1.一般情况及工作原理

空气弹簧悬架是相对钢板弹簧等悬架的一种发展。早在1947年，美国首先在普尔曼汽车上使用空气弹簧，意大利、美国、法国以及日本也相继开展了研究工作。到了1964年，德国生产的55种大中型公共汽车上就有38种装有空气弹簧悬架。当前在国外客车上几乎全部使用了空气弹簧悬架。在中重型货车上，也有近80%采用空气弹簧悬架，如美国的福特、德国的奔驰、日本的尼桑等汽车。部分高级轿车也有采用空气弹簧悬架的，如美国的林肯、德国的奔驰300SE和600等。近年来，特别在一些8×8、10×10、12×12的重型牵引车及其半挂列车上，也相继采用空气弹簧悬架，如美军的M1070+M1000HETS（Heavy Equipment Transporter System）半挂列车，我国泰安特种车公司生产的50T军用半挂列车等，其主车和半挂车都采用了空气弹簧悬架。

我国的公共汽车及客车也普遍采用了空气弹簧悬架，外国公司的气囊及其相关技术也相继进入国内市场，如康迪泰克、格兰莱特以及塞夫等公司。

空气弹簧悬架除弹性元件、减振器、导向机构以及高度调节装置外，还装有压气机、压缩空气容器及其管路等，其车身高度调节装置如图1-54所示。

①当车辆在平直良好的路面正常行驶时，高度调节阀和排气阀处于关闭状态，弹簧既不充气也不排气，车辆高度保持不变。

图1-54 空气弹簧悬架车身高度调节装置

1—车轴 2—空气弹簧 3—连杆 4—车身高度调节阀 5—车架

②当车辆载荷增加时，弹簧被压缩，车身整体下降，高度调节阀的连杆相对于高度调节阀向上运动，并转动摇臂逆时针运动，使充气阀门打开，压缩空气经高度调节阀向气囊充气；车身在气压的作用下开始回升；高度调节阀的连杆也随之向下回落，摇臂顺时针运动，充气阀门的开度逐渐减小，直至重新关闭。此时，车身恢复到原先设置的高度，即气囊回伸到原先的位置。

③当车辆载荷减少时，气囊在腔内压缩空气的作用下伸长，连杆向下运动，摇臂顺时针转动，排气阀门打开，囊中空气排入大气，车身逐渐恢复到设定高度。

空气弹簧由胶囊和充入其内的高压空气组成，囊壁内夹有帘线。空气弹簧分凸台包卷式（Rolling Lobe，也叫膜式）和涡旋式（Convoluted，也叫囊式），如图1-55所示。

凸台包卷式空气弹簧刚度小，在同等气压和尺寸下的承载能力较小，且动刚度较大，适用于轿车悬架；囊式空气弹簧结构简单，制造方便，寿命较长，按其囊数可分为单节式、双节式和三节式，按形状还可分为圆式和椭圆式，但刚度较高，为降低刚度常配有辅助装置，适合大客车及载货车使用。

2.与钢板弹簧悬架的比较

汽车的空载和满载必然带来车轴负荷的变化，特别是挂车和客车的车轴以及载货车的后轴，两种状况下的重量差是巨大的。正因如此，空载和满载的变形差也是巨大的，特别是低刚度的普通钢板弹簧悬架，必须给车桥和车身之间的相对运动留出一个巨大的空间。

如图1-56a所示，钢板弹簧悬架的总变形量s_t等于装载质量的静压缩量s_s加上空载动变形s_ed和满载动变形s_fd，即

图1-55 空气弹簧

a）活塞与气缸 b）涡旋式空气弹簧 c）凸台包卷式空气弹簧

当采用空气弹簧时，车辆用控制臂保持水平，与载荷无关，这就意味着装载质量的静压缩量s_s=0。由图1-56b可知

图1-56 空气弹簧和板簧变形及特性曲线

因此，采用空气弹簧，轮罩空穴仅是动力振动量，也就可以采用低刚度簧来改善舒适性，或在公共汽车上获得低的整车高度（降低质心），或在载货车和挂车上增大载荷空间。

此外，频率尚有差别：空气弹簧内压随载荷改变，满载、空载频率基本不变；而线性的钢板弹簧悬架，频率随载荷变化，即空车跳动剧烈，满载跳动柔和。

图1-57所示为线性钢板弹簧与膜式空气弹簧的比较。钢板弹簧的频率随载荷降低而急剧增加，而空气弹簧的频率不仅低于钢板弹簧，而且在整个载荷范围内近似为常数。同时，钢板弹簧的刚度不随载荷变化，而空气弹簧则随载荷的变化而急剧变化。

