空气弹簧的分类及特点
近年来，非线性课题一直是各学科的研究前沿，在隔振领域也不例外。随着隔
振设计中对隔振系统各种性能指标要求的提高，迫使人们不断探索新型的隔振器。
非线性隔振器能够自动避开共振，有效抑制振动幅值、隔离冲击，因而受到广泛的
关注。线性隔振器却不能自动避开共振。
非线性隔振器的刚度是随隔振器变形量的不同而变化的，因而由非线性隔振器
组成的隔振系统其固有频率与振动幅值有关。如果隔振器是非线性硬特性的，固有
频率随振幅的增加而上升；如果隔振器是非线性软特性的，固有频率随振幅的增加
而下降。当设备在启动过程中经过共振点时，被隔振设备的振动幅值将出现峰值，
高出静态位移许多倍。随着振幅的迅速增长，由非线性隔振器组成的隔振系统其固
有频率将上升或下降，从而避开共振频率。对于线性隔振器，其刚度值是不变的，
只能通过阻尼作用控制共振振幅。但是过了共振点之后，隔振器的隔振效率因为阻
尼的作用而下降。
此外非线性隔振器还能有效防止冲击。对于非线性硬特性的隔振器其刚度随变
形量的增加而上升，遇到冲击时，簧上载荷的加速度随变形量的增加而增大，因而
在较小的变形下冲击速度迅速降低。对于非线性软特性的隔振器其刚度随变形量的
增加而降低，因而能够起到缓冲作用，但隔振器的变形量较大。在很多情况下不允
许有太大的变形量，就应该选择非线性硬特性隔振器来防止冲击。
根据上述分析，空气弹簧是一种理想的隔振元件。空气弹簧是在柔性密闭容器
中加入压力空气，利用空气压缩的非线性恢复力来实现隔振和缓冲作用的一种非金
属弹簧。它具有优良的非线性硬特性，因而能够有效限制振幅，避开共振，防止冲
击。空气弹簧隔振系统的固有频率可以设计得很低，甚至达1Hz 以下，而橡胶隔
振器的自振频率一般为5-7 H z 。所以空气弹簧的隔振效率比起其它隔振元件高得
多，而且能够隔离低频振动。特别是因为空气弹簧隔振系统容易实施主动控制，作
为一种具有可调非线性静、动态刚度及阻尼特性的隔振元件，空气弹簧的应用越来
越广泛。
1.2 空气弹簧的分类及特点
1.2.1 空气弹簧的分类
目前国内、外对空气弹簧的分类方法很不统一，大致有下列几种：
（一） 按橡胶囊的曲数分类
空气弹簧按橡胶囊的曲数分为单（一）曲，双（二）曲，三曲，……，n 曲，
如图1-3和图1-4所示。随着曲数的增加，刚度变小，空气弹簧隔振系统的固有频
率也相应减小。但这不仅给制造上带来了麻烦，而且还会引起橡胶囊的弹性不稳，
因此一般只使用到4曲。
（二） 按结构型式分类
1. 日本《空气弹簧》一书中的分类：
胶囊型空气弹簧：
轮胎型 [ 图1-3 (c ]
平板型 [ 图1-3 (a、(b ] 耳垂型 [ 图1-4 (b ]
2. 我国的分类：
空气弹簧： 囊式空气弹簧 [ 图1-2、1-3 ]
约束膜式空气弹簧 [ 图1-4 (a ] 自由膜式空气弹簧 [ 图1-4 (b ]
其他
囊式空气弹簧 囊式空气弹簧是由橡胶膜制成的提灯（灯笼）形结构，可以是
一段或由数段串接而成，分别称为单曲、双曲或多曲囊式空气弹簧。在各段之间镶
有金属轮缘，借以承受内压张力的作用。
膜式空气弹簧 膜式空气弹簧的构造是在金属外筒与内筒，或缸筒与活塞之间
放置橡胶膜，通过膜的变形实现整体伸缩。在外筒的内壁与内筒的外壁上预先给出
适当的倾斜或曲面，据此橡胶膜伸缩时可沿该壁面发生变形，受压面积随变形而变
化。这就可以获得在额定高度下很软，而在大位移时变硬的特性，即合适的非线性
弹性特性。膜式空气弹簧又分为约束膜式和自由膜式。
（三） 按角度是否变化分类
1. 只有内角发生变化，外角不发生变化的空气弹簧，称为内角变型空气弹簧；
2. 只有外角发生变化，内角不发生变化的空气弹簧，称为外角变型空气弹簧；
3. 内角和外角都发生变化的空气弹簧，称为双变角型空气弹簧；
4.
