空气弹簧的发展

1、空气弹簧的发展ECJTU 段晋伟 一、空气弹簧的简介1定义：在可伸缩的密闭容器中充以压缩空气，利用空气弹性作用的弹簧。俗称气囊、气囊式气缸、皮囊气缸等。它具有如下特点：空气弹簧具有非线性特性，可将其特性曲线设计成理想形状；空气弹簧质量轻，内摩小，对高频振动有很好的隔振消声能力；空气弹簧的刚度和承载能力可以通过调节橡胶气囊的内压力来调整；空气弹簧的制造工艺复杂，费用高。2结构：曲囊式结构，其曲囊数通常为 13 曲囊，但根据需要也可以设计制造成袖式、膜式、束带型空气弹簧，还可以在一定条件下将两个囊式空气弹簧叠加使用。 （注：五种结构对应按联接方式分类中的图）3分类：(1)根据联接方式：a.一类为固

2、定式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸和曲囊最大外径相等或略小一些，钻若干个孔后用法兰环和端板紧固联接；b.另一类为活套式法兰联接型，空气弹簧的两端边缘尺寸比曲囊最大外径小得多，无须钻孔，用一个特制的法兰环和一个普通端板紧固联接；c.第三类为自密封型，不用法兰联接，压入端板，充入压缩空气则自行密封。(2)按工作时的变形方式：分为囊式、膜式和混合式三种。如图 1、2、3 所示。a.囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形。囊式空气弹簧根据橡胶气囊曲数的不同分为单曲、双曲和多曲囊式空气弹簧。b.膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形。膜式空气弹簧的结构是在盖板和底座之间放置一圆柱形橡

3、胶气囊，通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常工作范围内，弹簧刚度变化要比囊式小，同时也可通过改变底座形状的方法，控制其有效面积变化率，以获得比较理想的弹性特性。膜式空气弹簧有效面积的变化率也比囊式弹簧小，因此，膜式空气弹簧在辅助气室较小的情况下，也可得到较低的自振频率。c.混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。图表1 囊式空气弹簧图表2 膜式空气弹簧图表3 混合式空气弹簧(3)根据橡胶气囊止口与接口的连接方式：分为约束模式和自由模式空气弹簧。a.约束模式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；b.自由模式空气弹簧采用气囊内的压力自封。底座多为深拉钢板成型或轻质铸钢，并且表面镀铬处理，减小

4、气囊与底座之间的摩擦。4图片展示： 5应用简介：空气弹簧广泛应用于商业汽车、巴士、轨道车辆、机器设备及建筑物基座的自调节式空气悬挂。气弹簧又被称为支撑杆、调角器、气压棒、阻尼器等。根据气弹簧的结构和功能来分类，气弹簧有自由式气弹簧、自锁式气弹簧、牵引式气弹簧、随意停气弹簧、转椅气弹簧、气压棒、阻尼器等几种。该产品在汽车、航空、医疗器械、家具、机械制造等领域都有着广泛地应用。二、空气弹簧的安装：弹簧的内部注入的是惰性气体,通过活塞产生弹性功能的产品,该产品工作是无须外界动力,举力稳定,可以自由伸缩,(可锁定气弹簧可以任意定位)用途广泛,但是安装时要注意以下要点:a.气弹簧活塞杆必须向下位置安装，

5、不得倒装,这样可以减低摩擦和确保最好的阻尼质量及缓冲性能。b.决定支点安装位置是气弹簧能否正确进行工作的保证，气弹簧必须用正确方法安装，即当关闭时，让其移过结构中心线，否则，气弹簧会经常自动将门推开。c.气弹簧在工作中不应受到倾斜力或横向力的作用。不得作扶手用。d.为确保密封的可靠性，不得破坏活塞杆表面，严禁将油漆和化学物质等涂在活塞杆上。也不允许将气弹簧先安装在所需位置后喷、涂漆。e.气弹簧为高压制品，严禁随意剖析、火烤、砸碰。f.气弹簧活塞杆严禁向左旋转。如需要调整接头方向，只能向右转动。g.使用环境温度：35+70。（特定制造80）h.安装联接点，应转动灵活，不能有卡阻现象。i.选择尺寸

6、要合理，力的大小要合适，活塞杆行程尺寸要留有8毫米余量。三、空气弹簧的工作原理：气弹簧（gasspring)是一种可以起支撑、缓冲、制动、高度调节及角度调节等功能的工业配件。它由以下几部分构成：压力缸、活塞杆、活塞、密封导向套、填充物（惰性气体或者油气混合物），缸内控制元件与缸外控制元件（指可控气弹簧）和接头等。工作原理是在密闭的压力缸内充入惰性气体或者油气混合物，使腔体内的压力高于大气压的几倍或者几十倍，利用活塞杆的横截面积小于活塞的横截面积从而产生的压力差来实现活塞杆的运动。由于原理上的根本不同，气弹簧比普通弹簧有着很显著的优点：速度相对缓慢、动态力变化不大（一般在1：1.2以内）、容易控

