但不等长(厚度可以相等，也可以不相等)的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁，其一般构造如图1所示。

钢板弹簧3的第一片(最长的一片)称为主片，其两端弯成卷耳1，内装青铜或塑料、橡胶、粉末冶金制成的衬套，以便用弹簧销与固定在车架上的支架或吊耳作铰链连接。钢板弹簧的中部一般用U形螺栓固定在车桥上。

中心螺栓4用以连接各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。中心螺栓距两端卷耳中心的距离可以相等(称为对称式钢板弹簧，如图1所示)，也可以不相等(称为非对称式钢板弹簧)。

当钢板弹簧安装在汽车悬架中，所承受的垂直载荷为正向时，各个力的方向和作用点如图1)中箭头所示。各弹簧片都受力变形，有向上拱弯的趋势。这时，车桥和车架便互相靠近。当车桥与车架互相远离时，钢板弹簧所受的正向垂直载荷和变形便逐渐减小，有时甚至会反向。

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称为包耳。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，如橡胶支承垫。

连接各片的构件，除中心螺栓以外，还有若干个弹簧夹2(亦称回弹夹)，其主要作用是当钢板弹簧反向变形(即反跳)时，使各片不致互相分开，以免主片单独承载，此外，还可防止各片横向错动。弹簧夹用铆钉铆接在与之相连的最下面弹簧片的端部。弹簧夹的两边用螺栓5连接，在螺栓上有套管 , 顶住弹簧夹的两边，以免将弹簧片夹得过紧。在螺栓套管与弹簧片之间有一定间隙(不小于 (1.5mm)。以保证弹簧变形时，各片可以相互滑移。钢板弹簧在载荷作用下变形时，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。但各片间的干摩擦，将使车轮所受的冲击在很大的程度上传给车架，即降低了悬架缓和冲击的能力，并使弹簧各片加速磨损，这是不利的。为减少弹簧片的磨损，在装合钢板弹簧时，各片间须涂上较稠的润滑剂(石墨润滑脂)，并应定期进行保养。为了在使用期间内长期储存润滑脂和防止污染，有时将钢板弹簧装在护套内。

前已述及，钢板弹簧本身还能兼起导向机构的作用，并且由于弹簧各片之间的摩擦而起到一定的减振作用。为了保证在弹簧片间产生定值摩擦力以及消除噪声，可在弹簧片之间夹人塑料垫片。如某些高级轿车后悬架的弹性元件采用钢板弹簧时，常采用此种结构。

许多国家的汽车上采用了一种由单片或2-3片 变厚度断面的弹簧片构成的少片变截面钢板弹簧，其弹簧片的断面尺寸沿长度方向是变化的，片宽保持不变。这种少片变截面钢板弹簧克服了多片钢板弹簧质量大，性能差(由于片间摩擦的存在，影响了汽车的行驶平顺性)的缺点。据统计，在两种弹簧寿命相等的情况下，少片变截面钢板弹簧可减少质量。

螺旋弹簧广泛地应用于独立悬架，特别是前轮独立悬架中。然而在有些轿车的后轮非独立悬架中，其弹性元件也采用螺旋弹簧(图2)。螺旋弹簧与钢板弹簧比较，具有以下优点:无需润滑，不忌泥污;安置它所需的纵向空间不大;弹簧本身质量小。

螺旋弹簧本身没有减振作用，因此在螺旋弹簧悬架中必须另装减振器。此外，螺旋弹簧只能承受垂直载荷，故必须装设导向机构以传递垂直力以外的各种力和力矩。

螺旋弹簧用弹簧钢棒料卷制而成，可做成等螺距或变螺距。前者刚度不变，后者刚度是可变的。

扭杆弹簧本身是一根由弹簧钢制成的杆 (图3)。扭杆断面通常为圆形，少数为矩形或管形。其两端形状可以做成花键、方形、六角形或带平面的圆柱形等等，以便一端固定在车架上，另一端固定在悬架的摆臂2上。摆臂则与车轮相连。当车轮跳动时，摆臂便绕着扭杆轴线而摆动，使扭杆产生扭转弹性变形，借以保证车轮与车架的弹性联系。有的扭杆由一些矩形断面的薄条(扭片)组合而成，这样，弹簧更为柔软。

扭杆弹簧系用铬钒合金弹簧钢制成，其表面经过加工后很光滑。使用中必须对扭杆表面很好保护，通常在扭杆弹簧表面上涂有环氧树脂，包一层玻璃纤维布，再涂一层环氧树脂，最后涂以沥青和防锈油漆，以防碰撞、刮伤和腐蚀，从而可提高扭杆弹簧的使用寿命。

