空气弹簧设计手册

目录

注意：

本文件中的资料只提供相关产品特性和用途的一般指南。其中的材料是通过设计开发、试验和应用而得到，相信是可靠和准确的。但是，Firestone并没有明确或暗示地对这些资料做出保证。任何人使用此文件中的资料及其后果完全应由使用者本人负责。对于具体应用，建议寻求称职专业人员的帮助。 1 优势

3 2 术语 – 空气弹簧和悬架 5 3 空气弹簧型式 7 4 如何使用产品数据单 12 5 应用考虑因素 18 6 基本原理（公式推导） 20

7 计算举例： 空气弹簧和悬架 27

8

计算举例： 使用个人计算机

34

9 保修考虑因素 35

1

发展历史

在30年代早期，Firestone轮胎和橡胶制品公司就开始试验开发应用空气弹簧的潜力。

从1935到1939，几家美国汽车制造商在其汽车上安装了空气弹簧，并进行了大量试验以证明汽车空气悬架系统的潜力。但从未投入生产，因为钢板弹簧有了很大改进，乘坐性能得到显著改进，而其成本却比当时的空气弹簧系统要低得多。

在1938年，美国最大的客车厂家有兴趣在其新设计开发的客车上采用空气弹簧。他们与Firestone的工程师们合作，使第一辆安装空气悬架系统的客车在1944年进行了试验，空气悬架的优异性能清楚地记录在试验文件中。

在50年代早期，经过几年产品开发之后，配备空气弹簧的客车终于投入生产。这也就是Airide® 空气弹簧的成功发展历史。

空气弹簧在客车中的成功应用引起了卡车、挂车及工业减振隔振应用的新兴趣。今天，在道路上行驶的几乎所有客车、8级以上卡车、和许多挂车都已安装的空气弹簧，同时，控制系统设计的巨大进步也进一步开启了汽车应用的大门。

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优势

空气弹簧使车队占据竞争优势的前沿

现代卡车行业的效率比过去任何时候都要高得多。在很多情况下，效率成了是否能生存的决定性因素。所以越来越多的车队指定其新卡车和挂车要配备空气悬架。

文件记载的许多事实都证明，安装了空气悬架的卡车和挂车比钢板弹簧的卡车的挂车发生“磨损和裂纹”故障的情况要少得多。这就意味着，驾驶室和汽车寿命更长、运营成本更低、停运时间更少、车载昂贵电子设备故障更少。

不可忽视的另一个事实是，卡车乘坐性能更佳，这对车载货物也同样重要。配备空气悬架的卡车和挂车的货物破损率比传统悬架车辆的显著降低，货物破损投诉也大为减少。

空气悬架除了上述经济效益之外，司机的舒适性也正在变为所有效益中最重要的效益。雇用和挽留住优秀的司机已成为卡车行业中的主要问题。安装了空气悬架之后，司机驾驶更舒适、效率更高、更不容易疲劳。他们更为高兴。司机们总是优先选择空气悬架。现在他们甚至要求安装空气悬架。 投资空气悬架的车队做出了非常聪明的商务决策。在节约了成千上万美元维修费用和降低了停运时间之后，在空气悬架初始投资的折旧期内就以现金方式收回了投资。多年后，在更换型号时，带空气悬架的卡车和挂车比钢板弹簧的车辆残值也更高。

没有任何设备比空气悬架更能使挂车增值

要想在当前的市场中具有竞争实力，车队必须具有灵活性。他们承担不起让挂车跑空车。安装空气悬架系统之后，车队几乎可以承运任何货物。车队可以在开出去时运出铸钢件，而在返回时运回西瓜或易碎的电子产品。消除提高成本的挂车空载里程。 并且由于载荷在各车桥之间完善分配，所以总是能在法定车桥载荷之内运营。另一个效益是消除“载货移动”。配备空气悬架系统后，车载货物总是保持在装货时的位置。绝不会发生由于装载重量不均匀分配而发生货物移动现象。

空气悬架系统同时因为降低了维修成本和增加了挂车寿命而降低运营成本。

Firestone的Airide® 空气弹簧隔绝了从路面输入的破坏性震动。这就意味着挂车（和拖车头）车轮跳动更小、寿命更长。空载油罐车和平板挂车受的损失要少得多，电气设备、制冷装置、和上铰结装置发生的问题也显著减少…而这不过只提到了一部分效益。另外，门、密封、门闩、合页、电路和灯泡等发生的问题也更少。

事实是，没有任何装置比空气悬架更能使挂车提供更大回报。安装空气悬架的挂车寿命更长、对人和货物提供更软乘坐性能、适于装载各种货物、在车间维修的时间更短、路上行驶时间更长。

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采用FIRESTONE AIRIDE® 空气弹簧的空气悬架厂家比采用其他任何品牌空气弹簧的厂家都多

Firestone在1934年引入Airide空气弹簧时，在汽车工业掀起了一场。从那时起，我公司比世界上其他任何一家空气弹簧厂家都设计和生产了用于更多用途的更多空气弹簧。

我公司全心致力于生产空气弹簧。它们占我公司业务量的90%。我公司销售代表完全了解空气悬架厂家和车队业主的需要。这就是我们为用户提供的技术支持没有竞争对手的原因之一。

但是，真正的考验是道路行驶试验，在实际道路使用中，Airide的优势每时每刻都在世界各地成千上万辆拖车和挂车上接受挑战、受到检验、并被证实。所以我公司的品牌当之无愧地赢得了“世界第一空气弹簧”的美誉。

而这也是越来越多的卡车、挂车、和客车悬架厂家指定采用Firestone Airide优质空气弹簧的原因。

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术语 – 空气弹簧和悬架

压力和计算过程用术语

绝对压力。容器处于完全真空环境中时所承受的内部压力。通常是将表压加上14.7。即：绝对压力 = 表压 + 大气压力。

绝热过程。计算容积、压力、和温度等所有变量的变化时，认为没有任何热交换（这通常不符合真实情况）。 大气压力。在海平面高度下测得的平均空气压力。通常接受的数值为14.7磅/平方英寸（psi）。 等容过程。在所有计算的变量中，容积和温度保持不变，压力改变。这种条件适用于在一段时间内从空气弹簧上增加或减小载荷的情况。