7、制；缺点是相对体积没有螺旋弹簧小，成本高、寿命相对短。橡胶空气弹簧工作时，内腔充入压缩空气（工作压力0.7MPa），形成一个压缩空气气柱。随着振动载荷量的增加，弹簧的高度降低，内腔容积减小，弹簧的刚度增加，内腔空气柱的有效承载面积加大，此时弹簧的承载能力增加。当振动载荷量减小时，弹簧的高度升高，内腔容积增大，弹簧的刚度减小，内腔空气柱的有效承载面积减小，此时弹簧的承载能力减小。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、内腔容积、承载能力随着振动载荷的递增与减小发生了平稳的柔性传递。图表4 工作原理图如图表4所示。平面AA与橡胶空气弹簧胶囊表面相切，且垂直于胶囊轴线（a）。因为胶囊是柔性的橡

8、胶薄膜，根据薄膜理论的基本假设，胶囊不能传递弯矩和横向力，因此在胶囊切点处只传递AA平面中的力。根据力的平衡条件： F =(P-Pa) A=(P-Pa)R2F橡胶空气弹簧承受的载荷，N；P橡胶空气弹簧的内压，N/cm2Pa大气压，通常取为10N/cm2A橡胶空气弹簧的有效面积，又称承载面积，cm2R橡胶空气弹簧的有效半径，cm；如采用一个以上的橡胶空气弹簧： F=i(P-Pa) A=i(P-Pa)R2i橡胶空气弹簧的个数。四、空气弹簧的应用及发展：1空气弹簧在汽车上的应用 1947 年，美国首先在普尔曼车上使用空气弹簧，到 1964 年，德国生产的 55 种大中型公共汽车，有 38 种使用了空

9、气弹簧。目前，空气弹簧在国外高速客车和豪华城市客车上的使用率已达到 100%，在中、重型货车以及挂车上也超过80%，如美国的 Ford，德国的 Man 等。有 些高级轿车上也选装了空气弹簧，如 美国的林肯，德 国的奔驰 600 等。在一些特种车辆如对防振要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节的集装箱运输车上，空气弹簧的应用更为广泛。近年来空气弹簧在商用汽车上使用发展较快，常用的空气弹簧有如图 5、6、7、8所示四种。图表5 筒状空气弹簧图表6 变载而活塞型筒状空气弹簧图表7 直筒式活塞边缘压紧式筒状空气弹簧图表8 双环型空气弹簧我国在于20 世纪50 年代就对空气弹簧进行了研究。1957 年，

10、长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作制造出了我国第一辆装有空气弹簧的的载重汽车，相继又设计制造了公共汽车用空气弹簧。近年来，随着汽车技术的发展及国外空气悬架的引进，小部分国产高级旅游车开始采用进口空气弹簧，如 沈阳飞机制造厂、北 方汽车制造厂、厦门金龙联合汽车公司、亚星客车集团公司、丹东汽车制造厂等生产的客车。 近年来，随着空气弹簧应用的推广，对空气弹簧的研究和开发越来越得到重视。四方所研制了豪华客车用 SYS330 型空气弹簧。该空气弹簧为自由膜式空气弹簧，由上盖板、胶囊、应急橡胶挡和底座（兼作附加气室），采用压力自密封方式密封。贵州前进橡胶股份有限公司对南斯拉夫桑诺斯，德国沃尔沃、凯斯

11、抱尔等客车的橡胶空气弹簧进行了研究。交通部重庆公路科研所研制D52603260膜式空气弹簧在实际使用中性能良好，使用寿命达 10 万公里以上，已在进口和国产车上大量装用。河南尉氏县橡胶厂研制的空气弹簧用于匈牙利的依卡露斯256 型大型豪华客车上，运 行10 万公里无质量问题。株洲时代新材研制了 EQ6111 汽车空气弹簧(图8)，已通过了 1 万公里装车运行试验， 还开发了用于厦门金龙客车的29S35000汽车空簧，并通过了 500 万次疲劳试验。图表9 EQ6111 汽车空气弹簧2空气弹簧在轨道交通上的应用 空气弹簧广泛应用于快速列车、地铁、轻轨和磁悬浮列车等轨道车辆上。 a.在快速列车上的

