空气弹簧发展及其研究现状
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图 2 SF550 型空气弹簧
图 3 SYS550A 型空气弹簧
枕内腔为附加空气室，空气弹簧主要吸收垂向振动。同 年，四方车辆研究所、南京浦镇车辆厂、长春轨道客车 股份有限公司和四方机车车辆股份有限公司联合开发 了 PW-200、CW-200 和 SW-220 型 转 向 架 上 使 用 的 SYS600F、SYS600G 和 SYS550D 型空气弹 簧 ， 具 有 大 的横向变位和较小的横向刚度， 且具有良好的扭转特 性。 1998 年，又继续研发 SYS630 和 SYS640 型空气弹 簧。
20 世纪 70 年代初，法国开始研究约束膜式空气弹 簧，并应用于 TGV-001 高速列车上，该 列车上使用 的 约束膜式空气弹簧由日本生产。 1983 年，法国巴黎— 里昂 TGV- PSE 高速列车上开始使用 684N4.10B 型大 曲囊式空气弹簧，其附加空气室容积为 168 L，由康迪 泰克公司生产， 其垂向、 横向自振频率降低到 0.7 Hz 和 0.75 Hz。 1990 年采用空气弹簧作为二系悬挂系统 的 TGV 高速列车创造了 515.3 km/h 的记录。 1992 年， TGV-PSE 高速列车配合 100.260 型锥形橡胶堆使用， 具有良好的性能。 此后， 法国 TGV-A、TGV-2N、EUROSTAR、THALYS 列车， 西班牙 TANGO、AVE 列车， 以及瑞典 X2000 摆式列车都开始大量使用空气弹簧。 德国的 ICE 列车对 MD530 转向架进行改进，用康迪泰 克公司生产 的 7050N.10 型空气 弹簧取代原 有钢弹簧 安装在由西门子生产的 SGP-400 型转向架上。 在 ICE 列车的基础上， 德国的 ICT、VT614TALBOT 摆式列车 以及 VT611 内燃动车组也都开始使用空气弹簧系统。 2000 年，德国 ICE-3 列车的 SF500 型转向架使用了空 气弹簧系统。列车最初的空气弹簧横向刚度较小，转向 架并未取消摇动台结构， 通过改进空气弹簧横向位移 和横向刚度，列车逐渐取消摇动台结构，减轻了转向架 质量。 1.2 国内空气弹簧发展情况
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甄亚林 等·空气弹簧发展及其研究现状·２０１４ 年第 １ 期
车辆研究所 与长春客车 厂共同 开 发 了 SYS600A 型 空 气弹簧， 用于 CW-2 型转向架上， 如图 5 所示。 1997 年，209HS 型转向架成为我国统型转向架，该转向架上 的空气弹簧改为 SYS600C 型空气弹簧， 如图 6 所示。 CW-2 型转向架和 209HS 型转向架含摇动台结构 ，摇
作为悬挂装置， 空气弹簧对车辆动力学性能有着 重要的影响，随着空气弹簧的广泛应用，近年来许多国 内外学者对空气弹簧的结构、横向刚度、垂向刚度、动
1.1 国外空气弹簧发展情况 国外对空气弹簧的研究起步较早， 最原始的空气
弹簧为活塞气缸式空气弹簧，于 1847 年由 John Lewis 发明[1]，该弹簧气密性较差，减振效果不明显。 William. R. Fee，Hoagland. I. W 和 Alsop Gorge. M 在此基础上改 善了气密性。空气弹簧最早于 1901 年做为有轨电车减 振元件使用，1910 年，George Bancroft 将空气弹簧用在 汽车上并获得专利[2]，美国凡世 通轮胎公 司于 20 世纪 30 年 代 将 空 气 弹 簧 应 用 于 汽 车 上 。 1934 年 ，Harvey Ireston 等人研制出 AIREDE 空气弹簧， 该空气弹簧为 空气柱形式。随着橡胶工业的发展，出现了橡胶—帘线 式空气弹簧，并于 1947 年应用于美国普尔曼车上。 此 后，德国、法国、意大利等国家也开始相继研制出适用
空气弹簧发展及其研究现状
甄亚林，李 芾，霍芳霄
（西南交通大学 机车车辆工程系，四川 成都 610031）