表压。在容器中的空气或流体的压力，即高出于大气压力的部分。一般用布尔登管式压力计按每平方英寸磅（psi）进行度量。

多变过程。所有计算的变量，容积、压力、和温度都因空气弹簧结构的热传导而改变。考虑到这种情况时，在计算中需采用熟知的多变指数“n”。在空气弹簧的计算中，一般接受的数值n = 1.38。

空气弹簧零件术语

缘口。柔性零件的一部分，它把柔性零件的帘布结构锁定在加强金属环的内部，并保证柔性零件与相邻结构连接的气密性。

缘板。封闭柔性零件顶端的金属板。用卷边与柔性零件相连接。其上有螺柱、暗螺母、支架、或销钉，以

便将其固定在汽车结构上。为此组件提供有管接头或与螺柱组合在一起的管接头，以供入空气。回转曲面型空气弹簧在其底部也有一个缘板，既起到密封作用，也是将空气弹簧连接在悬架上的零件。 缘环。一个金属环，在其横截面咬紧柔性零件的缘口，并保证将缘口连接于一个板或其他结构时的密封。

缓冲垫。一般是用橡胶、塑料、或橡胶与帘布材料制造。其用途是当空气弹簧中没有气压、汽车长期不用、或在道路行驶中系统发生故障时用来支承汽车。另外，在车桥受到道路强大冲击力时也可在一定程度上起到缓冲作用，防止Airide® 空气弹簧组件和汽车受损。

夹紧环。靠近无缘口柔性零件端部的金属环带。用来将无缘口柔性零件牢固地夹紧在上盖端和活塞上。

柔性零件。空气弹簧组件中用帘布加强的橡胶零件。

下端密封件。通常是一个杯形金属零件，用来封闭和密封可卷入套管式空气弹簧的下端。经常是模铸硫化在柔性零件中。一般有一个暗螺母，用一个长螺钉将其固定在活塞和/或下安装面上。直径较大的端部密封件可能用多个螺柱直接固定在活塞上。 活塞。空气弹簧组件中的一个金属或塑料零件，通常位于柔性零件的下端，起支承作用，并为柔性零件提供卷入时的支承表面。它也用来将组件固定在安装面上。可用改变活塞的外形的办法来满足特殊空气弹簧特性要求。

上端盖。塑料或金属零件，其上有空气入口，并有将空气弹簧定位和固定在安装面上的装置。空气入口可以与安装螺柱结合为一体。

空气弹簧术语

组件。组件包括柔性零件（柔性零件还可以包括有一个端部密封件）、上缘板、活塞、或带内部缓冲垫

5

的下缘板。参见第8页的图。

组件容积。内部工作空气容积，不包括外部工作容积。

缓冲垫容积。缓冲垫在空气弹簧内部占据的容积。参见第19页表中的缓冲垫容积。

压缩（弹起）行程。空气弹簧动态循环中从正常设计高度减小的行程。

死载荷。空气弹簧承受的最小额定静载荷。即在汽车空载条件下，车桥承受的空载汽车的那部分重量。将此重量除以该车桥的空气弹簧数，并考虑悬架臂杠杆比而得出的数值。

设计载荷。空气弹簧承受的最大额定静载荷。将车桥额定重量除以该车桥的空气弹簧数，并考虑悬架杠杆比，就得到空气弹簧的设计载荷。

设计高度。从性能曲线设计范围内选择的空气弹簧总高度。选择的空气弹簧设计高度应能为建议的悬架提供足够的弹起和回弹行程。设计高度是计算空气弹簧和悬架动态特性的开始点。

动态力。汽车运动过程中某一瞬时空气弹簧支承的或承受的力。正是此不断变化的力确立了空气弹簧的刚性、悬架刚性。这些刚性与汽车正常载荷一起，就确立了悬架系统的自然频率。

有效面积。垂直于弹簧输出力的实际工作面积。此工作面积乘以弹簧中的压力（表压），则得到校正的弹簧输出力。相反，将输出力除以测得的弹簧内部压力，则得到校正的有效面积。在很多情况下，这是得到这些数据的实用办法。

拉伸行程（回弹）。当弹簧处于动态循环状态时，从正常设计高度增加的数值。

与悬架有关的术语

高度传感器。感受悬架位置的电子装置或其他机械装置。此装置输出的信号被送到控制回路中，然后控制回路则通过一个电磁阀向空气弹簧增加空气或从其中放出空气。

高度阀。通过一个连杆感受汽车车架与车桥之间距离的一个气动阀，用增加或降低空气弹簧气压的办法以保持汽车悬架高度不变。

弹簧支承质量自然频率。悬架弹簧承受质量的振动频率。可用每分钟振动次数（cpm）或每秒周数（Hz）表示。

弹簧支承质量（重量）。悬架承受的汽车结构和载货重量。

非弹簧支承质量。不由弹簧承受的悬架部分质量（如：拖臂、车桥和车轮、空气弹簧等）。

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多种型号的四线网层空气弹簧，用于承受更高压力。

空气弹簧的柔性零件都有其识别型号，固化（硫化）时模铸在外层上。例如：16、22、313、1T15M-6等。它们只用于识别橡胶/帘布柔性零件，而不是整个部件。

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空气弹簧类型

柔性零件结构

空气弹簧是一个经仔细设计的橡胶和帘布的柔性零件，内部包容一定容积的压缩空气柱。柔性零件本身并不提供力和支承载荷；这些功能是由压缩空气柱来完成的。

Firestone空气弹簧是经过仔细设计和精密制造的高质量柔性零件，并配置有专门设计的金属端部密闭板。标准的双线网层型号由四层构成。

内衬层。内衬层是砑光橡胶层。 • • •

第一线网层。是帘布加强的橡胶层。线网按特定的斜角布置。

第二线网层。也是帘布加强的橡胶层，其线网斜角与第一层线网的方向相反。 外覆盖层。砑光的橡胶层。

虽然标准型空气弹簧是双线网线，但也可提供

可卷入套管式空气弹簧，带卷边缘板

螺柱。安装螺柱一般是1/2”-13美制粗牙螺纹。

组合螺柱。安装螺柱3/4”-16美制细牙螺纹，带1/4”锥管内螺纹空气入口。

缘板。9号（厚.149”）碳钢板，镀有防锈层。永久性地卷入柔性零件以构成气密组件。从工厂发运之前，全套组件经过气密性试验。

柔性零件。壁厚约.25英寸。详情参见第7页。

缓冲垫（选购）。内部缓冲装置，用于在系统失去空气压力时防止损坏空气弹簧。

密封端板。钢质零件，永久性地硫化模铸在柔性零件中（1T19系列空气弹簧除外）。 活塞。材质可以是铝、钢、或工程复合材料。活塞上的螺纹孔用于将组件固定在安装表面上。