12、应用20 世纪70 年代初,法国试验型高速列车TGV001的Y225 型转向架上,二系悬挂采用了日本住友生产的约束膜式空气弹簧。80年代初在 TGVPSE上采用了康迪泰克公司生产的高柔性684N4.10B 空气弹簧，保证了TGV 于 1990 年在创造世界纪录的 515km/h速度时仍具有优良的运行平稳性。由于这种大曲囊式空气弹簧(图9)在TGVPSE上的成功应用，TGV 的所有其他系列如 TGVA、TGV2N、E UROSTAR（ 欧洲之星）、T HALYS（欧洲国际联运用）、西 班牙AVE、韩 国TGV等都采用了该空气弹簧。图表10 TGCPSE上的空气弹簧悬挂装置德国试验型高速列车 IC

13、E 使用了康迪泰克生产的高柔性7050N.10 型空气弹簧(图 10)，曾于 1987 年创下了当时的世界纪录 406km/h 。瑞典X2000 型摆式列车上，其拖车转向架二系悬挂由空气弹簧、上下摇枕和橡胶堆组成。空气弹簧置于车体与上摇枕之间。其动车转向架二系悬挂为无摇枕结构，空气弹簧直接座落在构架上。日本300 系、400 系、500 系、500 系、700 系客车均采用了空气弹簧。300系客车转向架上采用大横向变位、小横向刚度自由膜式空气弹簧。图表11 用于 ICE 的康迪泰克空气弹簧系统空气弹簧标准工作高度为201mm，工作压力为 0.37Mpa，有效直径为500mm，最大横向变位可达1

14、00 mm。400 系客车采用无摇枕转向架形式，也采用自由膜式空气弹簧作二系悬挂。空气弹簧标准工作高度为 190 mm，工作压力为 0.46Mpa，气囊小半径为60 mm，装有板式可变节流阀，最大横向变位可达 100 mm。500系列试验车空气弹簧采用自由膜式结构，两空气弹簧间距 2600 mm，有效直径为 500mm，空气弹簧标准工作高度为200 mm，工作压力为0.39 Mpa，附 加气室容积70L。700系主要采用了非线性空气弹簧，使空气弹簧在直线行车时较软，在曲线行车时较硬，从整体上改善了乘坐舒适性。 早在 1958 年我国试制的双层客车的转向架上就开始使用空气弹簧,这期间所应用的空气

15、弹簧基本上都是囊式空气弹簧。在 60年代研制的 KZ2 型客车转向架上也采用了空气弹簧悬挂，采用的是约束膜式空气弹簧。经过不断的研制和运用，近年来新型空气弹簧越来越多地应用于我国准高速、高速列车转向架上。在我国的准高速车辆CW2型转向架上采用的空气弹簧安装在摇枕与托架之间，其横向间距为 1956 mm，利用摇枕内腔作为附加气室，空气弹簧与附加气室之间设可调节流阀。具有代表性的是 SYS600A 型空气弹簧(图 11)。图表12 SYS600 型空气弹簧209HS 转向架的二系悬挂采用膜式空气弹簧，其摇枕兼作附加气室用。206KP型转向架采用无摇枕动台结构，并采取了橡胶堆弹性支承空气弹簧系统，也

16、设置了可变节流孔。具有代表性的是 SYS550C 型空气弹簧(图 12)。此外，SW200型和SW160型转向架采用SYS550D 型和SYS600A 型空气弹簧，其结构特点与 SYS550C 和 SYS600A型基本相同。在此基础上，我国郑武线200km/h 以上线正在试验中，浦厂研制的PW200型转向架上采用了新研制的大柔度的空气弹簧及纵向牵引拉杆，提高了车辆的平稳性。图表13 SYS550 型空气弹簧b.在地铁上的应用上海地铁无摇枕转向架采用了高柔性自由膜式空气弹簧(图 13)，其密封方式为螺钉密封和压力自封相结合的方式。该空气弹簧具有如下特点：横向刚度小并能适应大的横向变形；曲线通过时

17、，空气弹簧本身具有良好的横向复原力特性；具有良好的扭转特性和扭转耐久性。图表14 上海地铁用空气弹簧1.上盖板；2.扣环；3.胶囊；4.锥形橡胶堆c.在轻轨列车上的应用城市轻轨电车行驶于城市地面、地下或高架线路上，要求其噪声低、减振性能好，并且有适应车辆载重变化较大的能力，为此，空气弹簧获得了广泛应用。四方厂研制了用于有轨电车的 SYS450 型空气弹簧(图14)。该空气弹簧采用全压力空气自封密封方式，简化了空簧结构；使用橡胶堆支承，改善了车辆的横向振动性能；采用可调阻尼节流阀，使车辆在各种线路状态和运行速度下均具有良好的振动性能。图表15 轻轨列车用 SYS450 型空气弹簧1.上盖；2.下