摘 要： 文章详细论述了国内外空气弹簧的发展应用情况以及囊式、 约束膜式和自由膜式空气弹簧的
三种结构型式。对空气弹簧横向刚度、垂向刚度、动力学性能以及空气弹簧半主动控制方面的研究状况做了详
细概述。 指出了空气弹簧今后需重点研究及发展的方向。
由 沈 阳 机 车 车 辆 厂 安 装 在 “东 风 号 ”客 车 上 进 行 试 验 [3]。 该空气弹簧尺寸较小，不适用于大型车辆。此后天津车 辆段和天津橡胶研究所开始研制大尺寸双曲囊式空气 弹簧，并应用于铁道车辆 101 型转向架上。 1959 年，四 方机车厂开始使用空气弹簧， 并加入附加空气室和高 度控制阀等结构。 其间，我国共设计出 10 余种空气弹 簧气囊和 3 种高度控制阀[3]。由于囊式空气弹簧横向性 能较差，铁道车辆转向架仍采用摇动台结构。
（Institute of Rail Vehicles，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031，China）
Abstract： The development and application of air spring at home and abroad are described detailedly. Three kinds of structure form for bellow type，constraint film type and free film type air spring are organized. The lateral stiffness， vertical stiffness， dynamic performance of air spring and semi-active control of air spring have also been overviewed in detail. The main research and development direction of air spring in the future are pointed out.
收稿日期： 2013－03－16 作者简介： 甄亚林，在读硕士研究生，从事空气弹簧和车辆动力学研究。
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电力机车与城轨车辆·２０１４ 年第 １ 期
于公路和铁道车辆的空气弹簧。 1955 年，日本国家铁 路技术研究所机车车辆动力实验室对空气弹簧做了大 量研究工作， 为空气弹簧的设计提供了宝贵数据。 20 世纪 50 年代中叶，固特异轮胎公司研制出滚动凸轮式 空气弹簧，即 Rolling Lobe 空气弹簧，该种空气弹簧是 通过凸轮在活塞型面上滚动来实现对空气弹簧负载变 化关系曲线的控制。 1958 年，美国奇姆西公司（GMC） 生产 了 装 有 空 气 弹 簧 的 牵 引 车 。 1961 年 ，Cavanaugh. R. D 设计出一种带附加空气室的空气弹簧模型，空气 弹簧结构又得到进一步优化。 20 世纪 60 年代， 日本 开发出 的第一 代 0 系 新 干 线 动 车 组 DT200 型 转 向 架 上采用空气弹簧作为二系悬挂装置。 随后研发的新干 线 100 系、200 系和 300 系 DT203 型 转向架列车 均使 用空气弹簧， 但 100 系和 200 系列车仍还有摇动台结 构；400 系列车为无摇枕转向架。
Key words： air spring； development； research； current situation
Βιβλιοθήκη Baidu
0 引言
随着铁路客运的提速以及动车组的发展， 对车辆 的动力学性能也提出了更高的要求， 传统列车上的悬 挂系统难以满足高速铁路的需要。 空气弹簧具有非线
力学性能、半主动控制等方面进行了大量研究，同时在 空气弹簧隔振性能、 弹性性能以及空气弹簧模型等方 面也做了深入研究。
