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空气弹簧在轨道车辆上的应用摘要：空气弹簧的主要特性是自重小、内摩擦小、非线性刚度好，同时还有非常高的隔震与抗高频振动效果，所以被大量的应用到地铁、轻轨客车等车辆中。
本文从空气弹簧悬挂系统结构与特性出发进行分析，了解我国轨道客车转向架的发展，同时研究分析空气弹簧在轨道车辆上的应用。
关键词：轨道车辆；空气弹簧；应用随着我国高速铁路、轨道交通基础设施广泛建设，规模与速度时刻保持高速发展。
高速铁路与城市轨道交通车辆的高速发展，对于车辆装备要求较高，同时对于安全运行方面也有更高的要求，铁路旅客列车与城轨车辆大量的应用空气弹簧作为悬挂系统，其可以提升车辆运行安全性与稳定性，所以被大量使用，极大促进我国轨道列车领域的发展。
1空气弹簧的工作原理及作用1.1空气弹簧系统工作原理空气弹簧的结构是设计是在密封性的橡胶囊中冲入压缩气体，然后形成一定的刚度，其刚度会因为负载变化而形成弹性体。
空气弹簧结构可见图1所示。
（1）空气弹簧本体；（2）附加空气室；（3）高度控制阀；（4）回转杆；（5）调节杆图1转向架空气弹簧系统结构图要想保证车身高度不会因为载荷变化而变化，车体与转向架之间设置有高度控制阀装置，根据车辆运行情况调节弹簧高度。
回转杆利用旋转的方式控制空气弹簧充气阀与排气阀的开启，可以让压缩空气及时冲入到弹簧或者空气弹簧内部气体直接导入到附加气室内，让车辆负载变化的情况下高度依然保持恒定。
1.2空气弹簧的作用与特点空气弹簧因为负载的持续作用，导致内部气体被压缩，形成反力而出现弹性恢复力。
和普通金属弹簧对比分析，空气弹簧的优势就是减振、降噪，且可以在较大荷载的运行条件下降低弹簧刚度，所以是航空、汽车、轨道车辆的重要组成部分，对于经济与社会发展影响巨大。
下面分析空气弹簧的作用与特点：（1）重量轻。
空气弹簧的首要特性就是自重要比刚性弹簧销，所以安装到轨道车辆中，达到轻量化的要求，结构组成更加的简单。
（2）具有非线性特性。
传统应用的螺旋钢弹簧刚度性能是恒定的，而空气弹簧与之不同，刚度会因为荷载的增加而增加，所以非线性特性明显。
《车辆构造与检修》教案（四）本章重点：弹簧装置的作用、分类及主要特性；抗侧滚扭杆；高度调整阀、差压阀、钢弹簧的故障形式；橡胶弹簧；空气弹簧；油压减振；第一节弹簧装置的作用、分类及主要特性一、弹簧装置的主要作用使车辆的质量与载荷比较均匀地传递给各轮轴，并使车辆在静载状况下，两端车钩高度在规定的范围内。
缓和各种原因引起的车辆振动。
二、弹簧的分类1、钢质弹簧2、橡胶弹簧3、空气弹簧三、弹簧的主要特性参数弹簧的主要特性是挠度、刚度、柔度。
弹簧的特性可用弹簧挠力图表示。
1、弹簧负荷：弹簧承受的外力。
分工作负荷、极限负荷两种。
2、弹簧挠度（f）: 在载荷的作用下，弹簧所产生的弹性变形。
分静挠度、动挠度两种。
f=H0-HP3、弹簧刚度（Ｋ）：弹簧受压缩时变化单位长度所需要的荷重。
Ｋ＝Ｐ／f4、弹簧柔度（i）:刚度的倒数就是弹簧的柔度。
5、弹簧挠度裕量：在最大计算载荷下弹簧的挠度与其静挠度之差。
6、弹簧挠度裕量系数：弹簧挠度裕量与弹簧静挠度之比。
四、弹簧组合的刚度、柔度1、弹簧串、并联刚度的计算并联布置的弹簧系统的当量刚度等于各个弹簧刚度的代数和。
串联布置的弹簧系统的总柔度等于各个弹簧柔度的代数和。
串并联时，可先将各级并联弹簧的当量刚度计算出来，然后简化成串联布置的当量弹簧系统，计算出其当量刚度，就是整个系统的当量刚度。
第二节钢弹簧的结构一、弹簧的结构（一）叠板弹簧（二）螺旋弹簧1、螺旋弹簧主要参数：簧条直径d、弹簧平均直径D、有效圈数n 总圈数N、弹簧全压缩高度Hmin、弹簧自由高度H0、弹簧指数m、垂向静挠度fv 和垂向刚度Kv等。
