一種新型減速帶裝置的設(shè)計(jì)

張蕉蕉,孫家根,薛金紅,代菊英

(解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，城市交通迅猛發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量不斷增大，道路交通安全越來(lái)越受到重視。減速帶作為一種強(qiáng)化型道路交通安全設(shè)施，在遏制交通事故的發(fā)生方面發(fā)揮了重要的作用，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)也受到了很大的認(rèn)同。車輛在駛?cè)胍恍╆P(guān)卡隘口及重要地點(diǎn)都要進(jìn)行限速，減速帶的設(shè)置使高速行駛的車輛減速，有效地起到了預(yù)防交通事故的作用[1]。但是，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的減速帶設(shè)計(jì)還存在許多不合理的地方，車輛通過(guò)減速帶引起的震動(dòng)和噪音超標(biāo)，影響行車舒適性，同時(shí)嚴(yán)重干擾周邊居民的生活。因此，如何設(shè)計(jì)減速帶，既能履行其“安全”職責(zé)，又能更加舒適，更加人性化，成了亟待解決的問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)外減速帶研究概況

減速帶技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)普及數(shù)十年，現(xiàn)采用的減速帶主要有：道釘減速帶、熱塑震動(dòng)減速帶、水泥臺(tái)減速帶、路面凹形槽減速帶、駝峰式減速帶等[2]。日本根據(jù)本國(guó)地域的實(shí)際情況，廣泛采用熱塑震動(dòng)減速帶來(lái)保證行車安全。英國(guó)早在1981年就開始使用減速丘，目前，研究熱點(diǎn)已經(jīng)由發(fā)揮傳統(tǒng)的限速作用發(fā)展到了其他科技領(lǐng)域[3]。澳大利亞是道路速度管理措施應(yīng)用最到位最完善的幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家之一，在其境內(nèi)到處可見(jiàn)到各類型的減速丘、且設(shè)計(jì)并不單一。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)道路交通安全問(wèn)題越來(lái)越重視，為限制車速保證安全，減速帶的應(yīng)用得到了更廣泛地普及應(yīng)用，在一些關(guān)卡隘口及重要地點(diǎn)，如地下停車庫(kù)、收費(fèi)站點(diǎn)、十字路口等都設(shè)有減速帶，在降低交通事故方面發(fā)揮了很好的作用，然而一些問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。

2 現(xiàn)有減速帶存在的問(wèn)題分析

減速帶是為保障行人及車輛行駛安全設(shè)計(jì)的一種交通設(shè)施，其基本功能是在公路的特殊路段(道路出入口、連續(xù)長(zhǎng)大坡等交通事故多發(fā)路段)的行車道上設(shè)置某種突起設(shè)施，當(dāng)汽車以較高車速通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的機(jī)械震動(dòng)，使駕駛員產(chǎn)生很不舒服的感覺(jué)，并預(yù)計(jì)到會(huì)對(duì)車輛零件造成損壞，從而使駕駛員自覺(jué)、主動(dòng)降低車速，以達(dá)到此類路段行車安全性的目的[4]。現(xiàn)有的減速帶設(shè)置基本實(shí)現(xiàn)了該傳統(tǒng)功能，但同時(shí)引起了一些問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 現(xiàn)在我國(guó)城市道路上最常見(jiàn)的是條狀的橡膠減速帶，其寬度為35cm左右，高度在30～100mm之間，這樣設(shè)計(jì)的減速帶,往往存在過(guò)長(zhǎng)、過(guò)寬、過(guò)高等問(wèn)題，導(dǎo)致車輛頻頻受傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)刮壞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油底殼[5]。

2) 車輛通過(guò)減速帶時(shí)是剛性沖擊式的，即使已經(jīng)減慢車速通過(guò)減速帶的車輛，也會(huì)有顛簸的感覺(jué)，嚴(yán)重影響了行車的舒適性；同時(shí)，設(shè)計(jì)不合理的減速帶，在車輛駛過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的震動(dòng)不僅會(huì)對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的懸掛系統(tǒng)造成很大負(fù)擔(dān)，影響其壽命，更嚴(yán)重威脅到行車的安全。

3) 車輛通過(guò)減速帶時(shí)，若來(lái)不及減速，輪胎通過(guò)減速帶時(shí)會(huì)發(fā)出“咚咚”的聲音，并且隨著車速的增加而增大。尤其是大貨車通過(guò)時(shí)，發(fā)出的聲響更加明顯，形成了噪聲污染,給附近的居民帶來(lái)了很多的困擾，減速帶成了城市道路上的“擾民帶”。