18、座；3.橡胶堆；4.橡胶囊；5.橡胶垫；6.可调阻尼节流阀d.在磁悬浮列上的应用磁悬浮列车是一种新型的非地面接触式交通方式，具有超高速、低噪音、节能等优点，越来越受到重视，当然，空气弹簧的应用是非常关键的技术。20 世纪 80 年代，日本、德国等国家的磁悬浮列车技术已达到实用水平。而在国，该技术起步于 80 年代，90 年代进行了具有实用价值的试验型磁悬浮列车的研制。四方所研制了 SYS130A 型、SYS130B 型磁悬浮列车转向架用膜式与囊式 2 种空气弹簧(图 15)。该空气弹簧中央悬挂的采用改善了磁浮列车的乘坐舒适性，为推动我国磁浮列车的实际应用研究起到了积极作用。我国八达岭旅游示范线

19、磁悬浮列车选用了美国 NEWAY 公司生产的空气弹簧。该产品使用液体减振器，无附加气室，减少了体积和重量。空气弹簧的应用改善了车辆的二系悬挂品质，提高了舒适性和平稳性。图表16 磁浮列车用空气弹簧(a) SYSl30A型 (b) SYSl30B型。1.上盖；2.橡胶囊；3.上压板；4.橡胶支承块；5.下压板；6.下座钢筒；7.橡胶堆3空气弹簧在工业机械上的应用空气弹簧在工业机械上广泛应用于设备隔振，如在压力机、空气压缩机、离心机、振动运输机、控 制锤、铸 造机械和纺织机械、光学和激光仪器、集成电路、超精密机床等精密机械设备和精密测试设备上，在国外都得到了应用。随着社会的发展，人们对生活的要求（

20、包括对降低振动和噪声的干扰）越来越高，因此空气弹簧隔振技术会越来越多，其前景十分广阔。在机械隔振中，空气弹簧一般采用约束膜式和自由膜式结构。空气弹簧可应用于各种机械装置中起缓冲吸振、控制运动或增压作用。与具有同样功能的气缸或其他弹性元件相比，空气弹簧结构简单、工作可靠，不需复杂的参数计算和结构设计，无密封泄漏问题，使用维护方便，且寿命较长。冲压加工中，如冲压汽车车盖、车门等，均需采用必要的缓冲装置。缓冲器在加工中要承受较大的、周期性的冲击负荷。其性能直接影响产品的加工精度。若采用空气弹簧作为缓冲器(图16)，可降低加工成本并保证加工精度。物料传送中，料箱由振动器驱动以使物料混合均匀，或使物料流

21、动以进入料箱中。振动会引起料箱支承部件疲劳乃至破坏，因此必须采用隔振装置。若使用空气弹簧(图 17)则可提供较大的灵活性，调节弹簧的充气量就可适应不同的工作负荷和高度要求，而不会影响隔振效果。图表17 空气弹簧缓冲器图表18 空气弹簧隔振器在造纸、纺织等行业中，纸张或布匹在卷绕过程中需要以较高的速度绕过很多传送辊，因此传送过程中需要恒定的张紧力，以免纸张或布匹松驰、扭曲或破裂。在这种情况下应用空心卷辊空气弹簧组合结构，可提供恒定的张力。而且具有较强的承受冲击负荷的能力，保护传送装置和传送件不受损坏。空气弹簧非常适用于高压力、小行程工况。在粘接工艺中，采用空气弹簧可提供均匀的压力，保证粘接质量。

22、张文华等分析了空气弹簧在钻井液振动筛上的使用性能，现场使用表明，空气弹簧比钢制压缩弹簧的缓冲效果好，使用寿命长，可提高设备效率和延长设备使用寿命。韩宝玲等将空气弹簧应用于自动旋盖封瓶机旋盖皮带调节装置中，改善并提高了封瓶机在高速封瓶时的稳定性，改善了封瓶质量。蒋华良等将空气弹簧应用于大型洗衣机上的隔振，提高了减振效果，降低了运行噪声。薛晓红等研制了一种结构简单且实用性好的空气弹簧，应用于振动试验设备中，取得了很好的隔振效果，如图18 所示。图表19 空气弹簧在电动台减振的应用空气弹簧的性能优于一般隔振器，自问世以来，在防微振领域的应用等到很快发展，在发达国家已普遍采用，并有系列化产品供应。我国