活塞螺钉。将活塞固定在柔性零件的密封端板上。用于安装时，可使用一个长螺钉向上穿过安装表面将其固定在密封端板上。或者用一个短螺钉将活塞固定在端板上。

维修组件

在Firestone可卷入套管式Airide® 空气弹簧上，带密封端板和缘板的柔性零件是一套可单独销售的

密封组件。此组件叫做维修组件，可以不带活塞而单独出售，作为卡车和挂车已有空气弹簧的经济更换件。

回转曲面型空气弹簧，带卷边缘板

缘板。9号（厚.149”）碳钢板。表面镀层及腐蚀。永久性地卷入柔性零件以形成密封组件，组件发运前在工厂中进行气密性试验。

柔性零件。壁厚约.25英寸。详情参见第7页。

缓冲垫（选购）。内部缓冲装置，用于在系统失去空气压力时防止损坏空气弹簧。

平贴空气入口。标准的是1/4” 锥管螺纹，多数零件也可提供3/4” 锥管螺纹。

暗螺母。3/8”-16美制粗牙螺纹x 5/8” 深，每板2或4个，取决于零件尺寸。用于安装零件。

环箍。实心圆钢环或标准的钢丝环，硫化在柔性零件的双回转曲面之间。

注：大多数空气弹簧可提供几种不同的安装选择。所以订购

时不仅要指定型号，还要指明完整的组件订购号（AON）。例如：#22型，（AON）组件订购号W01-358-7410。每个空气弹簧的产品数据单上都印有型号和订购号。

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回转曲面空气弹簧 – 滚压板组件

较大的回转曲面空气弹簧可配置为缘环组件，或永久性连接板（叫做“滚压板”）组件。滚压板组件与缘环组件相比的优点是安装要容易得多，因为它与缘板零件的安装方法相同）。 安装滚压板组件时，必须采用一个与缘板直径相同的背板，板厚不小于1/2”。

Firestone提供有滚压板组件暗螺母和空气入口的位置图。

空气入口。标准的是3/4” 锥管螺纹。

暗螺母。标准的是1/2”-13美制粗牙螺纹x 3/4”深。

上缘板。6号（厚.194”）碳钢板，镀有防锈层。用夹紧环永久性地与柔性零件连接以构成气密组件。从工厂发运之前，全套组件经过气密性试验。

夹紧环。此环卷压在缘板上，将柔性零件永久性地固定在缘板上。也镀有防锈层。

环箍。实心圆钢环，硫化在两个回转曲面之间。

柔性零件。壁厚约.25英寸。详情参见第7页。

下缘板。通常与上缘板相同，只是没有空气入口。

回转曲面空气弹簧 – 缘板组件

安装板。不包括。参见第11页上建议的材料、加工和安装说明。

缘环螺钉。可以是四种型式中的一种，包括在空气弹簧组件中。参见第11页上的表。 螺母和锁紧垫圈。包括在空气弹簧组件中。 柔性零件。壁厚约.25英寸。

环箍。图示为钢丝型，硫化在柔性零件中。

缘环。图示为钢环沉头孔型。也可以是冲压钢环或材质为铝。参见第11页。

维修组件

柔性零件可单独提供作为回转曲面缘环组件的更换备件。

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维修组件

带硫化模铸密封端板的柔性零件可单独提供作为更 换备件。

可卷入套管式空气弹簧 – 缘环组件

安装板。不包括。参见第11页上建议的材 料、加工和安装说明。

缘环螺钉。可以是四种型式中的一种，包括 在空气弹簧组件中。参见第11页上的表。 螺母和锁紧垫圈。包括在空气弹簧组件中。

柔性零件。壁厚约.25英寸。

密封端板。材质为钢，永久性地硫化模铸在柔性零件中（1T19型空气弹簧除外）。 活塞。材质可以是铝、钢、或工程复合材 料。活塞上的螺纹孔用于将组件固定在安装表面 上。

缘环。图示为钢环沉头孔型。也可以是冲压 钢环或材质为铝。参见第11页。

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缘环的四种型式

用缘环安装空气弹簧

采用缘环时，用户需要自己制造安装板。热轧或冷轧钢板经机械加工，粗糙度达250微英寸，或者经端面磨削，粗糙度达32微英寸，可以满足安装面的要求。安装板厚度取决于用途。安装板强度必须足够并有结构件支承，以防止在外力或载荷作用下变形弯曲。柔性零件本身是密封的，所以不需要“O”形圈或其他密封胶。

检查确认柔性零件缘口正确进入缘环中。注意均匀地

依次拧紧螺母，以保证橡胶缘口沿整个缘板圆周正确连接。

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沿圆周依次将每个螺母拧紧一圈，如此循环直到缘环和安装板之间形成均匀连续的接触。

5

将所有螺母拧紧到本页表中的扭矩规格。拧紧过程沿圆周至少要循环两整圈。

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安装

按下述步骤将缘环型柔性零件组装到安装板上： 1

将螺钉穿入已固定有柔性零件的缘环中。

2

将所有螺钉装入缘环中，螺钉须伸出缘环，进入安装板的相应孔中，并能在螺钉上装入锁紧垫圈和螺母。用手拧紧所有螺母，使缘环和安装板之间沿圆周的间隙均匀。可用拧紧螺母的方法把螺钉拉出到位。采用铝缘环时，可能需要用榔头轻敲棱颈螺钉头部以使棱颈部分进入缘环中。 3

如何使用产品数据单

概述

本节说明如何使用Firestone工业产品公司出版的Airide® 空气弹簧产品数据单。

这些数据单叙述了空气弹簧的安装配置、结构、和技术特性。悬架设计人员根据这些资料就可准确计算空气悬架系统的总体性能。

产品数据单也是为新悬架系统选择特定空气弹簧的指南。

零件识别号表示在右上方。除非在零件识别号下加以说明，一般采用标准活塞。 缘板直径。

缘板安装配置和空气入口位置和尺寸。

定位：缘板安装与活塞安装之间的相对位置关系。

在100 psi表压和最小高度下，橡胶零件的最大直径。 活塞体直径。

缓冲垫及其参考零件号。

“B” 尺寸。在100 psi 表压下，安装表面至橡胶卷入下沿之间的距离。 活塞螺纹孔或螺柱的安装配置。

活塞底直径。

组件订购号W01-358-9320的最后四位数字。 组件近似重量。 活塞高度。

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静态曲线

此曲线叫做空气弹簧的静态载荷变形曲线。包括下述参数：

建议的设计位置静态压力。建议的静态工作压力范围表示在曲线的顶部。大多数空气弹簧的静态工作压力范围为10-100 psig（psi 表压）。要求的最小压力是为了防止空气弹簧内部损坏。 载荷表示在右侧纵座标轴上，沿底线横座标表示的是空气弹簧高度。内部容积表示在左侧纵座标轴上。