4) 車輛在通過(guò)減速帶瞬間，對(duì)減速帶面板形成較大沖擊，損耗大量機(jī)械能，一定程度上造成了能源的浪費(fèi)。

3 新型減速帶設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

針對(duì)現(xiàn)有減速帶設(shè)計(jì)上的不合理情況，設(shè)計(jì)一種新型減速帶裝置。既能起到傳統(tǒng)減速帶的降低汽車行駛中的車速的作用，又能降低車輛通過(guò)時(shí)的震動(dòng)，減少顛簸感，提高通過(guò)時(shí)的舒適性，保護(hù)車輛的懸掛系統(tǒng)；同時(shí)，能將車輛對(duì)減速帶的沖擊能量存儲(chǔ)并利用起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了“噪聲小、安全舒適、綠色環(huán)保”的功能。

3.2 設(shè)計(jì)思路

在研究減速帶的基礎(chǔ)上，將機(jī)械原理與之結(jié)合，綜合利用相關(guān)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一種機(jī)械機(jī)構(gòu)與減速帶相結(jié)合，當(dāng)車輛以較高速度駛過(guò)減速帶時(shí)，利用機(jī)構(gòu)慣性作用，使車輛通過(guò)的較短時(shí)間內(nèi)，減速帶不會(huì)有下沉動(dòng)作，保證原有的作用；當(dāng)車輛以較慢的速度行駛時(shí)，使車輪克服阻尼的時(shí)間延長(zhǎng)，使得減速帶面板降低直至與地面平行，從而將車輛與減速帶之間的剛性沖擊轉(zhuǎn)換成柔性沖擊，增強(qiáng)汽車通過(guò)的平穩(wěn)性；車輛通過(guò)后，通過(guò)相應(yīng)機(jī)構(gòu)的作用使減速面板抬起恢復(fù)原狀。同時(shí)設(shè)計(jì)附屬蓄能裝置，將車輛沖擊減速帶產(chǎn)生的動(dòng)力傳輸?shù)叫⌒桶l(fā)電機(jī)中，進(jìn)行發(fā)電并用蓄電池進(jìn)行存儲(chǔ)，儲(chǔ)存的電量可以用于路燈、紅綠燈和路牌照亮，合理利用能源。

3.3 工作原理及結(jié)構(gòu)

3.3.1 工作原理及整體機(jī)構(gòu)

本裝置采用一塊長(zhǎng)方形金屬箱，箱子底部與地面固定，箱子的兩壁鉸鏈接四個(gè)扇形齒輪。四個(gè)扇形齒輪分別與兩個(gè)過(guò)渡齒輪嚙合，扇形齒輪另一端連接復(fù)位彈簧，過(guò)渡齒輪與單向離合器、飛輪、增速齒輪組傳動(dòng)裝置以及電機(jī)順序連接，電機(jī)輸出端連接鉛蓄電池。安裝后的減速帶外形是小斜坡形[6-10]。

圖1 減速帶裝置整體結(jié)構(gòu)

裝置整體機(jī)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)車輛低速通過(guò)減速帶裝置時(shí)，會(huì)對(duì)扇形齒輪上的減速帶面板形成較大且作用時(shí)間較長(zhǎng)的壓力，從而帶動(dòng)扇形齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，高出地面的減速面板隨之向下轉(zhuǎn)動(dòng)，高出地面的障礙物消除或高度大大降低，使車輛通過(guò)減速面板的顛簸感大為減弱，同時(shí)產(chǎn)生的噪聲也減小，加之減速面板上覆蓋的橡膠墊對(duì)車輪的沖擊進(jìn)一步緩沖，保證了低速車輛基本可實(shí)現(xiàn)無(wú)震動(dòng)通過(guò)，對(duì)車輛的懸掛系統(tǒng)也起到了一定的保護(hù)作用；而高速車輛通過(guò)時(shí)，由于速度較快，對(duì)減速面板只有瞬間壓力，不能使扇形齒輪產(chǎn)生有效的大角度轉(zhuǎn)動(dòng)，高出地面的障礙物仍然存在，從而使高速行駛的車輛有明顯的顛簸震動(dòng)感覺(jué)，對(duì)駕乘者具有減速提醒作用。因此本減速裝置具有對(duì)高、低速通過(guò)的車輛區(qū)別對(duì)待的有益效果；同時(shí)還通過(guò)在減速裝置中設(shè)置單向離合器、飛輪等組成的轉(zhuǎn)動(dòng)能量輸出機(jī)構(gòu)，使其向發(fā)電設(shè)備輸出機(jī)械動(dòng)能，將車輛對(duì)減速面板的沖擊能量轉(zhuǎn)換成電能，加以存儲(chǔ)利用，更合理地使用能源。

