我国高速铁路运行速度的不断提升和密集高速铁路网的蓬勃发展对高速动车组的行车安全性与稳定性提出了更高的要求,空气弹簧悬挂系统由于其优良的缓冲与减振特性,一直以来都是高速动车组转向架的核心技术之一,直接影响着车辆的运行平稳性与安全性。因此,高速动车组空气弹簧特性建模的研究与发展对车辆动力学特性的研究具有重要意义,并能更好的满足动车组高速行驶下旅客对乘坐舒适度的要求。鉴于目前空气弹簧动力学模型中无法忽略的橡胶气囊材料的影响因素,且应当考虑空气弹簧在高速动车组联合仿真下的垂向与横向耦合特性,本文深入研究了空气弹簧橡胶材料的本构关系,表征了橡胶材料的粘弹性力、摩擦力与线弹力等非线性特性因素,并与空气弹簧的气动力学特性加以结合,最终建立了空气弹簧垂向-横向耦合动力学模型,基于该模型探究了空气弹簧特性对车辆运行平稳性、行车稳定性与安全性的影响。为了计算出空气弹簧的气动参数,使其应用于空气弹簧的动力学模型搭建中,因此,分析了空气弹簧在变形下的接触、流-固耦合以及橡胶超弹性材料等非线性因素,分别对空气弹簧的橡胶气囊、节流孔、附加气室建立了有限元模型,基于实测数据验证了该模型的准确性,总结出气动参数与加载位移之间的函数关系,并探究了空气弹簧不同状态下的扭转刚度特性。结果表明:静态扭转刚度随着扭转弧度的增大而大幅度降低,且随着压强的增大,扭转刚度值增大;动态扭转刚度与空气弹簧内压和频率有关,内压越大,刚度越大,频率越大,刚度越大。空气弹簧垂向特性动力学模型的建立能够更好的应用于车辆的动力学计算,考虑到空气弹簧垂向非线性特性比较明显,故基于气动力学理论对空气弹簧主气室、附加气室和节流孔特性分别进行了描述,数值计算中使用的参数通过有限元方法辨识得到,建立了空气弹簧垂向气动力学模型。采用分数阶理论对橡胶气囊进行建模,Oustaloup传递函数描述了橡胶气囊的粘弹性阻尼特性,建立了分数阶修正模型,实现对气动力学模型的修正作用。空气弹簧试验验证了修正后的模型,并总结出不同激励振幅、载荷和频率下的空气弹簧刚度与阻尼特性。通过联合仿真计算的垂向平稳性特性表明:修正后的模型较气动模型的垂向平稳性指标降低6%左右。为了优化高速动车组空气弹簧的横向动力学特性,使其满足与整车联合仿真计算,通过分析橡胶气囊在横向变形下的受力状态,推导出了橡胶气囊的变形方程,采用橡胶材料的本构关系对橡胶气囊的摩擦力、线弹力进行了表征,建立了空气弹簧横向非线性模型。基于实测数据和有限元方法辨识了摩擦力、线弹力和动力学参数,试验验证了该模型的准确性,探究了空气弹簧横向刚度特性的影响因素。结果表明:考虑橡胶气囊特性的空气弹簧模型能描述出刚度回滞曲线的两端尖角效应,且与试验曲线更接近;通过联合仿真计算的空气弹簧横向模型能提高列车通过曲线时的计算精度。空气弹簧垂向-横向耦合动力学模型是通过将垂向、横向动力学模型优化而来,能够改善高速动车组的动力学性能,耦合模型的联合仿真表明:直线状态下能够降低车体的垂向、横向平稳性指标与最大加速度值;曲线状态下体现出耦合模型的横向特性不能忽略,横向模型、垂向模型的曲线通过安全性指标虽然满足各方面的限值,但在高速行驶下与耦合模型仍呈现不同程度的差异;不同曲线半径的安全性指标随车速变化较为明显,为保障旅客舒适度体验,高速运行的动车组适合大于7000米的曲线半径。