内角和外角都不发生变化的空气弹簧，称为不变角型空气弹簧。
(a
(b
(c
图1-3 囊式空气弹簧橡胶囊模型
(a 双曲 (b 三曲 (c
单曲
(a (b
图1-4 膜式空气弹簧橡胶囊模型
(a 约束膜式 (b 自由膜式 1.2.2 空气弹簧的特点
空气弹簧由于其特殊的材料和独特的结构，因而具有金属弹簧和橡胶弹簧所没
有的特点：
1）空气弹簧具有优良的非线性硬特性，能够有效限制振幅，避开共振，防止
冲击。空气弹簧的非线性特性曲线可按实际需要进行理想设计，使其表现为在额定
载荷附近具有较低
的刚度值。
2）由于空气弹簧所采用的介质主要是空气，因而容易实施主动控制。
3）空气弹簧的刚度k 随载荷P 而变，所以在不同载荷下，其隔振系统固有频
率ω几乎不变，隔振效果也几乎不变。
螺旋钢弹簧的载荷P —挠度x 特性曲线如图1-5所示，它是一条直线，即刚度
不变。在承受不同载荷时，螺旋钢弹簧——质量系统的固有频率相差很大，固有频
率计算公式为：
P g
k •=钢ω （1-3）
式中：ω为系统的固有频率（H z ）；钢k 为螺旋钢弹簧的垂向刚度；P 为簧
上载荷；g 为重
力加速度。
载荷P —频率ω曲线如图1-6所示，可以看出：系统固有频率ω随载荷P 的
增加而降低。即：重载时系统固有频率低，轻载时固有频率高。换言之，如果重载
时隔振性能好，则轻载时隔振性能差，二者不可兼顾。
图1-5 螺旋钢弹簧的
载荷——挠度曲线P
图1-6 螺旋钢弹簧的载荷——频率曲线
空气弹簧的载荷P —挠度x 特性曲线如图1-7所示，它是非线性的，就是说垂
向刚度是变化的，且垂向刚度随着载荷的增加而变大。理论和实践证明：空气弹簧
的工作高度不变时，无论轻载还是重载其固有频率几乎不变。空气弹簧的固有频率
计算公式为：
P g
k •=气ω （1-4）
式中：气K 为空气弹簧的垂向刚度。
由式（1-2）知，当载荷P 增加时，气K 也变大，而固有频率ω在数值上基本
不变，如
图1-8所示。所以无论是重载还是轻载都能保证很好的隔振效果。
图1-7 空气弹簧的
载荷——挠度曲线P
图1-8 空气弹簧的载荷——频率曲线
4）空气弹簧的刚度具有可调性，可借助改变气室的容积或内腔压力来改变系
统的刚度。不管载重量多少，都可以根据需要改变空气压力，来调节空气弹簧刚
度，也可以用增加辅助空气室的办法增加其内容积，以减小刚度。
5）对于同样大小的空气弹簧，当内压力改变时，可以得到不同的承载能力。
这使得同一种空气弹簧可以适应多种载荷的要求，因此经济性好。空气弹簧在承受
垂向载荷的同时，也能承受一定横向载荷和传递扭矩。
6）增大空气弹簧的总容积，能降低隔振系统的固有频率，这是空气弹簧独特
的优点。 空气弹簧本体的容积，由于结构空间的大小受到一定的限制，不可能太
大，为降低隔振系统的固有频率，可以设辅助空气室，辅助空气室可以布置在远离
空气弹簧的地方。辅助空气室的容积增大，即增大了空气弹簧的总容积，空气弹簧
隔振系统的固有频率降低。
7）空气弹簧可以利用高度控制阀系统，使空气弹簧在不同载荷下，保持工作
高度基本不变。同样，也可以通过高度控制阀的作用，使空气弹簧在一定的载荷下
具有不同的高度，因而能适应多种结构上的要求。
8）空气弹簧能吸收高频振动，隔音性能极好。
空气弹簧主要是由橡胶囊和空气组成的。在振动过程中，橡胶囊由于伸缩、翘
曲，有很小的内摩擦，所以很难传递高频振动。空气和橡胶不容易传递声音，因此
具有很好的隔音性能。而钢弹簧既容易传递高频振动，又容易传递声音。
9）若在空气弹簧主气室和辅助气室之间设置节流孔，当空气弹簧振动变形
时，主、辅气室之间将产生压力差，空气流过节流孔由于阻力而吸收一部分能量，
因而具有阻尼作用。合适的节流孔径能改善隔振系统的阻尼特性，有效地抑制共振
振幅。
10）空气弹簧重量轻。其本体除了橡胶囊和几乎没有重量的空气以外，就是上
盖和下盖，因此比钢弹簧轻得多。