空 气 弹 簧 的 发 展 在 20 世 纪 50 年 代 初 趋 于 完 善 ， 其结构也得到不断改善。 目前空气弹簧主要有囊式空 气弹簧、 约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧 3 种 类型。 囊式空气弹簧又可分为单曲囊式、双曲囊式（见 图 7）和多曲囊式等。 囊式空气弹簧制造工艺简单，使 用寿命长；但由于其刚度较大，振动频率高，使用较少。
1966 年，新型约束膜式空气弹簧产生，其中直筒约 束膜式空气弹簧应用于 KZ2 和 KZ3 型转向架上，斜筒 约束膜式空气弹簧应用于 CCKZ1 型转向架上，如图 1 所示。约束膜式空气弹簧在保证垂向性能的前提下，极 大地改善了横向振动特性， 转向架开始逐渐取消摇动 台结构。 由于约束膜式空气弹簧内外套筒与橡胶囊接 触频繁，橡胶囊磨耗大，使用寿命短，为改善这一性能， 我国开始研究自由膜式空气弹簧。此后，我国转向架上 开始使用空气弹簧和横向减振器的方式来实现横向阻 尼作用。 20 世纪 80 年代初长春汽车研究所研制的空 气弹簧使汽车自振频率降低到 1.1~1.2 Hz， 同时为沈 阳电车公司设计出 SY662 型转向架，安装在无轨电车 上。 1987 年，长春汽车研究所与沈阳飞机制造厂开发 出装有空气弹簧的 CA15151D18 汽车底盘， 并安装在 SFQ6981A 型客车上。
关键词： 空气弹簧； 发展； 研究； 现状
中图分类号： U270.33
文献标识码： A
文章编号： 1672－1187（2014）01－0027－06
Development and research status on air spring
ZHEN Ya-lin，LI Fu，HUO Fang-xiao
国内空气弹簧的研制与应用起步较晚， 国外空气 弹簧的成功应用为我国开始自主研制空气弹簧奠定了 基础，提供了有效的理论依据。 1957 年，长春汽车研究 所和化工部橡胶研究所首次研制出使用空气弹簧的载 重汽车。 1958 年，空气弹簧开始在铁道车辆上得到应 用。 最初的空气弹簧为双曲囊式空气弹簧，于 1958 年
DOI:10.16212/j.cnki.1672-1187.2014.01.007 第 ３７ 卷 第 １ 期 ２０１４ 年 １ 月 ２０ 日
◆ 研究开发 ◆
电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles
Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． １ Ｊａｎ． ２０ｔｈ，２０１４
图 1 CCKZ1 型转向架空气弹簧
20 世纪 90 年代后， 随着我国铁路的不断提速，空 气弹簧开始在提速客车、准高速客车和动车组上使用。 1993 年，我国研制出第一代 206KP 型转向架上使用的 SF550 型空气弹簧（见图 2），使用橡胶堆弹性支撑结构 和可调阻尼式节流阀，但由于采用螺钉紧固密封，其组 装维修极不方便[1]。1995 年，为第二代 206KP 型转向架 研制出 SYS550A 型空气弹簧，在 SF550 型空气弹簧的 基础上改善了密封结构，质量由 105 kg 减轻到 65 kg， 如图 3 所示。 SYS550A 型空气弹簧在使用过程中出现 漏气故障，改进后的 SYS550B 型空气弹簧在横向振动 特性方面又得到改善，如图 4 所示。 之后，我国 206KP 型转向架全部使用 SYS550C 型空气弹簧。 同年，四方
20 世纪 90 年代以来， 我国磁浮列车开始研制，四 方所为 我国磁浮列 车研制开 发出 SYS130A 型 膜 式 空 气弹簧和 SYS130B 型囊式空气弹簧。 自 21 世纪以来， 为适应我国高速动车组的发展，新一代适用于 CRH 系 列动车组的空气弹簧也研制成功，并批量投入运用。 1.3 空气弹簧主要型式
1 空气弹簧发展情况
性特点， 可根据车辆振动性能设计成较为理想的弹性 特性曲线；可使空、重车自振频率几乎相等；配合高度 控制阀使用可使车体在不同载荷作用下， 保持车辆地 板面距轨面高度不变； 具有良好的吸收高频振动的性 能。基于空气弹簧的优良特性，其自 20 世纪 80 年代在 铁路客车、动车组、地铁车辆、轻轨车辆和磁浮列车等 领域得到广泛应用，并逐步取代传统的二系悬挂系统。 除轨道交通以外，空气弹簧在汽车以及工业机械隔振、 机车座椅减振、 精密仪器减振和精密实验平台的振动 控制等方面得到广泛应用。