图1-57 膜式空气弹簧与线性钢板弹簧的比较

a）刚度比较 b）频率比较(www.daowen.com)

3.空气弹簧悬架的结构形式

从结构形式上看，空气弹簧悬架可分为相关式、独立式以及浮动轴式三种。

①相关式空气弹簧悬架结构简单，便于车辆改装，可提高底盘的通用性。

②独立式空气弹簧悬架可增加弹簧中心距，提高横向角刚度。

③浮动轴式空气弹簧悬架是在轴荷较轻时，为减少轮胎磨损、消除错误导向等而进行整轴提升的机构。它由升降气囊、提升臂、导向机构、空气囊和相应的控制系统等组成。此外，当车辆行经冰雪和泥泞等坏路时，为增大驱动轴的附着，提升浮动轴以使载荷移入可用之处，如图1-58所示。

4.空气弹簧悬架的优缺点

开发空气弹簧悬架的目的，就在于实现低而变化不大的自然频率，使车身高度与载荷无关。实践证明，当今的空气弹簧悬架完全实现了这个愿望，成功取代了钢板弹簧在公共汽车上的独霸地位，提供了载货车空、满载状况下的相同性能，并大大方便了货物的装卸；在小轿车上，也证明了它作为调平车辆辅助元件的价值，它还成功用于轨道式客车，公路、铁路车辆等。

空气弹簧悬架具有低频、等频、等高三大基本优点。

（1）一个柔软的低频悬架

由于消除了空载和满载之间的静压缩量，有足够的空间实现低频，提高了乘坐舒适性：绝大部分的路面冲击被吸收，从而保护了车辆、人员、物资及道路的安全。空气弹簧悬架能使钢板弹簧悬架的频率下降约40%。

图1-58 浮动桥空气悬架

a）保护车辆和道路 b）利用调平系统对接平台 c）连接车身简易迅速 d）提起车轴简易安全可靠

（2）一个恒定而与载荷无关的自然频率和舒适性

水平阀按载荷大小调节空气簧中的空气压力，这意味着弹簧刚度与载荷成比例地改变。这种容积不随载荷改变的“等容积空气弹簧”基本实现了“等频悬架”的要求。

（3）一个恒定的车辆高度

调平系统按设计位置保证了一个与载荷无关的不变的车辆静态高度。车辆总高、装载高度、离地间隙以及前照灯位置等均保持不变。相对于地面来说，车辆总是处于相同的高度，并与载荷无关。即使车辆装载不平，它也能保持水平。车辆在满载状态下，也不压至缓冲块。

此外，空气弹簧悬架还有如下辅助优点：

（1）可手动调整高度

在载货车和牵挂系统中，采用空气弹簧悬架，车身能手动地升高或降低，不要求具有诸如千斤顶之类的附件。借助空气弹簧悬架，可设置一个合适的高度与装卸平台对齐，半挂车和挂车容易挂钩和卸钩，可拆式车身也易于更换。

在轿车日益轻便的设计要求下，更加需要空气弹簧悬架式的可调系统。通过集成电子控制仪器，能够提供适合于运行情况的车辆高度：

①市区运行的标准高度。

②高速公路高速运行时的低阻力高度。

③越野运行时的举升高度。

借助调平系统，车辆能随时与地面保持平行，因此能在各种道路条件下，保持较低的阻力系数。

（2）寿命长，节约材料

空气弹簧的寿命为钢板弹簧的3～4倍，采用空气弹簧还可节约钢材。

空气弹簧的缺点：结构复杂，可能漏气，不能承受侧向载荷，需要装置专用导向机构；由于气囊尺寸较大，弹簧中心距较小，必须装设大尺寸的横向稳定装置。