23、发展空气弹簧隔振技术起步早但发展慢，到八十年代初期，还没有用于防微振的技术成熟的空气弹簧隔振装置。1982 年起，中国电子工程设计院与辽宁减振器厂合作研制防微隔振用空气弹簧隔振装置。到1995 年，已 开发出 JYKT 系列 8 个型号的产品，承载能力为 6200kN，广泛用于冶金、机械、电子、光学、航天等领域的精密设备、仪器仪表隔振，取得良好效果。同时，哈尔滨工业大学研制的超精密加工机床空气弹簧(图 19)隔振系统也取得了较好的隔振效果。青岛橡胶工业研究所研制成功的 113空气弹簧广泛应用于精密仪器的隔震领域。图表20 超精密机床用空气弹簧结构1.橡胶囊；2.衬垫；3.主气室；4.辅助气室；

24、5.阻尼孔4空气弹簧的发展趋势a.我国轨道车辆用空气弹簧的发展 通过多年的努力和摸索，我国轨道车辆用空气弹簧的设计开发水平取得了巨大的突破，结构设计日趋先进合理，种类也日益丰富，已广泛应用于铁路客车、地铁、轻轨和动车组上。今后，随着我国轨道车辆交通的不断发展。空气弹簧的研究和开发应注意以下几个方面的问题：(1)继续深入研究和开发适用于无摇枕客车转向架的空气弹簧，尤其是加强300 kmh 及以上高速客车和高档次城轨车辆用空气弹簧的研究和开发；(2)提高空气弹簧的设计和理论计算水平，通过引进国际上流行的先进设计手段，利用现代非线性有限元理论提高分析计算的精度；(3)加强对建立空气弹簧精确动力学计算

25、模型的深入研究，真实反映空气弹簧悬挂在车辆动力学计算中的作用，提高我国车辆动力学计算水平，充分发挥动力学计算在车辆设计中的指导作用；(4)进行空气弹簧主动控制系统的可行性研究，即由现有的高度阎机械控制系统向车载微机控制系统转变，提高控制的可靠性；(5)加强进口高档次轨道车辆用空气弹簧国产化研究，使之达到欧洲同类产品的标准要求，为整车国产化和国产车辆的制造提供可靠的产品保证；(6)提高空气弹簧的制造水平，降低制造成本，增强国产空气弹簧的市场竞争力。 b.汽车用空气弹簧的发展趋势 随着我国高速公路的迅速发展，运输量的增加，要求汽车具有更好的操纵稳定性、平顺性、安全性，空气弹簧必将得到广泛应用。另外

26、，随着对重型载货汽车对路面破坏机理的研究和认识进一步加深，以及政府对高速公路养护的重视，空气弹簧在重型车市场的应用也将进一步增加。同时，汽车控制系统的智能化程度越来越高，电控式空气弹簧将成为未来发展的必然趋势。五、空气弹簧生产工艺技术进展及当前发展趋势我国对空气弹簧的研究始于20世纪50年代。1957年，长春汽车研究所与化工部橡胶业研究所合作制造厂我国第一辆空气悬架的载重汽牟此后，又研制了公共汽车和火车列车等车辆的空气悬架。此间，我国共研制出了10余种空气弹簧气囊和3种高度控制我国对空气悬架的研究虽然起步较早，但并没有开发出实用的空气悬架系统，目前国内各种车辆采用的空气悬架基本依赖进口。为了提

27、高我同空气悬架的自主开发能力目前国内各大汽车厂、研究所和大专院校正在加大对空气悬架基础理论和设计方法的研究力度，并在各种车辆上尝试采用空气悬架。东风汽车研究所对混合式空气悬架进行了设计。中国重型汽车集团公司将浮动桥空气悬架安装在斯泰尔车上。交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架的导向机构进行了研究。北京理丁大学对日野RC420型客车空气弹簧进行了台架实验并分析了空气弹簧静、动特性和气室容积特性。交通部重庆公路科学研究所的丁良旭对空气悬架的性能进行了计算机模拟，拟合了空气弹簧的特性曲线。铁道部四方车辆研究所对SYS系列空气弹簧作了大量的研究给出了各种空气弹簧刚度的一般计算公式，并分析了各

28、设计参数对空气弹簧悬挂振动的影响。铁道科学研究院的原亮明等应用空气动力学和工程热力学理论，推导了空气弹簧垂向动态特性分析的数学模型。西南交通大学的李芾等运用热力学及流体力学理论，建立空气弹簧的物理模型，提出了空气弹簧的参数计算方法。南京农业大学工学院围绕带附加空气室空气弹簧的动态特性问题进行了大量的研究。采用试验的方法，研究了激励频率、节流孔开度对带附加空气室空气弹簧动态响应的影响，提出了将神经网络自适应控制策略用于空气弹簧悬架的控制，并研制了调节空气弹簧特性参数的电子控制单元。在空气弹簧的设计、制造和空气悬架特性问题等一些关键技术，我国仍没有很好的解决目前还没有整套空气悬架的生产厂家基本采用