图 3 SYS550A 型空气弹簧
枕内腔为附加空气室，空气弹簧主要吸收垂向振动。同 年，四方车辆研究所、南京浦镇车辆厂、长春轨道客车 股份有限公司和四方机车车辆股份有限公司联合开发 了 PW-200、CW-200 和 SW-220 型 转 向 架 上 使 用 的 SYS600F、SYS600G 和 SYS550D 型空气弹 簧 ， 具 有 大 的横向变位和较小的横向刚度， 且具有良好的扭转特 性。 1998 年，又继续研发 SYS630 和 SYS640 型空气弹 簧。
20 世纪 70 年代初，法国开始研究约束膜式空气弹 簧，并应用于 TGV-001 高速列车上，该 列车上使用 的 约束膜式空气弹簧由日本生产。 1983 年，法国巴黎— 里昂 TGV- PSE 高速列车上开始使用 684N4.10B 型大 曲囊式空气弹簧，其附加空气室容积为 168 L，由康迪 泰克公司生产， 其垂向、 横向自振频率降低到 0.7 Hz 和 0.75 Hz。 1990 年采用空气弹簧作为二系悬挂系统 的 TGV 高速列车创造了 515.3 km/h 的记录。 1992 年， TGV-PSE 高速列车配合 100.260 型锥形橡胶堆使用， 具有良好的性能。 此后， 法国 TGV-A、TGV-2N、EUROSTAR、THALYS 列车， 西班牙 TANGO、AVE 列车， 以及瑞典 X2000 摆式列车都开始大量使用空气弹簧。 德国的 ICE 列车对 MD530 转向架进行改进，用康迪泰 克公司生产 的 7050N.10 型空气 弹簧取代原 有钢弹簧 安装在由西门子生产的 SGP-400 型转向架上。 在 ICE 列车的基础上， 德国的 ICT、VT614TALBOT 摆式列车 以及 VT611 内燃动车组也都开始使用空气弹簧系统。 2000 年，德国 ICE-3 列车的 SF500 型转向架使用了空 气弹簧系统。列车最初的空气弹簧横向刚度较小，转向 架并未取消摇动台结构， 通过改进空气弹簧横向位移 和横向刚度，列车逐渐取消摇动台结构，减轻了转向架 质量。 1.2 国内空气弹簧发展情况
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甄亚林 等·空气弹簧发展及其研究现状·２０１４ 年第 １ 期
车辆研究所 与长春客车 厂共同 开 发 了 SYS600A 型 空 气弹簧， 用于 CW-2 型转向架上， 如图 5 所示。 1997 年，209HS 型转向架成为我国统型转向架，该转向架上 的空气弹簧改为 SYS600C 型空气弹簧， 如图 6 所示。 CW-2 型转向架和 209HS 型转向架含摇动台结构 ，摇
作为悬挂装置， 空气弹簧对车辆动力学性能有着 重要的影响，随着空气弹簧的广泛应用，近年来许多国 内外学者对空气弹簧的结构、横向刚度、垂向刚度、动
1.1 国外空气弹簧发展情况 国外对空气弹簧的研究起步较早， 最原始的空气
弹簧为活塞气缸式空气弹簧，于 1847 年由 John Lewis 发明[1]，该弹簧气密性较差，减振效果不明显。 William. R. Fee，Hoagland. I. W 和 Alsop Gorge. M 在此基础上改 善了气密性。空气弹簧最早于 1901 年做为有轨电车减 振元件使用，1910 年，George Bancroft 将空气弹簧用在 汽车上并获得专利[2]，美国凡世 通轮胎公 司于 20 世纪 30 年 代 将 空 气 弹 簧 应 用 于 汽 车 上 。 1934 年 ，Harvey Ireston 等人研制出 AIREDE 空气弹簧， 该空气弹簧为 空气柱形式。随着橡胶工业的发展，出现了橡胶—帘线 式空气弹簧，并于 1947 年应用于美国普尔曼车上。 此 后，德国、法国、意大利等国家也开始相继研制出适用
空气弹簧发展及其研究现状
甄亚林，李 芾，霍芳霄
