新一代弹簧采用应力均匀化的设计，显著提高了材料的利用率，可以实现在不增加最大应力并提高弹簧稳健性的前提下，减重超过10%。

第一个螺旋式压缩弹簧在400多年前已经被应用于马车车身的车轮悬架中。由于车轮悬架支柱的发明，螺旋弹簧成为了乘用车垂直动力学最好的弹簧设计。螺旋弹簧取代了悬架功能，并且由于其在重量及安装空间上的优势，几乎完全代替了板簧。

未来汽车制造者将从减少CO2排放、减轻车重、减少非悬架部件以及提高弹簧稳健性（尤其耐腐蚀稳健性）等方面提出越来越高的要求。这就意味着，通过设计优化而带来的材料的最佳利用将起到决定性的作用。

侧载弹簧和新一代弹簧

车辆车轴的概念及设计已经决定了悬架弹簧的形状。另外，载荷施加的模式和外包也是非常重要的因素。一般来讲，有两种施加载荷的模式。第一种是悬架弹簧套在减振器外，弹簧和减振器组成一个单一的装置，弹簧两端一致运动。第二种模式是把弹簧一端安装在悬架臂上，另一端做空间曲线运动，这样弹簧上就产生了非均匀的应力分布，从而导致弹簧体的扭曲。

麦弗逊支柱是第一种载荷模式中比较独特的一种。由于麦弗逊悬架的车轴设计，悬架系统会产生有害的力矩，使减振器杆上产生侧向载荷，从而导致减振器杆轴承的摩擦。这个摩擦不仅会使减振器活塞和密封圈出现磨损及撕裂，而且会降低驾驶的舒适性。特别是在减振器行程比较短时，粘滑作用非常明显。直到20世纪80年代末期，这个问题才得以解决。其具体办法是在麦弗逊支柱上加上倾斜硕大的圆柱形螺旋弹簧，从而补偿这个有害力矩。然而，由于悬架部件的外包空间越来越小，这种硕大并需倾斜的悬架弹簧方案很快就过时了。

基于上面的原因，慕贝尔公司开始研发侧载弹簧（SL弹簧）。 这些侧载弹簧由于智能的几何尺寸能够抵消有害力矩。侧载弹簧在不受载荷时，中心线是S形的，这样在受到载荷时，带倾角的载荷矢量可以完全补偿麦弗逊支柱的有害力矩。而且，这些弹簧的载荷矢量可以在不改变弹簧底座设计的前提下，通过调整弹簧的尺寸来进行调节。另外，由于侧载弹簧通常设计为两端猪尾式弹簧，弹簧底座可以做到最小。

上面介绍的侧载弹簧技术引发了弹簧设计的多种模式和相应的调整，迄今为止世界上70%以上的麦弗逊支柱已经采用了侧载弹簧。

当设计一款弹簧时，最大允许应力τmax是在衡量弹簧重量时最重要的一个因素。假设一个圆柱形悬架弹簧不受任何侧向力，而是均匀的压缩变形，其重量不能低于一个设定的最小值mmin，这个最小值取决于弹簧的最大可承受应力。通常有两种方法来降低弹簧重量：优化弹簧形状来降低弹簧钢丝的负载应力，提高最大允许应力τmax。业界普遍采用的方法是提高悬架弹簧的应力水平，通过材料和工艺优化等措施减轻弹簧重量，并同时保持弹簧的稳健性。

实际上，弹簧的负载应力是沿着线圈非均匀分布的。因此，通过有限元分析的方法来计算弹簧应力就非常有必要。近年来，由于计算方法和生产工艺的巨大改进，完全可以通过应力均匀化来提高材料利用率，并实现弹簧形状的优化。

悬架弹簧非平行的压缩变形导致弹簧应力分布不均匀。即使是套在减振器外的侧载弹簧，压缩变形也是不平行的。载荷矢量相对减振器轴倾斜一个角度，导致悬架弹簧钢丝不同位置与载荷矢量不等距。车轮端要比车身端离载荷矢量的距离小得多（见图1a），悬架弹簧钢丝离载荷矢量的距离也代表了沿钢丝中心线力矩的力臂。因此，弹簧受载时产生非均匀弹性变形和非均匀的应力分布（见图1b）。这就导致了近车轮弹簧位置局部应力最小以及近车身弹簧位置局部应力最大的情况。然而，考虑到最大允许应力τmax作为一个限制因素，使得材料不能被最大限度地利用，从而导致弹簧重量太大。

因此，我们可以通过应力分布均匀化来实现显著的减重和最佳的材料利用率。现代有限元方法和制造工艺提供了一个这样的契机。最新的有限元软件可以进行悬架弹簧的形状优化，并考虑外包、载荷矢量、刚度及最大应力等各种限制条件。弹簧形状还可以自动转化成所需要的CAD格式。通过软件的自动预处理和后处理，以及定义弹簧形状的参数设置，可以系统地调整弹簧参数，最终得到FEA输出。通过这个强大的软件，完全可以实现一个新一代弹簧的均匀负载应力分布（见图2a）和钢丝与载荷矢量的等距（见图2b）。通过优化悬架弹簧的几何尺寸，既可以保持已定义的弹簧特性，又能够实现整个弹簧的负载应力均匀分布。最终，我们可以计算出最小可能的弹簧重量mmin。新一代弹簧不仅仍然能够提供传统侧载弹簧在较小外包空间里的侧载补偿的所有优点，而且由于最佳的材料利用可以实现巨大的减重效果。同样的设计方法也可以应用于其他各种螺旋弹簧。

结语

近年来，冷成形工艺由于可以高度灵活地生产各种复杂形状的弹簧而赢得了广大市场。在最新研发的生产工艺中，结合软件程序，我们可以把FEA设计植入到成形工艺中，并能在生产制造过程中预判弹簧的弹性及塑性变形。慕贝尔已经成功开发了一套卷簧成形系统，可以非常高效地生产最复杂的悬架弹簧，并满足极端的尺寸要求。