29、从国外引进的空气悬架部件。空气弹簧悬架系统是一个非线性振动系统，存用论公式表达空气弹簧的刚度和阻尼时，作了很多假设，公式的准确和通用性还有待进一步提高。将现有的理论公式用于新型空气弹簧悬架系统设计时计算过程较为复杂，且精度难以得到保证，其工作特性数据主要通过实物实验获得。围内从事空气弹簧理论和实验研究工作还做得比较少，还不能为空气弹簧悬架系统的设计提供有力的理论依据和系统的可供参考的实验数据而存国内目前还没有见到带附加空气室空气弹簧节流孔连续调节装置对该装置的结构和性能都还在研究中。发展展望就空气弹簧的设计情况来看，虽然已经有了不少成果，但目前尚有不少技术问题需要解决。空气弹簧主要承受垂直方向

30、的载荷垂向刚度是它的一个重要力学参数，空气弹簧的刚度取决于橡胶囊本身的刚度、空气压力、附加空气室及橡胶囊的容积。而刚度计算比较复杂至今还没有一种比较精确的计算方法，更没有一个比较精确的公式可供参考。理论上，由于空气弹簧的胶囊由交叉的多层帘布线和内外橡胶层组成，具有各向异性的非线性特性同时由于空气弹簧在工作载荷下变形很大，应用小变形的线性理论分析已难以求解，而如要考虑空气弹簧金属裙板的影响则涉及更复杂的非线性接触问题从而使空气弹簧的刚度特性的理论分析具有较大的难度。由于橡胶囊自身形状的复杂性及其非线性，同时影响空气压力的不定因素较多。通过理论计算来确定空气弹簧的刚度较为复杂，且精度难以得到保证。

31、在研究空气弹簧的一般振动规律和阻尼特性时，研究发现采用固定节流孔的带附加空气室空气弹簧悬架系统会造成空气弹簧阻尼特性不足的缺点，因此有必要开发可变节流阀来取代原来的固定节流孔，使得空气弹簧振动特性符合车辆悬挂系统性能要求。空气悬架技术的发展，使车辆的乘坐舒适性和安全性都得到保证的条件下，使悬架系统适应在不同道路条件下行驶成为可能。在国外空气弹簧悬架系统已渐渐发展成为一种标准装备所以利用空气弹簧构成的变刚度半主动、主动悬架以其优良的性能越来越广泛地被应用到汽车上，具有很好的应用前景。从发展趋势看，在大中型旅游客车、长途客车、城市客车和无轨电车以及一些特种车辆上，空气弹簧将有可能代替钢板弹簧空气悬

32、架的市场需求量也将不断增长。因而，开发刚度及阻尼可调的电控式空气悬架系统将成为改进悬架减振性能的必然趋势。六、空气弹簧悬挂技术空气弹簧悬挂的采用可以显著提高车辆系统的运行平稳性，大大简化转向架的结构，使转向架实现轻量化和易于维护。一般来讲，轨道交通车辆对空气弹簧的采用可以分为三个阶段：B型城市轨道交通车辆动车无摇枕转向架 利用空气弹簧的垂向特性，提高车辆系统的垂向运行平稳性； 空气弹簧的垂向和横向特性并用，取消转向架二系悬挂装置中的摇动台，简化转向架结构； 充分利用大变位（包括扭转）、低横向刚度空气弹簧的三维特性，取消摇枕，彻底实现转向架二系悬挂装置的轻量化，同时使抗蛇行运动减振器的采用成为可

33、能，可更好地协调转向架蛇行运动稳定性和良好的曲线通过性能之间的矛盾。1、空气弹簧悬挂系统的构成 空气弹簧悬挂的整个系统如图所示，主要由空气弹簧本体、附加空气室、高度控制装置、差压阀和节流孔(阀)等组成。该系统的工作原理为：车辆静载荷增加时，空气弹簧1被压缩使空气弹簧工作高度降低，这样高度控制阀2随车体下降，由于高度调整连杆3的长度固定，此时高度调整杠杆4发生转动打开高度控制阀的进气机构，压力空气由列车风源5通过高度控制阀的进气机构进入空气弹簧1和附加空气室8，直到高度调整杠杆回到水平位置即空气弹簧恢复其原来的工作高度；车辆静载荷减小时，空气弹簧1伸长使空气弹簧的工作高度增大，高度控制阀2随车体

