空气弹簧动刚度性能退化机理表征及试验研究

doi:10.3901/JME.260263

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (15): 397-406.doi: 10.3901/JME.260263

• 机械动力学 • 上一篇

扫码分享

空气弹簧动刚度性能退化机理表征及试验研究

邬明宇¹, 王亚飞¹, 陈俊杰², 钟弘²

1. 上海交通大学机械与动力工程学院上海 200240;
2. 江西理工大学机电工程学院赣州 341000

收稿日期:2025-08-02 修回日期:2025-12-20 发布日期:2026-10-13
作者简介:邬明宇，男，1996年出生，博士，助理研究员。主要研究方向为空气悬架系统动力学与控制。E-mail：wmy_marvin@sjtu.edu.cn;王亚飞(通信作者)，男，1983年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为特种车辆自动驾驶技术。E-mail：wyfjlu@sjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52402516)和智能绿色车辆与交通全国重点实验室开放基金课题(KFY2408)资助项目。

Mechanism Characterization and Experimental Research on Dynamic Stiffness Performance Degradation of Air Springs

WU Mingyu¹, WANG Yafei¹, CHEN Junjie², ZHONG Hong²

1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000

Received:2025-08-02 Revised:2025-12-20 Published:2026-10-13

摘要/Abstract

摘要： 提出了一种基于材料退化与热力学耦合的空气弹簧性能退化机理模型，综合空气弹簧气囊设计参数、材料特性和退化机理等方面，给出模型中各参数精确物理含义及数学表达以适用于不同性能退化程度的空气弹簧动态特性精确预测。设计空气弹簧性能退化疲劳试验和示功测试，结果显示不同程度性能退化下空气弹簧全工况动态特性预测误差小于2.19%，验证了本文理论的正确性。给出了不同关键设计参数对空气弹簧性能退化动刚度的影响，拓展了空气弹簧动态特性维度。进一步，构建非线性退化幅度系数用于定量表征不同振幅区间的刚度衰减差异，揭示了动刚度随加载次数和振幅变化的演化规律，可为空气弹簧全生命周期内动态特性正向开发和设计提供理论支撑。

关键词: 空气弹簧, 性能退化, 动态特性, 疲劳测试

Abstract: A degradation mechanism model of air spring performance based on material deterioration and thermodynamic coupling is proposed, incorporating design parameters, material properties, and degradation mechanisms. Precise physical interpretations and mathematical formulations of model parameters are provided to facilitate accurate prediction of air spring dynamic characteristics across varying degradation levels. Fatigue tests and indicator diagram tests were conducted. The results reveal that under all operating conditions, prediction errors for dynamic characteristics remained below 2.19%, thereby validating the proposed theoretical model. Additionally, the impact of key design parameters on dynamic stiffness degradation in air springs is examined, expanding the framework for evaluating air spring dynamic behavior. Furthermore, a nonlinear degradation factor (NDF) was formulated to quantitatively assess the amplitude-dependent stiffness degradation characteristics. This metric enables in-depth interpretation of the evolution of dynamic stiffness under varying loading cycles and excitation amplitudes, and provides a theoretical basis for the forward design and full life-cycle optimization of air spring dynamic performance.

Key words: air spring, performance degradation, dynamic characteristics, fatigue test

中图分类号:

U461

邬明宇, 王亚飞, 陈俊杰, 钟弘. 空气弹簧动刚度性能退化机理表征及试验研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(15): 397-406.

WU Mingyu, WANG Yafei, CHEN Junjie, ZHONG Hong. Mechanism Characterization and Experimental Research on Dynamic Stiffness Performance Degradation of Air Springs[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(15): 397-406.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.260263