（三）环弹簧（四）抗侧滚扭杆为了改善车辆垂向振动性能，需要相当柔软的垂向悬挂装置（如采用空气弹簧），但同时出现车体侧滚振动的角刚度也随之变得相当柔软，使运行中的车辆车体侧滚角角位移增大，车体晃动大，使车辆的舒适性降低。
为了提高车体抗侧滚振动的性能，一般采取以下措施：（1）尽量增大中央悬挂装置中空气弹簧的横向间距，以增大侧滚振动的角刚度，增强抗侧滚的性能。
空气弹簧刚度的精确仿真与解析计算研究
空气弹簧刚度的精确仿真与解析计算研究是一个非常复杂的工程问题,涉及到材料力学、流体力学、热力学和控制系统等多个学科。
目前,随着计算机技术的发展,基于数值模拟和计算流体力学(CFD)的方法已经成为研究空气弹簧刚度的最佳选择。
在数值模拟方法中,通常使用有限元分析(FEA)或数值模拟(DNS)等方法来模拟空气弹簧的刚度。
有限元分析是一种基于有限个单元进行计算的方法,DNS则是一种基于时间域模拟的方法。
这两种方法都可以用来计算空气弹簧的刚度,但结果可能会有很大的差异。
在解析计算方法中,可以使用方程求解器来求解牛顿第二定律和流体力学方程,从而获得空气弹簧的刚度。
然而,这种方法需要对空气弹簧的结构非常熟悉,并且需要处理复杂的非线性方程,因此一般适合于对空气弹簧的结构和应用有很深入的了解的情况下使用。
对于空气弹簧刚度的精确仿真和解析计算,可以采用多种方法进行研究。
首先,需要确定空气弹簧的结构和材料,并使用适当的数值模拟和解析计算方法来模拟空气弹簧的性能和行为。
其次,需要对不同的数值模拟和解析计算方法进行比较和分析,以确定哪种方法更适合特定的研究问题和数据。
最后,需要对所得结果进行验证和测试,以验证方法和结果的可靠性和精度。
总之,空气弹簧刚度的精确仿真和解析计算研究是一个复杂的工程问题,需要综合运用多个学科的知识和方法,才能够获得可靠的结果和深入的理解。
空气弹簧刚度计算空气弹簧是一种常用的弹簧形式，由于其具有结构简单、体积小、自重轻、刚度可调等优点，被广泛应用于工业生产和科研实验中。
空气弹簧的刚度计算是评估其性能和设计的重要步骤。
本文将从空气弹簧的基本结构、弹簧刚度计算公式、刚度影响因素等方面进行介绍。
一、空气弹簧的基本结构空气弹簧是由柔性材料制成的空腔，常用的材料有橡胶、聚氨酯等。
弹簧通过气体充填或排放来调节其刚度。
空气弹簧一般由两个折皱的圆柱形膜片组成，通过螺纹连接器连接形成一个闭合的腔体。
当气体进入空气弹簧时，膜片会受到气体压力的作用而扩张，从而增大空气弹簧的刚度。
当气体被排放时，膜片会收缩，降低空气弹簧的刚度。
二、空气弹簧刚度计算公式k=(P1-P2)/Δh其中，k为空气弹簧的刚度，P1和P2分别为气体进入和排放时的压力，Δh为膜片变形的位移。
三、刚度影响因素1.压力差（P1-P2）：气体充入或排放的压力差越大，弹簧的刚度越大。
2.膜片变形位移（Δh）：膜片的变形位移越大，弹簧的刚度越大。
3.弹簧的结构参数：包括膜片的直径、厚度、材料等。
膜片直径越大，弹簧刚度越大；膜片厚度越大，弹簧刚度越小；膜片材料的刚度越大，弹簧刚度越大。
4.环境温度：环境温度的变化会影响气体的体积变化，从而影响弹簧的刚度。
一般来说，温度升高，空气弹簧的刚度会下降。
四、实际应用空气弹簧的刚度计算可以通过实验测量得出。
通常，可以通过加载不同的压力和测量弹簧变形来获得刚度值。
此外，还可以通过数值模拟方法进行计算。
数值模拟可以采用有限元方法，将空气弹簧模型建立为一个弹性体模型，通过施加不同的载荷和观察弹簧的变形来获得刚度。
在实际应用中，空气弹簧的刚度会影响到各种机械装置的性能。
例如，空气弹簧可以用于减震系统，通过调节空气弹簧的刚度来实现减震效果。
空气弹簧还可以用于振动隔离系统，通过调节刚度来减小振动的传递，从而减少机械设备的损坏。
总结：空气弹簧的刚度计算是评估其性能和设计的重要步骤。