34、上升，同样由于高度调整连杆3的长度固定，高度调整杠杆4发生反向转动打开高度控制阀的排气机构，压力空气由空气弹簧1和附加空气室8通过高度控制阀的排气机构经排气口6排入大气，直到高度调整杠杆回到水平位置。空气弹簧悬挂系统1.空气弹簧 2.高度控制阀 3.高度调整连杆 4. 高度调整杠杆 5.列车风源 6.排气口 7.节流孔(阀) 8. 附加空气室 9.差压阀工作时，压缩空气由列车总风管进入空气弹簧的贮风缸，经过高度控制阀进入空气弹簧，当弹簧内气压充至一恒定的气压时，车体升高到预定的平衡位置(如下图所示)。在车辆运用中，车体静载荷增加时(如旅客上车)，空气弹簧被压缩，车体高度降低，高度控制阀控制向空

35、气弹簧充气，空气弹簧内气压升高，使车体恢复到原来平衡位置高度；车体静载荷减小时(如旅客下车)，空气弹簧被拉伸，车体高度升高，高度控制阀控制空气弹簧排气，空气弹簧内气压降低，车体恢复到原来的平衡位置。气弹簧系统工作原理图2、空气弹簧空气弹簧悬挂系统具有理想的反S形非线性刚度特性，在正常工作范围内刚度很低，而振幅较大时其刚度具有陡增的特点，可以限制车体发生过大的位移。空气弹簧还能够有效地吸收高频振动和隔离噪音，并且由于自动高度控制阀的采用使空气弹簧悬挂可以保持地板高度不随车辆静载荷的变化而发生变化（除一系悬挂和车轮磨耗外）即空气弹簧具有恒定的工作高度。评价空气弹簧性能的主要参数有：有效直径，约45

36、0640mm。垂直静/动刚度，垂直静刚度一般为0.30.4MN/m。水平静/动刚度，水平静刚度一般为0.150.2MN/m。最大允许的垂向位移，±30mm。最大允许的横向位移，±60120mm。工作高度，约200300mm。3、附加空气室 附加空气室的作用在于能够显著降低空气弹簧的垂向刚度，但当附加空气室的容积达到一定数值后（一般为6070L）刚度变化不再明显。对于有摇枕转向架一般是利用摇枕的内腔作为空气弹簧的附加空气室。无摇枕转向架有两种情况：一种是利用转向架构架侧梁和（或）横梁内腔；另一种是在车体上设置单独的空气弹簧附加空气室。这两种情况各有利弊，应根据不同的设计条件加

37、以选择。4、高度控制阀 正是由于自动高度控制阀的采用才使得空气弹簧具有许多优点。车体高度控制是通过高度控制阀控制空气弹簧充、放气来实现的。一般城市轨道交通车辆要求载荷变化时车辆地板高度调整的时间不超过车站停车时间，地板面高度的变化范围为±10mm。高度阀只能用来补偿乘客重量的变化，而不能用于补偿车轮和转向架零件的磨损，高度阀应不受车辆振动和轨道冲击的影响。高度控制阀的主要技术性能指标有(杠杆长度140mm，温度20，主风缸压力5kg/cm2)： 截止频率，一般为1Hz； 无感带，911mm； 动作延迟时间，3±1s； 空气流量：40S以下(40L风缸，压力由5kg/cm2下

38、降到2kg/cm2)。5、差压阀 差压阀安装在同一转向架左右空气弹簧的连接管路中间，在任何一侧的空气弹簧出现异常时作为安全装置而起作用，连通左右空气弹簧，防止车体过大倾斜。压差阀的动作压力一般有1kg/cm2、1.2kg/cm2、1.5kg/cm2三种。压差阀动作压力的选择应综合考虑多方面的因素，在条件允许的情况下尽可能选择较小值，以减小车辆在过渡曲线上的对角压差，提高车辆的抗脱轨安全性。6、抗侧滚扭杆 空气弹簧的采用，一方面大大提高了车辆悬挂系统的静挠度，降低了车辆在垂向和横向的自振频率使运行平稳性提高；同时，由于垂向静挠度的增加降低了车辆系统的抗侧滚刚度，致使车辆在通过道岔和曲线时的侧滚角

39、增大，车辆乘坐舒适度下降。抗侧滚扭杆的作用就是：在不增加车辆的垂向和横向悬挂刚度的前提下，提高车辆的抗侧滚刚度，以限制车辆在较大线路不平顺时的侧滚角，保证车辆在动态情况下不超出允许的车辆限界并提高乘坐舒适度。可见，抗侧滚扭杆的实质就是一个扭力弹簧，它不约束车体的浮沉和横摆运动，但在车体发生侧滚时可产生较大的复原力矩，提高车辆抗倾覆稳定性。抗侧滚扭杆的刚度值一般为23MNm/rad。抗侧滚扭杆装置必须具有合理的设计和安装结构，否则会对车辆在直线上的运行平稳性产生不利影响。 提高车辆抗倾覆稳定性的另一种方法是增加空气弹簧的横向跨距和提高空气弹簧上支承面的高度，但这要受到车辆宽度和地板高度的限制，并