（西南交通大学 机车车辆工程系，四川 成都 610031）
摘 要： 文章详细论述了国内外空气弹簧的发展应用情况以及囊式、 约束膜式和自由膜式空气弹簧的
三种结构型式。对空气弹簧横向刚度、垂向刚度、动力学性能以及空气弹簧半主动控制方面的研究状况做了详
细概述。 指出了空气弹簧今后需重点研究及发展的方向。
由 沈 阳 机 车 车 辆 厂 安 装 在 “东 风 号 ”客 车 上 进 行 试 验 [3]。 该空气弹簧尺寸较小，不适用于大型车辆。此后天津车 辆段和天津橡胶研究所开始研制大尺寸双曲囊式空气 弹簧，并应用于铁道车辆 101 型转向架上。 1959 年，四 方机车厂开始使用空气弹簧， 并加入附加空气室和高 度控制阀等结构。 其间，我国共设计出 10 余种空气弹 簧气囊和 3 种高度控制阀[3]。由于囊式空气弹簧横向性 能较差，铁道车辆转向架仍采用摇动台结构。
（Institute of Rail Vehicles，Southwest JiaoTong University，Chengdu 610031，China）
Abstract： The development and application of air spring at home and abroad are described detailedly. Three kinds of structure form for bellow type，constraint film type and free film type air spring are organized. The lateral stiffness， vertical stiffness， dynamic performance of air spring and semi-active control of air spring have also been overviewed in detail. The main research and development direction of air spring in the future are pointed out.
收稿日期： 2013－03－16 作者简介： 甄亚林，在读硕士研究生，从事空气弹簧和车辆动力学研究。
- 27 -
电力机车与城轨车辆·２０１４ 年第 １ 期
于公路和铁道车辆的空气弹簧。 1955 年，日本国家铁 路技术研究所机车车辆动力实验室对空气弹簧做了大 量研究工作， 为空气弹簧的设计提供了宝贵数据。 20 世纪 50 年代中叶，固特异轮胎公司研制出滚动凸轮式 空气弹簧，即 Rolling Lobe 空气弹簧，该种空气弹簧是 通过凸轮在活塞型面上滚动来实现对空气弹簧负载变 化关系曲线的控制。 1958 年，美国奇姆西公司（GMC） 生产 了 装 有 空 气 弹 簧 的 牵 引 车 。 1961 年 ，Cavanaugh. R. D 设计出一种带附加空气室的空气弹簧模型，空气 弹簧结构又得到进一步优化。 20 世纪 60 年代， 日本 开发出 的第一 代 0 系 新 干 线 动 车 组 DT200 型 转 向 架 上采用空气弹簧作为二系悬挂装置。 随后研发的新干 线 100 系、200 系和 300 系 DT203 型 转向架列车 均使 用空气弹簧， 但 100 系和 200 系列车仍还有摇动台结 构；400 系列车为无摇枕转向架。
Key words： air spring； development； research； current situation
Βιβλιοθήκη Baidu
0 引言
随着铁路客运的提速以及动车组的发展， 对车辆 的动力学性能也提出了更高的要求， 传统列车上的悬 挂系统难以满足高速铁路的需要。 空气弹簧具有非线
力学性能、半主动控制等方面进行了大量研究，同时在 空气弹簧隔振性能、 弹性性能以及空气弹簧模型等方 面也做了深入研究。