摘要随着高速动车组在我国铁路客运中所占比例不断增长，高速动车组的安全性和舒适性也越来越得到重视，而空气弹簧悬挂装置在这方面的作用是十分巨大的。
分析和改进空气弹簧悬挂装置，将对我国铁路迈向高速时代，起到至关重要的作用。
本毕业设计通过对国内外高速列车空气弹簧悬挂装置的介绍，分析了空气弹簧悬挂装置的各个部件及其作用。
同时以CRH2—300型动车组为对象，对其空气弹簧悬挂装置进分析，总结出优点与不足，最后提出优化改进方案。
关键词：空气弹簧悬挂装置；分析；改进目录摘要 (1)第 1 章绪论 (3)1.1研究背景 (3)1.2研究思路 (3)第2章国外空气弹簧悬挂装置的分析 (4)2.1瑞典X2000型摆式列车 (4)2.2 德国第二代ICE客车 (4)2.3 法国第二代TGV—A列车 (5)2.4 日本300系、400系、500系、700系客车 (6)第3章国内空气弹簧悬挂装置的分析 (8)3.1 CRH2型空气弹簧悬挂装置的组成 (8)3.1.1空气弹簧装置 (8)3.1.2高度调节阀 (10)3.1.3差压阀 (12)3.1.4横向悬挂装置 (12)3.1.5抗蛇形减振器 (13)3.1.6横向缓冲橡胶止挡 (13)3.2 CRH2型空气弹簧悬挂装置的特点 (13)第4章优化改进后的空气弹簧设计方案 (15)4.1二系悬挂系统设计 (15)4.1.1空气弹簧的支撑方式 (15)4.1.2垂向减振方式的选择 (15)4.1.3空气弹簧气囊大小的选择 (16)4.1.4抗蛇形减振器的选择 (16)4.2存在的问题 (16)4.3改进方案 (17)参考文献 (18)致谢 (19)CRH2型高速列车空气弹簧悬挂装置分析与改进第1章绪论1.1研究背景随着我国高速铁路的快速发展，高速动车组的运营里程日益增加、开行密度不断提高，如何保障高速动车组在高运营强度下的行车安全与可靠性，已成为中国铁路的研究焦点。
空气弹簧悬挂系统作为高速转向架的关键技术之一，在提高动车组动力学性能的同时，对其气动装置复杂、材料非线性、依靠气体流动减振等特点进行分析。
轨道交通用空气弹簧的刚度特性试验 作者：王进 林达文 彭立群 冯文卿 侯海彪 高翔
摘要：空气弹簧是轨道车辆振动控制的关键部件之一，具有减振效果好，质量轻和刚度可调等优点，已广泛应用于铁路客车、地铁、轻轨和动车组上。刚度是表征空气弹簧性能的重要参数，直接反映空气弹簧在静态条件下，承受作用力的能力，所以刚度试验结果的准确性至关重要。随着我国铁路的大面积提速，对车辆运行的稳定性和乘坐舒适性的要求越来越高，因此，如何通过试验来验证空气弹簧产品特性，保证产品质量势在必行。 关键词：空气弹簧；弹性元件；刚度；减振
一 前言 空气弹簧是轨道车辆振动控制的关键部件之一，尤其对高频振动有很好的隔振消声能力。具有质量轻，内摩擦小，刚度和承载能力可调等优点[1]，因此，性能优于一般的隔振器。随着我国铁路的大面积提速，对车辆运行的稳定性和乘坐舒适性要求的提高，我国铁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。 刚度是表征空气弹簧性能的重要参数。静刚度反映空气弹簧在静态条件下，承受作用力的能力，在一定变形条件下静刚度值越大，其承受载荷越大。位移、载荷和内压是影响空气弹簧静刚度的主要试验因素[2]。因此，不同试验方法得到的静刚度的试验结果不同。目前国内空气弹簧产品性能试验的标准有GB/T13061-1991《汽车悬架用空气弹簧试验方法》和TB/T2841-2005《铁道车辆用空气弹簧试验方法》。本文通过参考和借鉴国内外空气弹簧产品的各种试验方法，总结了目前铁道车辆用空气弹簧静刚度的试验方法，并对各种试验方法对静刚度的影响进行了探讨。