40、要考虑对车辆曲线通过性能的影响。此方法在日本采用较多。7、节流孔和节流阀 采用空气弹簧的另外一个好处是可以在空气弹簧本体和附加空气室之间设置适宜大小的固定节流孔或可变阻尼节流阀代替二系垂向油压减振器。固定节流孔结构简单，几乎不增加空气弹簧的成本，但减振效果不好，一般用于速度较低的车辆。固定节流孔的直径一般为13mm左右。可变阻尼节流阀由于能够依据振动速度的变化而改变节流孔的开度，因此无论是在低频振动范围还是高频振动范围均具有良好的减振效果。采用可变阻尼节流阀的空气弹簧不仅可使车辆垂向的高、低频振动均有适宜的阻尼，并且对车体侧滚的低频振动也有良好的衰减效果。当然，是采用节流阀还是油压减振器提供垂

41、向阻尼与空气弹簧结构及工作特性有关。欧洲多采用垂直油压减振器，而日本多采用节流阀。 空气弹簧悬挂系统的横向阻尼由横向油压减振器提供。在有摇枕转向架中，多由支重旁承提供回转阻尼提高车辆蛇行运动的临界速度；在无摇枕转向架中，一般当车辆的运营速度达到120Km/h以上时，都通过在车体和转向架构架之间安装抗蛇行油压减振器来保证蛇行运动的临界速度。七、25K(T)型客车中的空气弹簧由于各型客车转向架的结构不同，对空气弹簧的使用要求也各不相同，因此，空气弹簧的型号也多种多样。目前，25K(T)型客车的几种主型转向架按结构不同，可分为3类：一类为有摇动台结构转向架，如CW一2型、209HS(PK)型，主要用

42、空气弹簧吸收车辆的垂向振动，而横向振动则依靠摇动台来解决；一类为无摇动台但有摇枕结构转向架，如206KP型、SW一160型，要求空气弹簧不仅要具有良好的垂向振动性能，而且具有良好的横向振动性能；一类为无摇枕结构转向架，如SW一220型、CW一200型，要求空气弹簧具有大横向变位、小横向刚度和良好的扭转特性。1、 209PK、209HS型转向架1987年，为了满足双层客车的特殊需要，南京浦镇车辆厂研制了采用空气弹簧的209PK型转向架，其空气弹簧的结构如图4所示，由上盖、扣环、胶囊、底座、辅助弹簧组成，采用了螺钉紧固式密封结构。空气弹簧在正常工作状态下，辅助弹簧亦分担一部分载荷，以满足车辆载重量

43、较大的使用要求。四方所生产的该空气弹簧产品型号命名为SYS600P型。209 HS型转向架是浦厂在209PK型转向架基础上研制的，装用了SYS600型空气弹簧(如图5所示)。橡胶堆在空气弹簧无气时起临时支承作用，在空气弹簧正常工作状态下不起作用，所以部分载重量较大的行李车、发电车上装用的209HS型转向架仍采用SYS600P型空气弹簧。这2种型号的空气弹簧最初分别采用固定节流孔和油压减振器提供二系悬挂阻尼，自2002年8月以后均改为可调阻尼节流阀。2、 CW-2型转向架CW-2型转向架是1995年长春客车厂研制的快速客车转向架，主要装用了SYS600A型空气弹簧(如图6所示)。空气弹簧由上盖、

44、胶囊、支承座、橡胶堆、可变节流阀等组成。受安装空间的限制，空气弹簧的高度设计得比较低，胶囊变形部分的圆弧半径也比较小，所以其结构比较轻巧;同时，为了增加橡胶堆的工作高度，其支承座和橡胶堆设计成分体式，以方便安装。2003年，针对东北和西北地区等冬季严寒地区，四方所研制SYS600H型空气弹簧(图7)。与SYS600A型空气弹簧相比，该型空气弹簧增加了压装扣环，大大改善了空气弹簧低温下的气密性能。目前，SYS600H型空气弹簧已批量在乌鲁木齐车辆段配属的车辆上运用。3、 206KP型转向架 206KP型转向架是四方机车车辆厂生产的提速客车转向架，为无摇动台结构，所以对空气弹簧的垂向和横向特性均有较高的要求。最早采用了SF550型空气弹簧，该空气弹簧采取了螺钉紧固密封结构，重量较大，组装和检修也不方便，所以，在1995年研制的第2代20