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空气弹簧的应用与发展趋势
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 株洲时代新材料科技股份有限公司点击:
摘要：介绍了空气弹簧的应用情况，并探讨了空气弹簧今后的发展趋势。
关键词：空气弹簧 应用 发展
1．空气弹簧简介
空气弹簧是利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件。它具有如下特点：①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；②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；③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；④空气弹簧的制造工艺复杂，费用高。空气弹簧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。囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形；膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。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。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。根据橡胶气囊止口与接口的连接方式又可分为约束模式和自由模式空气弹簧。约束模式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；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，减小气囊与底座之间的摩擦。
2． 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 4、5、6、7 所示四种。
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。
空气弹簧广泛应用于快速、地铁、轻轨和磁悬浮列车等轨道车辆上。
3.1 在快速列车上的应用
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。
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)。
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：⑴横向刚度小并能适应大的横向变形；⑵曲线通过时，空气弹簧本身具有良好的横向复原力特性；⑶具有良好的扭转特性和扭转耐久性。
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。
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。
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（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。
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 6—200kN，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 φ113空气弹簧广泛应用于精密仪器的隔震领域。
5．1 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 km／h 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。
5．2 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，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。
参考文献
[1] 孙为群等，汽车空气弹簧的理论分析与试验研究[J].汽车科技,1999,149(2):15.
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[12] 张士义等.空气弹簧隔振技术[J].精密制造技术.1995，31(2)：68.
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[33] 陆海英.现代轨道交通车辆的空气弹簧悬挂技术[J].机车电传动..2003，4：3642.
[34] 韩宝玲等.橡胶空气弹簧在自动旋盖封瓶机中的应用[ J].包装与食品机械.1996，14(4)：2932.(end)
关键词：空气弹簧 应用 发展
1．空气弹簧简介
空气弹簧是利用橡胶气囊内部压缩空气的反力作为弹性恢复力的一种弹性元件。它具有如下特点：①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；②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；③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；④空气弹簧的制造工艺复杂，费用高。空气弹簧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。囊式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的挠屈获得弹性变形；膜式空气弹簧主要依靠橡胶气囊的卷曲获得弹性变形；混合式空气弹簧则兼有以上两种变形方式。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。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。根据橡胶气囊止口与接口的连接方式又可分为约束模式和自由模式空气弹簧。约束模式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；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，减小气囊与底座之间的摩擦。
图 1 囊式空气弹簧
图 2 膜式空气弹簧
图 3 混合式空气弹簧
2． 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 4、5、6、7 所示四种。
图 4 筒状空气弹簧
图 5 变载而活塞型筒状空气弹簧
图6 直筒式活塞边缘压紧式筒状空气弹簧
图7 双环型空气弹簧
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 8 EQ6111 汽车空气弹簧
空气弹簧广泛应用于快速、地铁、轻轨和磁悬浮列车等轨道车辆上。
3.1 在快速列车上的应用
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 9 TGCPSE上的空气弹簧悬挂装置
图 10 用于 ICE 的康迪泰克空气弹簧系统
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 11 SYS600 型空气弹簧
图 12 SYS550 型空气弹簧
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：⑴横向刚度小并能适应大的横向变形；⑵曲线通过时，空气弹簧本身具有良好的横向复原力特性；⑶具有良好的扭转特性和扭转耐久性。
图 13 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
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 14 轻轨列车用 SYS450 型空气弹簧
1.上盖；2 ．下 座；3 ．橡 胶堆；4 —橡胶囊；5 ．橡胶垫；6，可调阻尼节流阀
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15 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
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（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 16 空气弹簧缓冲器 图 17 空气弹簧隔振器
图 18 空气弹簧在电动台减振的应用
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 6—200kN，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 φ113空气弹簧广泛应用于精密仪器的隔震领域。
图 19 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 5 阻尼孔
5．1 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 km／h 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。
5．2 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，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。
参考文献
[1] 孙为群等，汽车空气弹簧的理论分析与试验研究[J].汽车科技,1999,149(2):15.
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[10] 俞渭雄. 空气弹簧的研究及在防微振领域的应用[J].建筑结构.1996，12：3337.
[11] 刁春生等.空气弹簧防振基础[J].环境保护科学.1997，33(2)：4548.
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[14]方波平.汽车用空气弹簧橡胶气囊的研制[ J].橡胶工业.1995，42(1)：4244.
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