二 试验部分 2.1 膜式空气弹簧的结构 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，因此，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[2]。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膜式和自由膜式。约束膜式空气弹簧密封一般用螺栓夹紧密封；自由膜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。
2.2 试验环境 性能试验要求的标准温度为(5~35)℃。由于空气弹簧进行试验时，需充入一定压强的空气，室温变化气囊内压强会随着温度的变化而变化，为保证气囊内压强变化尽量不受温度变化的影响及产品试验性能的稳定，建议空气弹簧试验过程中环境温度应保持在标准温度为（23±2）℃下进行。在不具备条件的实验室进行实验，应记录试验过程中环境温度的变化，以便了解气囊内温度变化对性能的影响。为保证橡胶气囊性能的稳定，产品试样应在硫化后经过24h 以上才能进行性能试验，产品试样试验前应在试验室标准温度为（23±2）℃下停放16h 以上。
2.3 试验设备 FCS5110 多通道协调试验机（北京佛力公司）或专用火车空气弹簧试验机，空气弹簧坐在附加气室上。图2 是 空气弹簧试验装置图。
图2 空气弹簧试验装置图 三、结果与讨论
3.1 伸张试验 将空气弹簧安放在多通道协调试验机或专用火车空气弹簧试验机上，使它保持在设计标准高度状态，并充入压缩空气使之达到标准载荷或内压，断开气源，静置15 分钟以上，让气囊充分变形，并确认无明显压降后才能开始试验。在最大行程内缓慢地伸缩或横向位移五次，测量过程中气囊的最大外径，检查过程中气囊有无异常变形和漏气现象。 伸张试验的目的是确保空气弹簧在垂向拉压和横向偏置时是稳定的并且不会出现负刚度。所以为保证试验过程中温度的平稳性，减少温度变化对试验结果的影响，建议采用10mm/min 的试验速度。
3.2 垂向静刚度试验 刚度是表征空气弹簧性能的重要参数，垂向静刚度反映了空气弹簧在静态条件下，承受垂向作用力的能力，在一定变形条件下垂向静刚度值越大，其承受垂向载荷越大。位移、载荷和内压是影响空气弹簧垂向静刚度的主要试验因素。研究表明，垂向静刚度随载荷和内压的增加而逐渐增大，随位移的增加而逐渐减小。
垂向静刚度测试的试验过程为：将空气弹簧安放到多通道协调试验机或专用火车空气弹簧试验机上，使其保持设计标准高度，充入压缩空气使之达到标准载荷，确认没有压力降低后，切断压缩空气的供、排气，由标准高度向下压缩到规定位移为止，随后再回到设计标准高度，向上拉伸空气弹簧，拉伸到规定位移为止，再压缩到设计标准高度。以10mm/min 的试验速度进行加载，如此一个载荷、内压、位移关系循环。记录载荷-位移曲线、内压-变形曲线。重复试验5 次，取后2 次试验结果的平均值。
空气弹簧垂向静刚度按公式（3）计算： Kvs = (F+1-F_1)/2δ1…… (3) 式中：Kvs——空气弹簧的垂向静刚度，N/mm； F+1——当空气弹簧压缩δ时的载荷，N； F-1 ——当空气弹簧伸张δ时的载荷，N； δ1 ——空气弹簧自标准高度的垂直位移（压缩、伸张），mm。
具体有两种试验方法，一种是在规定位置上停止30s 后，再进行下一步试验的间歇式试验方法。另一种是连续试验方法，并没有在规定位置上停留。研究表明，前者的试验刚度值显著低于后者。 图3 和图4 分别是某种规格的空气弹簧的载荷-位移曲线。试验结果表明，在其位置上保持30s 的结果为311.0N/mm，而加载和卸载过程连续的结果为365.4N/mm，前者明显小于后者。所以，在试验过程中一定注意试验方法的选取。