空 气 弹 簧 的 发 展 在 20 世 纪 50 年 代 初 趋 于 完 善 ， 其结构也得到不断改善。 目前空气弹簧主要有囊式空 气弹簧、 约束膜式空气弹簧和自由膜式空气弹簧 3 种 类型。 囊式空气弹簧又可分为单曲囊式、双曲囊式（见 图 7）和多曲囊式等。 囊式空气弹簧制造工艺简单，使 用寿命长；但由于其刚度较大，振动频率高，使用较少。
1966 年，新型约束膜式空气弹簧产生，其中直筒约 束膜式空气弹簧应用于 KZ2 和 KZ3 型转向架上，斜筒 约束膜式空气弹簧应用于 CCKZ1 型转向架上，如图 1 所示。约束膜式空气弹簧在保证垂向性能的前提下，极 大地改善了横向振动特性， 转向架开始逐渐取消摇动 台结构。 由于约束膜式空气弹簧内外套筒与橡胶囊接 触频繁，橡胶囊磨耗大，使用寿命短，为改善这一性能， 我国开始研究自由膜式空气弹簧。此后，我国转向架上 开始使用空气弹簧和横向减振器的方式来实现横向阻 尼作用。 20 世纪 80 年代初长春汽车研究所研制的空 气弹簧使汽车自振频率降低到 1.1~1.2 Hz， 同时为沈 阳电车公司设计出 SY662 型转向架，安装在无轨电车 上。 1987 年，长春汽车研究所与沈阳飞机制造厂开发 出装有空气弹簧的 CA15151D18 汽车底盘， 并安装在 SFQ6981A 型客车上。
关键词： 空气弹簧； 发展； 研究； 现状
中图分类号： U270.33
文献标识码： A
文章编号： 1672－1187（2014）01－0027－06
Development and research status on air spring
ZHEN Ya-lin，LI Fu，HUO Fang-xiao
国内空气弹簧的研制与应用起步较晚， 国外空气 弹簧的成功应用为我国开始自主研制空气弹簧奠定了 基础，提供了有效的理论依据。 1957 年，长春汽车研究 所和化工部橡胶研究所首次研制出使用空气弹簧的载 重汽车。 1958 年，空气弹簧开始在铁道车辆上得到应 用。 最初的空气弹簧为双曲囊式空气弹簧，于 1958 年
DOI:10.16212/j.cnki.1672-1187.2014.01.007 第 ３７ 卷 第 １ 期 ２０１４ 年 １ 月 ２０ 日
◆ 研究开发 ◆
电力机车与城轨车辆 Electric Locomotives ＆ Mass Transit Vehicles
Ｖｏｌ． ３７ Ｎｏ． １ Ｊａｎ． ２０ｔｈ，２０１４
图 1 CCKZ1 型转向架空气弹簧
20 世纪 90 年代后， 随着我国铁路的不断提速，空 气弹簧开始在提速客车、准高速客车和动车组上使用。 1993 年，我国研制出第一代 206KP 型转向架上使用的 SF550 型空气弹簧（见图 2），使用橡胶堆弹性支撑结构 和可调阻尼式节流阀，但由于采用螺钉紧固密封，其组 装维修极不方便[1]。1995 年，为第二代 206KP 型转向架 研制出 SYS550A 型空气弹簧，在 SF550 型空气弹簧的 基础上改善了密封结构，质量由 105 kg 减轻到 65 kg， 如图 3 所示。 SYS550A 型空气弹簧在使用过程中出现 漏气故障，改进后的 SYS550B 型空气弹簧在横向振动 特性方面又得到改善，如图 4 所示。 之后，我国 206KP 型转向架全部使用 SYS550C 型空气弹簧。 同年，四方
20 世纪 90 年代以来， 我国磁浮列车开始研制，四 方所为 我国磁浮列 车研制开 发出 SYS130A 型 膜 式 空 气弹簧和 SYS130B 型囊式空气弹簧。 自 21 世纪以来， 为适应我国高速动车组的发展，新一代适用于 CRH 系 列动车组的空气弹簧也研制成功，并批量投入运用。 1.3 空气弹簧主要型式
1 空气弹簧发展情况
性特点， 可根据车辆振动性能设计成较为理想的弹性 特性曲线；可使空、重车自振频率几乎相等；配合高度 控制阀使用可使车体在不同载荷作用下， 保持车辆地 板面距轨面高度不变； 具有良好的吸收高频振动的性 能。基于空气弹簧的优良特性，其自 20 世纪 80 年代在 铁路客车、动车组、地铁车辆、轻轨车辆和磁浮列车等 领域得到广泛应用，并逐步取代传统的二系悬挂系统。 除轨道交通以外，空气弹簧在汽车以及工业机械隔振、 机车座椅减振、 精密仪器减振和精密实验平台的振动 控制等方面得到广泛应用。