缓冲垫接触高度表示当缘板与内部缓冲垫接触时受压缩空气弹簧的高度。

最小高度表示空气弹簧在内部缓冲垫发生接触之前的最低压缩位置。

最大回弹高度是空气弹簧在弹性零件受到拉伸力之前的最大伸长位置。必须采取一定的措施防止悬架系统将空气弹簧伸长到超过此最大回弹高度，以免损坏空气弹簧。通常是用减震器来此高度。但也可以采用链条、钢带或限位止挡等办法。

设计位置范围表示建议的静态工作高度范围。对于1T15M-11，此范围是16到20英寸，如曲线图上所示。在此范围之外使用也是可能的，但必须咨询Firestone。

等压曲线表示在保持内部压力不变的条件下，空气弹簧从最大高度压缩至最小高度时的载荷变化曲线。从20 psi表压到120 psi表压按20 psi步长画出了一系列等压曲线。120 psi表压曲线仅作为参考，因为大多数空气弹簧的设计静态压力都在不超过100 psi表压。

容积曲线是在保持内部压力为100 psi表压条件下，空气弹簧从最大高度压缩到最小高度时的容积变化曲线（曲线图中容积是不带缓冲垫的容积）。 曲线图左侧的阴影区（24”到28”）表示空气弹簧正常情况下不使用的区域。不过卸载时车桥回弹的情况除外。不要在此高度范围内使空气弹簧受力。 B-06是试验要求参考号。

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100 PSIG数据表

这是在100 psig（psi表压）等压条件下表示载荷、容积、和尺寸“B”的等压变化曲线数据表。 静态数据表包括下述信息： • •

在每1/2英寸步长增量上的高度。 在每1/2英寸步长增量上的载荷。

• 在每1/2英寸步长增量上的容积（不带缓冲垫）。 •

在每1/2英寸步长增量上的尺寸“B”（从活塞

底部安装表面至橡胶卷入下沿之间的距离）。

所有数据都是在没有缓冲垫情况下计算的。

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动态特性表

动态特性表由下述计算特性组成：

• 在设计位置范围的三个设计高度：最小、中间

和最大情况下的数据。 • 在每个设计高度下的四个载荷。

•

在每个设计高度和载荷下的压力、弹性系数、和自然频率。

所有数据都是在没有缓冲垫情况下计算的。

弹性系数对高度关系曲线

此曲线表示在40 psi表压和100 psi表压两种等压条件下弹性系数随高度的变化曲线。同时也表示了设计位置范围。

曲线可用于指导确定所用空气弹簧可得到的弹性系数范围。

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特定高度和载荷或压力下的弹性系数也可以计算出来。

所有数据都是在没有缓冲垫情况下计算的。

自然频率对高度关系曲线

此曲线表示在40 psi表压和100 psi表压两种等压条件下自然频率随高度的变化曲线。同时也表示了设计位置范围。

曲线可用于指导确定所用空气弹簧可得到的自然频率范围。

特定高度和载荷或压力下的自然频率也可以计算出来。

所有数据都是在没有缓冲垫情况下计算的。

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动态载荷对变形关系曲线

此曲线表示1T15M-11的动态载荷随变形变化的关系曲线。

在空气封闭在空气弹簧中的情况下，拉伸（回弹）或压缩（弹起）空气弹簧即得到此曲线。

每条曲线的开始点在18英寸的中间设计位置高度处，然后按20、40、60、80、和100 psi表压分别进行试验。

从动态载荷座标轴可以看出，在100 psi表压下18英寸设计高度处的载荷约为7,000磅。

当空气弹簧压缩3英寸到达15英寸高度时，载荷增加到约9,800磅，相应的压力增加到约138 psi表压。

当空气弹簧伸长3英寸到达21英寸高度时，载荷减小到约5,200磅，相应的压力减小到约77 psi表压。

计算动态载荷对变形关系曲线上各点数据的方法表示在第51页第7节的动态载荷计算部分。此外，这些计算可用微机进行，如第67-70页第8节所示。

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应用考虑因素

为使Airide® 空气弹簧达到最佳性能和最长寿命，要求正确应用和使用非常重要。

选择空气弹簧考虑因素

空气弹簧设计高度应保持在建议的范围内，以得到最佳性能和寿命。选择的空气弹簧在承受悬架额定载荷情况下，其压力应在80-90 psi表压范围内。这样才能使空气弹簧在应用中达到最佳性能（即：自然频率、尺寸、成本等）。空气弹簧在悬架中的压缩高度不能小于所选择空气弹簧产品数据单上表示的最小高度。

保守地说，空气弹簧在悬架中的伸长高度不能大于所选择空气弹簧的最大延伸高度（参见产品数据单）。

安装考虑因素（回转曲面型空气弹簧）

为达到最大提升力和产生最小水平位移，回转曲面空气弹簧应定位在正常设计高度上，上下缘板的中心应同心。缘板可倾斜一定角度，以便使伸长和压缩行程之间有更好的相互关系，缓冲垫可正确接触。

绝不允许超过最大伸长高度。正常情况下，两缘板之间相互倾斜的角度不应大于20°，但是，在Firestone同意的情况下，某些型号的倾斜角度可高达30°。

安装考虑因素（可卷入套管式空气弹簧）

配置有内部缓冲垫的可卷入套管式空气弹簧在缓冲垫接触高度下，其缘板应与活塞端面平行，误差在3到5° 范围内。一般情况下，活塞倾斜角度已设计为使空气弹簧的伸长和压缩行程之间已设计为能达到良好匹配关系。