扭杆弹簧在制造时，经热处理后预先施加一定的扭转力矩载荷，使之产生一个永久的扭转变形，从而使其具有一定的预应力。左、右扭杆的预加扭转的方向都与扭杆安装在车上后承受工作载荷时扭转的方向相同。其目的是减小工作时的实际应力，以延长扭杆弹簧的使用寿命。如果左、右扭杆换位安装，则将使扭杆弹簧的预先扭转方向与工作时扭转方向相反，导致扭杆弹簧的实际工作应力加大，而使用寿命缩短，因此左、右扭杆弹簧不能互换。为此，左、右扭杆刻有不同的标记。

扭杆弹簧本身的扭转刚度虽然是常数，但采用扭杆弹簧的悬架由于有导向机构的缘故，其悬架刚度却是可变的。

气体弹簧

气体弹簧有空气弹簧和油气弹簧两种。

空气弹簧又有囊式和膜式之别。

①囊式空气弹簧。由橡胶气囊、上盖板、下盖板，以及腰环等组成。橡胶气囊用夹有帘线的橡胶制成，气囊上、下端装有盖板与气囊一同构成。气囊可以做成单曲、双曲和多曲气囊，在节与节之间装有腰环，腰环用来防止对气囊充气时，因压力升高，气囊产生径向膨胀变形。橡胶气囊充气后利用气体可压缩的特点，实现弹簧作用。当作用在弹簧上的载荷增加时，气囊内的气体受压，气压升高，则弹簧刚度增加。当载荷减小时，气囊内的气体减压，刚度减小。因此空气弹簧的刚度是可变的。

②膜式空气弹簧。由橡胶膜片、盖板、底座等组成。膜式空气弹簧工作原理与囊式空气弹簧的相同，只是膜式空气弹簧的刚度较囊式空气弹簧的小，尺寸小，在车上容易安装，但制造困难，寿命短。

空气弹簧质量小，寿命长，一旦漏气弹簧失效，与钢板弹簧比较占用汽车横向方向尺寸多，因此布置困难。空气弹簧只能承受垂直载荷作用，因此选用空气弹簧作为弹性元件，悬架还必须装减振器、导向机构等，如图4所示。

油气弹簧由气体、油气隔膜、油液、工作缸、活塞等组成。分为油气分隔式和油气不分隔式两种，如图5所示。

单气室油气分隔式油气弹簧的球形气室固定在工作缸上。油气隔膜位于球形气室和工作缸中间，用来防止油液乳化。在球形气室内充入高压氮气，构成气体弹簧，起弹性元件作用。在工作缸内充有油液，如在工作缸内安装有节流阀，它所提供的阻尼力又使油气弹簧兼有减振作用。球形气室和活塞杆的端部分别固定在车架和车桥上。

油气弹簧的工作原理是当载荷增加时车架与车桥间的距离缩短，即活塞向上移动并推油液压迫油气隔膜向高压氮气室移动，于是气室容积减小，氮气压力升高，弹簧刚度增大，随之车架下降速度减慢。当外界载荷与氮气压力平衡时，活塞停止上移，车架与车桥的相对位置不变。当载荷减少时在高压氮气压力作用下，油气隔膜向下移动并推油液活塞下移，使气室容积增加，氮气压力降低，弹簧刚度减小，同时车架与车桥间拉开距离的速度也减小，直至外界载荷与氮气压力平衡时，车架与车桥间的距离停止变化。

油气弹簧的特点是具有变刚度特性，兼起减振器作用，用于载质量大些的商用货车上时体积与质量比钢板弹簧小。但一旦漏气或漏油将失去作用，所以对密封要求高。油气弹簧只能承受垂直载荷，故选用油气弹簧作弹性元件的悬架还必须装置导向机构。油气弹簧主要应用于载质量大些的商用货车和自卸车上。

由橡胶制成。为增加弹簧行程，常将它做成中空状。橡胶弹簧具有隔音、工作无噪声、不要润滑和变刚度等优点。但有易老化、怕油污和行程小，以及只能承受压缩和扭转载荷等缺点。橡胶弹簧主要用于做副簧和缓冲块。

弹性元件在工作中具有两种基本效应 弹性效应和非弹性效应，所谓弹性效应是指弹性元件的变形仅仅是由于受载荷的影响所表现出来的性质，其具体参数为体现载荷和变形的刚度和灵敏度。而非弹性效应是指弹性元件的变形受其他因素，如时间、温度、材料性质等的影响所表现出来的性质，如弹性滞后、弹性后效和松弛等、温度变化能使弹性元件的弹性模量和几何尺寸产生变化。

波纹管弹性元件广泛应用于仪表及电动仪表中作为敏感元件、机械设备中作密封元件、也可作为两种介质的隔离装置、在管路中作为温度补偿器、也可用于气动附件及电子工业、真空开关等方面。