裝置具體動(dòng)力傳遞圖如圖2所示。

1—扭簧；2—大扇形齒輪；3—小扇形齒輪；4—單向離合器；5—飛輪；6—增速箱；7—發(fā)電機(jī)圖2 減速帶裝置動(dòng)力傳遞圖

3.3.2 各部分具體結(jié)構(gòu)

減速帶裝置結(jié)構(gòu)按照功能不同，可以分為三部分：主體工作裝置、變速傳動(dòng)裝置和蓄能裝置。

1) 主體工作裝置(圖3)：主體工作裝置由覆蓋橡膠、四個(gè)扇形齒輪及與其嚙合的小齒輪、單向離合器、飛輪、傳動(dòng)軸、連接在扇形齒輪下的金屬擋板及復(fù)位彈簧組成。扇形齒輪采用嚙合式設(shè)計(jì)，保證同步升降。扇形齒輪嚙合小齒輪通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，利用飛輪慣性實(shí)現(xiàn)緩沖。

圖3 工作主體裝置剖面圖

2) 變速傳動(dòng)裝置(圖4)：主要由增速齒輪組組成。三級(jí)增速，通過(guò)單向離合器和飛輪，與小齒輪軸相連，將由小齒輪軸輸入的低速轉(zhuǎn)化為高速輸出以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

1—一級(jí)增速大齒輪；2—一級(jí)增速小齒輪；3—二級(jí)增速大齒輪；4—二級(jí)增速小齒輪；5—三級(jí)增速大齒輪；6—三級(jí)增速小齒輪圖4 增速齒輪組

3) 蓄能裝置：主要由直流發(fā)電機(jī)、調(diào)理電路和蓄電池組成。功能是接收來(lái)自增速器的扭矩和速度，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)發(fā)電，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并加以儲(chǔ)存。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

設(shè)計(jì)時(shí)采用嚙合結(jié)構(gòu)更好地實(shí)現(xiàn)同步升降，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)便于安裝和自主改進(jìn)；阻尼系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相結(jié)合；扇形齒輪和過(guò)渡齒輪的結(jié)構(gòu)位置安排合理，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思非常巧妙。

4.2 創(chuàng)新特色

新型減速帶具有一定的創(chuàng)新性，其減速面板的斜面角設(shè)計(jì)既能對(duì)通過(guò)減速帶的車輛進(jìn)行減速又能夠?qū)νㄟ^(guò)的車輛減振，減弱低速通過(guò)的車輛的震動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)基本無(wú)震動(dòng)通過(guò)，保護(hù)了車輛的懸掛系統(tǒng)。減速面板下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠使減速面板意外損壞時(shí)，保證汽車安全通過(guò)。同時(shí)，解決了汽車對(duì)減速面板的水平?jīng)_擊問(wèn)題，降低減速面板的損壞率，提高其使用壽命。減速帶傳動(dòng)系統(tǒng)還運(yùn)用了單向離合器和飛輪，使車輛在壓過(guò)減速帶的時(shí)候，收集汽車對(duì)減速面板沖擊產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化成電能并存儲(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

新型減速帶裝置結(jié)合實(shí)際需要，將機(jī)械原理與減速帶原理相結(jié)合，對(duì)現(xiàn)有的減速帶進(jìn)行了改進(jìn)。巧妙應(yīng)用了扇形齒輪、扭簧、增速齒輪組、飛輪等機(jī)構(gòu)對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。裝置能區(qū)別對(duì)待高、低速通過(guò)的車輛，實(shí)現(xiàn)了將低速行駛過(guò)的車輛對(duì)減速帶的剛性沖擊轉(zhuǎn)變成了柔性沖擊，增強(qiáng)車輛通過(guò)的平穩(wěn)性，大大減小了震動(dòng)和噪聲，保護(hù)車輛的懸掛系統(tǒng)和周圍環(huán)境。同時(shí)，設(shè)計(jì)的該裝置還能將沖擊能量轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行利用，滿足“低碳環(huán)保”的理念，對(duì)于能源緊缺、油價(jià)飆升的今天，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值不可小覷。

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