没有内部缓冲垫的可卷入套管式空气弹簧，其活塞可

倾斜一定角度，以免在全压缩行程情况下柔性零件被夹在活塞和缘板之间。

可卷入套管式空气弹簧可沿弧线运动，但必须注意防止柔性零件在卷在活塞上时不会在内部发生自相磨擦的现象。

塑料活塞的底面一般情况下应全部受到支承。例外情况应通过Firestone审查。

用于1T15型尺寸或更小型号上的金属活塞可以安装在宽度不小于3英寸的梁臂平面上，此宽度已足以支承活塞的底部圆面积。

缘板应支承在与缘板尺寸相同的背板上。在某些情况下，缘板可以支承在宽度不小于3英寸的梁臂上。这些安装都应征得Firestone的审查。 如果用一个长紧固螺钉把空气弹簧密封端板和活塞夹紧在拖臂上，螺钉级别应高于5级，并按下一页表中所示的扭矩值拧紧。如果活塞倾斜大于5度，则应采取一定措施来定位活塞。

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紧固件拧紧扭矩规格 说明

尺寸 扭矩(磅-英尺)

• 缘环螺钉上的螺母

5/16-24 17-22 • 缘环螺钉和螺母

3/8-24 28-32 • 缘板暗螺母中的螺钉

3/8-16 15-20 • 暗螺母中适配螺柱端

3/8-16 15-20 • 适配螺柱端上的螺母

1/2-13 25-30 • 缘板或暗螺母1/2-13或 上的螺柱

1/2-20 25-30 • 将活塞固定到下安装表面上1/2-13 25-30 的螺钉

• 空气入口螺柱上的螺母

3/4-16 40-45 • 空气入口管座锥管螺纹

≥ 1/4 17-22 • 下安装密封端板上的螺母 3/4-10

45-50

运行注意事项

空气弹簧产生故障的原因很多，包括外部或内部磨擦、过热和过度拉伸。更详细情况请参考第9节保修考虑因素。

一般情况下，整个缘板面都应有支承，但有些缘板也可以直接安装在车架纵梁或其它不能支承全部缘板的安装面上。

温度范围

车用标准空气弹簧的工作环境温度是 -65°F到 +135°F。

缓冲垫

一般情况下，缓冲垫的作用是在系统失去空气压力时支承汽车重量而防止损坏柔性零件。在提升装置提升车桥时，缓冲垫也可作为限位止挡之用。如果要将缓冲垫作为频繁接触的止挡，请咨询Firestone。

缓冲垫体积 体积 缓冲垫号 立方英寸

3073

48.5 3136 8.8 3147 28.5 3155 70.3 3157 93.0 3159 41.0 3162 40.4 3209 65.3 3285 43.4 3294 33.9 3350 19.7 3386 9.4 3404 34.6 3604 37.7 3691 11.3 3777 31.0 4457 48.0 4518 22.1 4519 28.2 49 1.6 7725

32.2

注意：对于特殊缓冲垫应用，请咨询Firestone。

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基本原理

概述

空气弹簧的基本原理是密闭在一个容器中的承受压力的空气质量，利用此空气质量承受外力。空气弹簧能承受的静态力取决于内部压力和容器的配置与尺寸。在本手册中，此容器则定义为Firestone Airide®弹簧或空气弹簧。

动态力是在空气弹簧高度减小（压缩）或增加（伸长）时，其内部压力改变和空气弹簧有效面积改变的结果。

在一定行程下的压力改变数量取决于容积变化量与平衡位置时总容积之比。对于回转曲面空气弹簧，在一定行程下的有效面积变化量取决于总行程范围内行程发生的位置。对于可卷入套管式空气弹簧，活塞形状、相对于柔性零件直径的活塞尺寸、以及柔性零件中帘布线网的配置都对有效面积的变化有影响。

将空气弹簧组件在一定高度下承受的纵向静态力除以该高度下空气弹簧的内部压力（psig），则得到空气弹簧在该高度下的有效面积。此方法可用来计算动态弹性系数和自然频率。

有效面积

有效面积是空气弹簧承受载荷的面积。其直径由空气弹簧卷曲弧线曲率半径中心的距离确定。卷曲弧线总是近似于圆弧，因为内部空气压力在各方向是相等的，所以只有处于内部的曲率中心距离才是在垂直方向有效的。对于回转曲面空气弹簧，压缩时有效面积

增加，而伸长时有效面积减小。对于卷入套管式空气弹簧，如果活塞为垂直侧壁，则有效面积保持不变；如果活塞为锥形，则在压缩过程中橡胶零件贴在活塞上时有效面积增加，而在伸长过程中橡胶零件从活塞上提起时有效面积减小。

当装有空气弹簧悬架的汽车处于静止状态下增加或卸去载荷时，则高度控制阀工作，向空气弹簧输入或放出空气以保持设置的空气弹簧总高度不变。也就是说空气弹簧中压力的增加或减小量应正好能提供新载荷所要求的提升力，从而达到新的平衡状态。

回转曲面型 可卷入套管式 空气弹簧 空气弹簧

有效直径的改变 有效直径的改变

有效面积 =

载荷 压力

载荷（支承力）= 压力 x 面积

27

理想气体状态方程式

不流动、比热假定为常数。脚标1和2分别表示初始和最终状态。

P = 绝对压力 T = 绝对温度 V = 总容积 容积不变（等容）过程

P2 T2 P = 1T1

由于柔性零件的内在性质，所以这是一个不能达到的过程，但是在静态条件下，可以根据温度的改变来计算压力的改变。 压力不变（等压）过程

V2 T2V=

1 T1

在动态条件下，保持压力不变的唯一办法就是结合

采用无限小容积。一般情况下，这是没有用处的。 温度不变（等温）过程

P2 V1

P= 1 V2

为达到温度不变，要求运动非常缓慢，这在空气弹

簧的运行中一般是做不到的。

可逆绝热（等熵）过程 PVk = PVk11

22

和：

此过程定义为没有热量输入工作流体或从工作流体输出。是一种理想过程，在空气弹簧中是不能达到

的，但是快速变形过程可认为接近于绝热过程。对

于空气，k = 1.404。

多变过程 PVn

= 常数

此过程通常能代表压力不超过几百磅以下的实际膨胀和压缩过程曲线。给定n的不同数值，并假设比热为常数，可以给出不同的多变过程： n = 1, PV = 常数（等温过程）

n = k, PVk

= 常数（等熵过程） n = 0, P = 常数（等压过程） n = ∝, V = 常数（等容过程）

对于压力不超过几百磅的空气压缩过程，1 < n < k，其主要方程式是： Pn

n

1V1 = P2V2 和

在空气弹簧的动态运动过程中，压力、容积和温度都同时在改变。空气弹簧柔性零件结构也在随不同配置而改变。结果使空气弹簧多变过程指数在1 < n < k范围内变化。不过在正常的车辆运行条件下，一般可接受的数值为 n = 1.38。

