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空载和满载时车身高度相同，悬架的固有频率基本不变。根据需要可以选择不同的气囊高度，获得理想的固有频率，从而得到良好的行驶平顺性。

(2)空气悬架质量轻，弹簧刚度低，高速行驶时，轮胎与地面的附着能力强，制动距离短;转向时，过多转向和不足转向倾向减小，转向稳定性强，提高了整车的操纵稳定性。 (3)空气弹簧内的空气压力直接反映了簧上质量，可取空气压力作为信号，控制制动缸铁道车辆悬架是火车上连接车轮与车身，传递车轮和车身之间一切力和力矩的重要总成。悬架系统可以有效缓车身的振动和冲击载荷，衰减由此引起的簧上质量的振动，以保证铁道车辆平顺地行驶。空气弹簧悬架系统由空气弹簧、导向机构和减振器等三部分组成，另外还包括缓冲块和横向稳定杆等。来控制制动时的制动力，更好地保证行驶地安全性。

(4)可以通过给空气弹簧气囊充气或放气来调节车身高度。在平坦的路面上，降低车身高度，保持空气阻力系数为最佳值，可以减小油耗或在功率不变的情况下获得最大车速。

(5)减少整车的振动噪声，提高了零部件的使用寿命。

2.1.3 空气弹簧的结构型式

空气弹簧大体上是由上盖、气囊、下座(或活塞)组成，气囊与上盖、下座接口的连接一般分为自封式、螺栓固定式和密封式3种，自封式结构简单、拆装方便，被普遍采用。目前，空气弹簧按气囊结构型式一般划分为囊式、膜式和复合式3大类。

1.囊式空气弹簧

囊式空气弹簧主要靠橡胶气囊的屈挠度来获得弹性变形，有单曲式、双曲式、三曲式和四曲式等4种，双曲以上时，两曲囊之间均用镀锌或包胶的金属胶环分隔各曲囊，以防胶囊在充气时产生径向膨胀或两断面之间的摩擦，如图2-1所示。

囊式空气弹簧的独特特点是:

(1)曲囊数越多，刚度越小，但曲囊太多则易降低空气弹簧的横向稳定性，一般以四曲为限。

(2)囊式空气弹簧有效面积变化率大，压缩时其受压面积增大，伸张时受压面积减小，这种弹簧的刚度较大，振动频率较高。

2.膜式空气弹簧

根据不同的运动方式和承载能力，膜式空气弹簧的形式也多样化。一般用膜式空气弹簧为滚膜式，它主要靠气囊的卷曲来获得弹性变形，如图2-2所示。

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(1)膜式空气弹簧有效受压面积与挠曲变形的关系随活塞的形状变化。对活塞形状的合理设计，可以有效地控制其有效面积地变化率，得到理想的弹性特性曲线。

(2)无论是压缩或伸张，膜式空气弹簧的有效面积都无显著变化。 (3)即使无附加气室，仍有较低的振动频率。

(4)膜式空气弹簧结构、制造工艺简单，便于大量生产。 3.复合式空气弹簧

这种空气弹簧综合了囊式和膜式两种弹簧的优点，但由于制造复杂，目前采用的较少，如图2.3所示。

图2.1 囊式空气弹簧 图2.2 模式空气弹簧

图2.3 复合式空气弹簧

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2.2 建立空气弹簧悬架的动力学模型

空气弹簧悬架是一种典型的非线性悬架，它一般由上盖、气囊、下底座(或活塞)组成，上盖和底座由金属制成，中间的气囊部分由橡胶材料制成。它不但具有非线性刚度特性，而且具有材料非线性、接触非线性和几何非线性，橡胶材料表现出弹性的高度非线性，其帘线层呈现出复杂的各向异性和非线性特性，在空气弹簧悬架振动的过程中，橡胶气囊内部气体体积要发生变化，发生气固祸合，同时橡胶气囊与底座和上盖板发生接触，在接触的过程中，接触面的面积和压力分布随外载荷的变化而变化，并与接触体的刚性有关。为便于进行非线性动力学分析，将其进行简化为2.4，无论将空气弹簧悬架简化为两个弹簧与一个阻尼器并联，还是三个弹簧与一个阻尼器并联，都可以进一步简化，将其简化为一个弹簧和一个阻尼器并联结构，其动力学模型如图2.4所示。根据以下理论和试验分析，空气弹簧悬架的动力学模型可以用多项式模型来表示，经过分析其刚度为多项式，而其阻尼系数较小且变化不大，可以认为其为定值。

图2.4空气弹簧悬架的动力学模型

2.3 空气弹簧刚度弹性分析

理论推导：由热力学可知，当空气悬架处于压缩行程时，由于空气弹簧的体积减少，使得空气弹簧中的气体被压缩，由挤压产生的能量转化成了热能，这样气压和温度就会增加。气囊内的气压随着体积变化的速度与方向而变化。在等温、绝热或多元的热力学变化过程中，弹簧的刚度和位移之间的变化规律是不同的。所有的气体在压缩过程被加热，在膨胀过程中会降温，如果气囊的行程变化过程缓慢，热量会散失，可以看成是一种等温变化过程。在等温变化过程中，压力计算较简单。空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧的压缩气体(即空气)。容积比和压缩系数基本上决定了理想空气弹簧的性

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能。

根据理想气体状态方程，空气弹簧内气体压力与体积满足；

(pr?p?)Vm?cons t (2-1)

式中:pr 为空气弹簧内气体压力;p?为大气压力:m为多变指数

指数m的选择取决于弹簧变形的速度。当研究弹簧的静态特性时，其振动速度较慢，把它认为等温过程，m=1，当研究弹簧的动态特性时，其振动速度较快，把它认为绝热过程，m=1.4，在考虑大气压力的情况下，空气弹簧的承载能力由下式(2-2)得出。

W?prS (2-2)

式中:牙一空气弹簧的负荷，S一气囊的有效面积(气囊的水平截面面积)

空气弹簧的刚度可以通过对弹簧行程求导得出。

Ks?(pr?p?)SV2?prdsdx (2-3)

空气弹簧的支承、弹性作用取决于空气弹簧内的压缩气体(即空气)。空气弹簧受力时，可以通过载荷对空气弹簧位移求导得到，通过空气弹簧内部的热力学过程分析得到，弹簧变形速度不同，刚度就不同。f>0.2Hz时，m=1.4，为动刚度。

Kd?m(pr?p?)SV2?prdsdx (2-4)

当f<0.2Hz时，m=1，为静刚度。

Ks?(pr?p?)SV2?prdsdx (2-5)

式中:pr为空气弹簧内气体的表压力；p?为大气压力；m为多变指数；多变指数。m的选择取决于弹簧变形的速度。

分析空气弹簧的有效面积变化率，空气弹簧有效面积和位移呈线性关系

S?Dx?S0 (2-6) 将式（2-6）代入式（2-4）可以计算出；

K?m(pr?p?)2(Dx?S0)V?prD2?prD?mD(pr?p?)V2x?22mDS0(pr?p?)Vx?mS0(pr?p?)V (2-7)

从式(2-7)中可以看出，空气弹簧悬架的刚度是位移的二次多项式，因而其非线性恢

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