3.3 水平静刚度试验 水平静刚度试验是测定空气弹簧水平方向静态情况下的特性参数。试验方法是将空气弹簧安放到多通道协调试验机或专用火车空气弹簧试验机上，保持在中立位置（水平位移为零、设计标准高度状态），充入压缩空气使垂向载荷为标准载荷，确认没有压力降低后，切断压缩空气的供、排气，记录此时的空气弹簧载荷和内压。由中立位置向水平方向移至最大可能的位置，再回到中立位置，然后再向水平方向的另一侧位移至最大可能的位置，再回到中立位置。在位移过程中，每位移10mm 位置上停止30s 后，测定该位置的空气弹簧水平载荷。重复试验5 次，取后2 次试验结果的平均值。水平静刚度按公式（4）计算。
Khs=(F’+1 - F’-1)/2δ’ （4） 式中： Khs ——空气弹簧的水平静刚度，N/mm； F’+1——当水平位移δ’时的空气弹簧水平反力N； F’_1——当水平反向位移δ’时的空气弹簧水平反力N； δ’——自中立位置的水平位移（左、右），mm。
3.4 垂向动刚度试验 空气弹簧是在动态条件下使用的，所以必须检查其动态性能。垂向动刚度试验有简谐振动和受迫振动两种方法，下面介绍受迫振动方法。试验前按照垂向静刚度试验要求安装好，在空气弹簧的上面予以规定振幅，频率为0.5Hz～4.0 Hz 范围进行受迫振动。在各种振幅和频率下进行动态试验，观察试验曲线直到该状态曲线稳定重复性好，记录空气弹簧的载荷-位移曲线。 动刚度的计算方法主要有2 种： （1）积分法。 Kd = (Fmax – Fmin)/(δmax –δmin) 式中：Kd——动刚度，N/mm； Fmax——最大载荷，N； Fmin——最小载荷，N； δmax——最大位移，mm； δmin——最小位移，mm。
（2）相关法。 Kd = Famp /δamp 式中：Kd——动刚度，N/cm； Famp——规定振幅下的载荷幅值，N； δamp——规定振幅，cm；
积分法包括了所有干扰数据，适用于非线性或干扰影响严重的情况。而相关法没有考虑干扰影响，只考虑基本频率，所以适用于干扰影响可以忽略或在高频、低振幅的情况下。 由图5 空气弹簧的动刚度曲线可见，载荷最大点与位移最大点并不重合，同理载荷最小点与位移最小点也不重合。根据积分法得到Kd =(9320 – 8260)/15 = 706.7 N/mm；根据相关法得到Kd =（9249 – 8325）/15 = 616 N/mm。
可见2 种方法的计算结果偏差超过10%。目前，国内软件的动刚度计算一般采用相关法。所以GB/T13061-1991《汽车悬架用空气弹簧试验方法》和TB/T2841-2005《铁道车辆用空气弹簧试验方法》都根据公式（5）计算动刚度：
KHd = (F”+1-F”-1)/2δ” （5） 式中：KHd——空气弹簧垂向动刚度，N/mm； F”+1——当垂向峰值位移δ”时空气弹簧垂向载荷，N； F”-1——当垂向谷值位移δ”时空气弹簧垂向载荷，N； δ”——垂向振幅（拉、压位移），mm。 但是，由于空气弹簧为非线性减振器，必须考虑粘弹性对产品性能的影响，所以，建议采用积分法进行计算。
3.5 水平动刚度试验 按照水平静刚度试验要求安装好，将空气弹簧自中立位置作水平振幅10mm 的受迫振动。振动频率由0.5Hz 至1.5Hz 范围，在各种振幅和频率下进行动态试验，观察试验曲线直到该状态曲线稳定重复性好，记录空气弹簧的载荷-位移曲线。水平动刚度的计算方法可以参考上述垂向动刚度的计算方法。目前国内标准仍按公式（6）计算：
KHd= (F”+1-F”-1)/2δ” （6） 式中：KHd——空气弹簧水平动刚度，N/cm； F”+1——当水平位移δ”时空气弹簧水平反力、N； F”-1——当向相反一侧位移δ”时空气弹簧的水平反力，N； δ”——自中立位置的水平位移（左、右各10mm），cm。
由于国内铁道车辆用空气弹簧的研制工作还处于初级阶段，对于动