注：阴影框 内表示重要公式。

28

空气弹簧动态弹性系数

弹性系数是在平衡位置处的正切斜率。对于小增量变形，弹性系数等于每单位变形的载荷改变。

（对于小变形而言，通过Lc和Le处的弦线斜率可视为平行于L处的正切弦线）。

K = ( Lc – Le ) / ( ∆hc + ∆he )

其中：

K = 弹性系数（每单位变形的载荷）

Lc = 压缩行程的载荷 Le = 伸长行程的载荷 ∆hc = 高度改变，压缩 ∆he = 高度改变，伸长 Lc = Pgc ( Ac )

Le = Pge ( Ae )

其中：

Pgc = Lc 处的表压 Pge = Le 处的表压 Ac = Lc 处的有效面积 Ae = Le 处的有效面积 将 代入 中，并

假设∆hc = ∆he = .5英寸，则得： K = Pgc ( Ac ) – Pge ( Ae )

Pgc = Pac – 14.7

Pge = Pae – 14.7

其中：

Pac = Lc 处的绝对压力 Pae = Le 处的绝对压力 14.7 = 大气压力

现在采用多变气体方程和n = 1.38,

其中：

Pa1 = 平衡位置的绝对压力 V1 = 平衡位置的容积 Vc = Lc处的容积 Ve = Le处的容积 将 代入 中，则得：

现在，将 代入 ，

K = Pgc ( Ac ) – Pge ( Ae )

然后合并同类项，则得到空气弹簧弹性系数的通用计算公式。

29

自然频率

由于空气弹簧具有变化的弹性系数，但其自然频率却基本为常数，所以在评价其特性时计算自然频率是有帮助的。

考虑一个单自由度系统（无阻尼），自然频率的经典定义如下：

注：自振周期（频率往复一周）与数学单摆的周期相同，单

摆长度等于在载荷W作用下弹簧的变形。

f = ω 2π 和 ω2

=

K m 其中：

f = 频率，周/秒

ω = 圆频率，弧度/秒 K = 弹性系数，磅/英寸

m = 质量，磅秒2

/英寸 则：

同时，因为：

m =

W

g 其中：

W = 重量，磅

g = 重力加速度，386英寸/秒2

代入上式，得到：

周/秒

周/分

周/分 一般是将其圆整化为：

其中： K = 弹性系数

W = 重量（载荷）

同时由于：

W

K = de （有效变形） 所以：

有效变形de 没有什么具体的物理意义，但在数学上却有其意义。它的定义是载荷除以弹性系数，可用曲线图形解释如下：

d载荷 e =

弹性系数

载荷 = 弹性系数 x de

注：对于弹性系数不变的弹簧，de 等于从自由高度开始的变形。

30

带杠杆的弹簧质量系统

如果弹簧位于车轮中心线上，则在车轮（车桥）处的弹性系数和频率与只有弹簧（不考虑杠杆）的相同。下面讨论弹簧位于车轮前面或后面时，弹性系数和频率的改变。注意，不论弹簧位于车桥前面还是后面，弹簧至支点的距离总叫“A”。 拖臂式悬架简图 其中：

杠杆比 = LAR

LAR = 至弹簧的距离

A 至车轮的距离 =

B 和：

Ks = 弹簧处的弹性系数

Ls = 弹簧处的载荷

χs = 弹簧处的变形

对于车轮处的当量弹簧：

Kw = 车轮处的弹性系数 Lw = 车轮处的载荷 χw = 车轮处的变形

弹性系数关系式

按绕支点的力矩平衡：

Ls A = Lw B 同时：

载荷 = 弹性系数 x de

解出 Kw

Ls = Ks 将 代入 解出Lw

将 代入

所以：

31

频率关系

从自然频率的推导中可知：

正常化 周/分

和

周/分 其中：

fs = 弹簧处的频率（即如果车轮与弹簧位置重

合时的频率 – 译注） fw = 车轮处的频率 同时从 有：

Ls A = Lw B 解出Ls

将 代入

现在将 式 代入

则得到：

将 式中的fs代入，则得： 即：

f1/2

w = fs (LAR) 也就是说：

基本原理重要公式归纳

气体多变过程定律

32

空气弹簧动态弹性系数

自然频率

考虑杠杆比

28

例如，找出1T15M-11, W01-358-9320在18英寸设计高度处和载荷为7000磅时的空气弹簧弹性系数。参见产品数据单上需要的数据。

在100 psig曲线上的有效面积计算如下：

7146 载荷 2

A1 = = = 71.46 英寸

压力 100 同样计算Ac和Ae：

7146

Ac =

100

7146

Ae =

100

计算举例举例： 空气弹簧和悬架

计算动态弹性系数和频率

空气弹簧行程超过正负1/2英寸，必须用第23页上的公式 计算其动态弹性系数。代入数值如下： 计算中使用的符号：

K = 弹性系数（磅/英寸）

Pa1 = 设计位置处的绝对压力（psia – 磅/平

方英寸，绝对压力）

= 设计位置处的表压（psig – 磅/平方英

寸，表压） A1 = 设计位置处的有效面积（英寸）

2

= 载荷（磅）4 压力（磅/英寸） Ac = 在设计位置以下1/2英寸处的有效面积

2

（英寸）

2

= 载荷（磅）4 压力（磅/英寸） Ae = 在设计位置以上1/2英寸处的有效面积

2

（英寸）

2

= 载荷（磅）4 压力（磅/英寸） V1 = 在设计位置处的内部容积（英寸） Vc = 在设计位置以下1/2英寸处的内部容积

3

（英寸） Ve = 在设计位置以上1/2英寸处的内部容积

3

（英寸）

再计算弹性系数：

32

= 71.46 英寸

= 71.46 英寸

2

2

然后计算7000磅时的压力：

7000

Pg1 = = 97.96 psig

71.46

29

K = 112.66 [ 74.59 – 68.58 ] – 0

现在计算频率：

f = 58.5 周/分

K = 677 磅/英寸

注：这些数值与产品数据单上动态特性表中18英寸和7000磅处的数据相同。

计算动态载荷

第4节中的动态载荷对变形的曲线可用第6节中推导的公式计算出来。最好用下述列表方法进行计算。

行 行 行

配置M-9活塞的1T15M-11是用于本计算中例中空气弹簧。参见产品数据单。 选择条件： 空气弹簧载荷 = 4000磅 设计高度 = 18英寸 找出： 压缩 + 3英寸处的动态载荷 伸长 – 3英寸处的动态载荷