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2026/V62/I15/397

参考文献

[1] 冯桂珍，赵东鹏，李韶华. 基于分数阶的空气弹簧建模及电动汽车主动悬架控制研究[J]. 汽车工程，2024，46(7)：1282-1293+1301. FENG Guizhen，ZHAO Dongpeng，LI Shaohua. Research on air spring modeling based on fractional order and electric vehicle active suspension control[J]. Automotive Engineering，2024，46(7)：1282-1293+1301.
[2] CHEN Junjie，HUANG Ziqi，KANG Sheng，et al. Dynamic characteristic analysis and key parameter optimization of throttling orifice type air damping air spring[J]. Measurement Science and Technology，2024，35(10)：105904.
[3] YIN Zhihong，JIANG Jian，SHANGGUAN WenBin. Complex stiffness model of an air spring with auxiliary chamber considering inertial effects of gas in connecting pipeline[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D： Journal of Automobile Engineering，2023，237(1)：145-158.
[4] 郑益谦，上官文斌. 管路型带附加气室空气弹簧的时域动态特性建模[J]. 振动工程学报，2023，36(06)：1539-1545. ZHENG Yiqian，SHANGGUAN Wenbin. Modeling of time-domain dynamic characteristics of a pipe-type air spring with an auxiliary chamber [J]. Journal of Vibration Engineering，2023，36(06)：1539-1545.
[5] 邬明宇，李雪冰，尹航，等. 空气弹簧动刚度模型关键非线性参数辨识及动态特性研究[J]. 机械工程学报，2022，58(1)：88-96. WU Mingyu，LI Xuebing，YIN Hang，et al. Identification of key nonlinear parameters and dynamic characteristics of air spring dynamic stiffness model[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(1)：88-96.
[6] BEŠTER T，OMAN S，NAGODE M. Determining influential factors for an air spring fatigue life[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures，2019，42(1)：284-294.
[7] TORGGLER J，FAETHE T，MüLLER H，et al. Fatigue assessment of cord rubber composite air spring bellows based on specimen testing and numerical analysis[J]. Journal of Applied Polymer Science，2024，141(37)：e55949.
[8] 李志超，李雪冰，刘万强，等. 轨道车辆空气弹簧疲劳分析[J]. 力学与实践，2015，37(3)：326-331. LI Zhichao，LI Xuebing，LIU Wanqiang，et al. Fatigue analysis of rail vehicle air springs[J]. Mechanics and Practice，2015，37(3)：326-331.
[9] YU Yingjin，YIN Zhihong，LI Jianxiang，et al. Fatigue life analysis methods for rolling lobe air spring[R]. SAE Technical Paper，2024-01-2259.
[10] 孙明武，宋喜权，朱重阳，等. 空气弹簧疲劳分析[J]. 哈尔滨工程大学学报，2024，45(10)：1931-1940. SUN Mingwu，SONG Xiquan，ZHU Chongyang，et al. Fatigue analysis of air springs[J]. Journal of Harbin Engineering University，2024，45(10)：1931-1940.
[11] FANG Yu，SUN Chenghao，ZHU Zhongkui，et al. Failure analysis for air spring systems of urban rail vehicles considering load spectrum[J]. Engineering Failure Analysis，2024，159：107997.
[12] WU Mingyu，YIN Hang，LI Xuebing，et al. A new dynamic stiffness model with hysteresis of air springs based on thermodynamics[J]. Journal of Sound and Vibration，2022，521：116693.
[13] HEINRICH G，KLüPPEL M. Recent advances in the theory of filler networking in elastomers[J]. Advances in Polymer Science，2002，160：1-43.
[14] WU Mingyu，CHEN Zhigang，LIU Dongqing，et al. A theoretical model of amplitude-dependent dynamical stiffness for cord-rubber air springs[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part L：Journal of Materials：Design and Applications，2023，237(2)：425-436.
[15] ZHANG Lu，LIU Hongli，ZHOU Wei. A modified damaged stress model for fatigue life prediction based on load interaction[J]. Heliyon，2024，10(23)：e40357.
[16] 尹航，邬明宇，李雪冰，等. 基于双死区设计的空气悬架高度滑模控制方法[J]. 工程力学，2022，39(1)：209-218. YIN Hang，WU Mingyu，LI Xuebing，et al. Sliding mode control method for air suspension height based on double dead zone design[J]. Engineering Mechanics，2022，39(1)：209-218.
[17] LI Yuru，XIAO Shoune，XIE Junke，et al. Nonlinear dynamic mechanical characteristics of air springs based on a fluid–solid coupling simulation method[J]. Applied Sciences，2023，13(23)：12677.

空气弹簧动刚度性能退化机理表征及试验研究

Mechanism Characterization and Experimental Research on Dynamic Stiffness Performance Degradation of Air Springs

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	陈俊杰, 唐禹洲, 杨树军, 邬明宇. 双层帘线增强空气弹簧橡胶气囊各向异性超-黏弹性本构模型[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 49-59.
[2]	姜凯, 刘志峰, 程强, 陈传海, 张涛. 基于线性多体传递矩阵法的重型机床-地基基础系统(HDMTFS)动态特性研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 357-373.
[3]	钟麒, 黄奕, 徐恩光, 王俊贤, 毛永鑫, 何贤剑, 王军, 杨华勇. 基于电流多阶导数特征的高速开关阀动态特性检测方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(4): 366-376.
[4]	刘英辉, 李善迎, 冯国金, 张浩, 甄冬. 裂纹故障的行星齿轮系统动态特性分析及试验研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(14): 84-96.
[5]	张珂, 高刘旺, 王展, 王子男. 考虑游隙动态变化的全陶瓷轴承打滑行为研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(11): 383-398.
[6]	周长江, 夏宁伟, 方安舒, 侯圣文. 含换相转矩波动的小型伺服驱动系统机电耦合模型及动态特性分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(8): 374-383.
[7]	吕航, 商显赫, 赵长禄, 韩雪峰, 杨占华, 张付军. 弱混车辆分层约束的能量协调控制策略[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 268-276.
[8]	陈东菊, 张璇, 潘日, 孙锟, 范晋伟. 弹性节流器空气静压径向轴承的动态性能研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 74-86.
[9]	寇新俊, 于贺春, 臧立彬, 李广平, 侯月婷, 李鹏, 张国庆, 侯玮杰. 真空环境下微孔节流气体静压止推轴承静动态特性[J]. 机械工程学报, 2025, 61(5): 87-96.
[10]	钟麒, 黄奕, 陈钊杭, 徐恩光, 王俊贤, 何贤剑, 王军, 李研彪, 杨华勇. 高速开关阀动态特性差异补偿方法研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(24): 285-294.
[11]	周荻, 代亮成, 池茂儒, 曾鹏程, 李旭阳, 郑阳. 轨道车辆一系锥形橡胶弹簧垂向幅频变力学模型研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(20): 293-300.
[12]	梁栋, 崔满军, 宋轶民, 石浩昊, 张珺鹏. 新型多驱动模式并联机器人创新设计与建模分析[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 63-77.
[13]	陈文华, 杨定, 陈哲文, 方英春, 钟立强. 长贮环境下高频电连接器接触性能退化规律的研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(14): 344-351.
[14]	杨帅, 姚静, 位腾飞, 张鹏远, 王运昌, 殷航, 丘铭军. 基于响应面法的低功耗数字阀动态响应特性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(12): 344-355.
[15]	孙义忠, 朱才朝, 陶立壮, 熊永强, 常涛. 大型风电机组集成式传动链动态特性研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 106-118.