用下述方法确定行 的输入数据（设计状态）：

静载荷：此数据在最接近的等压曲线上找到。在此情况下18英寸设计高度处为60 psig。参考静载

荷变形曲线。

L = 4200磅

高度 (英寸)

静载荷 (磅)

有效面积 容积

(立方英寸) (平方英寸)

绝对压力 (psia)

表压 (psig)

动态载荷 (磅)

过载系数

G

行 是选择的设计状态 行 是压缩 + 3英寸时的数据 行 是伸长 – 3 英寸时的数据

注：对于处在等压曲线之间的载荷，用最接近的等压曲线上的载荷计算有效面积。然后用设计载荷除以有效面积来计算压力。

容积：此数据从100 psig数据表上18英寸高度处取得。

V1 = 1207.立方英寸

有效面积：由60 psig和18英寸高度计算。

2

载荷 = 4200 = 70英寸

29

A1 压力 60

=

表压：设计载荷除以有效面积。

PL 4000

g1 = A = 70

= 57.14 psig

绝对压力：表压 + 14.7 = 57.14 + 14.7 = 71.84 psia 点1处的动态载荷。等于设计载荷 = 4000磅。 将这些数据输入第28页表的相应行中。

现在计算行 的数据（压缩3英寸）：

静载荷：从60 psig等压曲线和15英寸设计高度找到

L = 4200磅 容积： 从100 psig数据表上15英寸高度找出

V2 = 981.62立方英寸

有效面积：由60 psig和15英寸高度的静载荷计算

载荷 4200 A力 = 60 = 70英寸2

2 = 压绝对压力：用多变过程气体定律。

Pa2 = 95.65 psia

表压：绝对压力 – 14.7 Pg2 = Pa2 – 14.7 = 95.65 –14.7 = 80.94 psig 动态载荷：有效面积 x 压力 DL2 = Pg2 x A2 = 80.94 x 70 = 5666磅

过载系数G：动态载荷与设计载荷之比

G = DL2 L = 5666

4000 = 1.42

将这些数据输入第28页表的相应行中。

现在计算行 的数据（伸长3英寸）

静载荷：从60 psig等压曲线和21英寸设计高度找到

L = 4000磅 容积： 从100 psig数据表上21英寸高度找出

V3 = 1419.72立方英寸

有效面积：由60 psig和21英寸高度的静载荷计算

载荷 A = 压力 = 4000 60

= 66.67英寸2

3

30

绝对压力：用多变过程气体定律。

表压：绝对压力 – 14.7 Pg3 = Pa3 – 14.7 = 57.48 –14.7 = 42.78 psig 动态载荷：有效面积 x 压力 DL3 = Pg3 x A3 = 42.78 x 70 = 2852磅

过载系数G：动态载荷与设计载荷之比

DL3 2852

= G = = .71 L 4000 将这些数据输入第28页表的相应行中。

画出动态载荷对高度的一系列点，将给出产品数据单上的曲线，起始点为18英寸高度和60 psig。 全部数据表如下：

行 行 行

高度

(英寸)

静载荷 (磅)

容积 有效面积 (立方英寸) (平方英寸)

绝对压力 (psia)

表压 (psig)

动态载荷 (磅)

过载系数

G

21 18 15

4000 4200 4200

1419.72 1207. 981.62

6.67 70 70

57.48 71.84 95.65

42.78 57.14 80.94

2852 4000 5666

0.71 1.0 1.42

拖臂式悬架系统计算

在卡车和挂车悬架中通常采用拖臂式设计。空气弹簧承受的载荷与车桥（车轮）处承受的载荷不相同。应采用第6节中推导出来的公式。

假设悬架试设计中车桥载荷为20,000磅，采用1T15M-6可卷入套管式空气弹簧，设计高度为13英寸。 在空气弹簧允许最大静压力100 psig情况下，该空气弹簧在13英寸高度时的支承力为7,045磅（参见产品数据单[ W01-358-9082 ] ），现在需要确定要求的拖臂杠杆比，使该空气弹簧能支承车桥设计载荷。

假设非弹簧支承重量为800磅

车桥处载荷Lw = (20,000-800) 42 = 9600磅 采用M – 6，压力100 psig (psi表压)，则： 杠杆比LAR = Lw / Ls = 9600 / 7045 = 1.36

在此例中，采用的工作压力是90 psig。则采用M – 6，工作压力90 psig时，杠杆比应为： LAR = Lw / Ls = 9600 / 6340 = 1.52

31

注：90 psig时的载荷6340磅是用压力比乘以100 psig而得出的，即： (90 / 100) x 7045 = 6340磅。

现在，利用M – 6的最大外径12英寸，并假设车桥直径为5英寸，再加上1英寸间隙，于是计算出第31页图示尺寸“C”如下：

C = (1/2 x 空气弹簧外径 + 1/2 x 车桥外径) + 间隙 C = (12.6/2 + 5/2) + 1 = 9.8英寸

按此方法计算出尺寸“C”，以便使空气弹簧尽可能接近车桥而能在车轮处提供最低的频率（因为空气弹簧在车桥后面）。 现在用LAR = 1.52和C = 9.8计算尺寸“A”和“B”：

LAR = A = 1.52 B + C

B + 9.8 B = B =

B 1.52B – B = 9.8

B = 9.8 / .52 = 18.85英寸

然后计算尺寸A：

A = B + C = 18.85 + 9.8 = 28.65英寸

注意，在由于其它因素决定了尺寸“B”（例如：21英寸）时，则按下面式子进行计算：

LAR = 1.52 = A

B

A = 1.52B = 1.52 x 21 = 31.9

然后检查车桥处的间隙：

C = A – B = 31.9 - 21 = 10.9 大于要求的尺寸9.8

下面是计算例子的结果： • 车桥额定载荷20,000磅 • 车轮处载荷 = 9600磅

•

弹簧处载荷 = 6340磅

• 杠杆比LAR = 1.52

• 支点至弹簧距离 = 28.65英寸 • 支点至车桥距离 = 18.85英寸 • 设计高度 = 13英寸

现在，从上述结果和产品数据单1T15M-6 (W01-358-908) 上的数据可以计算系统特性。 A2

1 = 7045 / 100 = 70.45英寸（在13英寸高度） A2

c = 7050 / 100 = 70.5英寸（在12.5英寸高度） A2e = 7042 / 100 = 70.42英寸（在13.5英寸高度）

V3

1 = 917.41英寸（在13英寸高度）

32

V3

c = 879.31英寸（在12.5英寸高度）

V3

e = 955.30英寸（在13.5英寸高度）

现在计算13英寸高度时的压力：

Pg1 = L1 / A1 = 6340 / 70.45 = 90 psig

空气弹簧弹性系数： Ks = 104.7 [ 74.75 – 66.59 ] – 1.176

Ks = 854.35 – 1.176 = 853.2磅/英寸

空气弹簧频率：

车轮处弹性系数： K2

w = Ks (LAR)

K2

w = 853.2 (1.52) = 1971磅/英寸

车轮处频率： f1/2

w = fs (LAR)

f1/2

w = 68.97 (1.52) = 85 周/分

必须考虑的其它因素（但不限于这些因素）： • 最大伸长 • 最小高度 • 车桥处行程

33

计算举例： 使用个人计算机

（略）

34

保修考虑因素

概述

Firestone空气弹簧设计为提供长期无故障免维护运行。Firestone空气弹簧总是比悬挂系统其它零件如衬套、减震器、高度阀或调压阀等寿命更长。

Firestone的Airide® 空气弹簧保证无材料和工艺缺陷的保修期与用途有关。更换件可由原始悬挂厂家、厂家代表或代理商提供，或者由Firestone空气弹簧分销商提供。更换空气弹簧的劳务费用和伴随费用应由购买者或最终用户负担。

Firestoen工业产品公司提供用于各种汽车悬挂系统的全系列Airide空气弹簧及其更换件。

由于每个空气弹簧都已在工厂经过仔细测试和压力试验，所以绝大多数提前损坏和返回的保修件都发现不是由于产品缺陷所引起，而是由于使用不当或悬挂系统的其它问题所引起的。

用户在安装新的空气弹簧之前，必须仔细检查损坏的原空气弹簧以确定发生故障的原因。如果是由于悬挂系统的问题引起的，则更换了新空气弹簧之后，还会照样发生故障，除非排除了悬挂系统的问题。 后面的资料说明空气弹簧发生故障的类型，目的是帮助用户确定故障原因和应采取的排除措施。

大多数空气弹簧故障是由于悬挂系统缺乏维护或应用不当引起的。下面摘要指出一些不符合保修条件的常见故障。

定位不准

故障现象或情况

• 缓冲垫偏心接触 • 与压缩到底和磨擦情况相同（第37页）

• 衬套磨损 • 安装不正确 可能原因

35

环箍松脱

故障现象或情况

• 柔性零件扭曲变形将环箍拉脱

可能原因

• 在伸长状态和空气压力低的情况下运行

压缩到底

故障现象或情况

• 缘板凹陷 • 内缓冲垫松动 • 环箍区域出现孔（回转曲面型） • 缘板接合区出现孔 • 暗螺母周围漏气

可能原因

• 减震器损坏或故障 • 高度阀故障 • 汽车过载

• 压力调节器设置太低 • 空气弹簧错误（太高）

36

磨擦

故障现象或情况

• 柔性零件侧面磨出孔

• 柔性零件卷过活塞的区域（可卷入套管式空气

弹簧）磨出孔

可能原因

• 结构干涉，如：

- 减震器损坏 - 定位不准 - 空气管松动 - 衬套磨损 • 无空气压力（可卷入套管式） • 外物（砂、石等） • 空气弹簧磨损

圆周割口

故障现象或情况

• 柔性零件在与缘板结合处割口

• 柔性零件在与活塞结合处割口（可卷入套管落

可能原因

• 高压、全伸长状态长期运行 • 在压缩位置受到冲击

37

式）

过度拉伸

故障现象或情况

• 缘板凸起，特别是在暗螺母或螺柱周围 • 柔性零件与缘板脱开 • 暗螺母或螺柱处漏气

• 密封端板（可卷入套管型）处漏气 • 回转曲面型的环箍松脱

可能原因

• 减震器损坏或装错 • 高度阀故障 • 悬架位置太高

• 上止挡（提升桥）故障 • 空气弹簧错误（太短） 38

预防性维护检查表

在汽车定期维修时应检查空气弹簧的下述内容： 警告：在空气弹簧充有气压情况下，绝对不要试图维修空气弹簧。

1

检查空气弹簧外径。检查有无不规则磨损或热裂纹。 2

检查空气管，确认空气管与空气弹簧外径没有任何接触。空气管能很快把空气弹簧磨出孔洞。 3

在空气弹簧处于最大外径情况下，检查其周围间隙是否足够。 4

检查活塞外径上是否有外物积累（在可卷入套管式空气弹簧上，活塞是处于空气弹簧最底部的零件。 5

应保持正确的悬架高度。带空气弹簧的所有汽车都有由汽车厂家设定的特定悬架高度。此高度可在维修手册上找到，应保持在误差不超过1/4” 范围内。此尺寸可在汽车满载或空载下进行检查。 6

高度阀（或高度控制阀）在保持整个空气弹簧系统按要求工作上起着重要作用。必要时进行清洗、检查或更换。 7

检查确认减震器安装正确，并检查是否漏油和端部连接件是否磨损或损坏。如果发现减震器损坏，立即更换。正常情况下，减震器应限位空气弹簧的回弹，防止其过度拉伸。 8

检查所有安装硬件（螺母和螺钉）的拧紧情况。如有松动，则按厂家规格再拧紧。不要过度拧紧。

清洗

同意的方法

同意的清洗剂是肥皂和水、甲醇酒精、乙醇酒精、和异丙基酒精。

不同意的方法

不同意的清洗剂包括有机溶剂、明火、磨擦剂、和直接高压蒸气清洗。

请注意：汽车上空气弹簧的整个检查过程可在几分钟内完成。如果存在上一页（第40页）中存在的任何情况，请采取措施排除，以保证空气弹簧正常工作。从长远观点看，这不仅可以节省时间，还可以节约成本。

39