基于自適應理念的人性化減速帶設計

徐慧杰，付君偉

（312071 浙江省 紹興市 浙江農業商貿職業學院）

0 引言

學校、醫院和居民小區的大門口對應路段過往車輛比較密集，進出行人穿梭不斷，為了避免發生交通事故，交管部門往往會在那些復雜路段設置斑馬線和減速帶，提醒駕駛員注意瞭望限速通過。目前，道路上安裝的減速帶都屬于簡易類型，即通過一條駝峰型橡膠帶或鑄鐵帶人為制造0.03～0.06 m 的路面高低差，這種減速帶存在的最大問題是過往車輛都要感受顛簸后通過，對遵守交通規則限速通過車輛發出多余的提醒，影響車輛行駛的平順性，對違犯交通規則超速通過車輛發出的提醒又不夠強烈，難以督促他們遵守交通規則[1]。為此，有必要研發人性化路面減速帶，根據車輛的行駛速度決定是否制造路面高低差，按照車輛的超速情況對應產生相應的凸起顛簸程度，使限速車輛不會感到顛簸而平順通過，超速車輛感到顛簸后振動通過，提醒駕駛員已經違反交通規則。

1 自適應減速帶的結構形式

按照交通規則，車輛經過學校、醫院和居民小區的大門口對應路段速度應控制在40 km/h 以內[2]。對于大多數遵守交通規則限速行駛的車輛而言，減速帶不必產生提醒作用，優待守法車輛平順通過這一路段，而對于極少數違反交通規則超速行駛的車輛而言，減速帶必須發出強烈提醒，懲罰違法車輛顛簸通過這一路段。為了使減速帶具有這樣的人性化功能，引導駕駛員遵守交通規則控制車速安全駕駛，本文基于自適應理念設計了一款人性化路面減速帶，見圖1 所示。減速帶主要由位于路面下方的基座1 和位于路面開口處的減速帶11 兩大部分構成。減速帶11 背面右端固定棘爪鐵15；背面中部鉸接垂直限位軸13，垂直限位軸13 上端固定垂直彈簧擋圈14，垂直彈簧擋圈14 下面壓著垂直復位彈簧16，垂直復位彈簧16 坐在垂直方向限位板2 上，垂直方向限位板2 中間設有長孔，垂直限位軸13 滑動穿過垂直方向限位板2 中間的長孔，垂直限位軸13在垂直方向限位板2 下面的探出端擰著垂直限位鎖緊螺母17；背面左端鉸接水平限位軸6，水平限位軸6 滑動穿過水平導向圓孔，水平導向圓孔設置在水平導向板3 中間，水平導向板3 向左頂住水平復位彈簧9，水平復位彈簧9 向左壓著水平彈簧擋圈8，水平彈簧擋圈8 向左壓著調節鎖緊螺母7，調節鎖緊螺母7 擰在水平限位軸6 中部，水平限位軸6 再滑動穿過水平限位圓孔，水平限位圓孔設置在水平限位板4 中間，水平限位板4 左側的水平限位軸6 的探出端擰著水平限位鎖緊螺母5。基座1 采用全鋼焊接箱體結構，上面板適當位置設置安裝檢修孔，下面板適當位置設置泄水孔，側壁適當位置固定垂直方向限位板2、水平導向板3 和水平限位板4。

圖1 自適應減速帶的結構形式Fig.1 Structural form of adaptive speed bump

2 自適應減速帶的基本原理

為了設計出人性化減速帶系統，首先要掌握系統中被控對象減速帶運動的數學模型[3]。它的輸入量為車輪撞擊減速帶時提供的推力，輸出量為減速帶的兩種運動形式：沿水平方向滑移或以鉸鏈為軸轉動。水平滑移受到減速帶狀態改變的慣性作用、水平彈簧的復位作用、車輪撞擊的推動作用。繞軸轉動受到減速帶自身的重力作用、車輪的重力作用和垂直彈簧的復位作用。在兩種運動過程中，都不考慮各個運動副間的摩擦阻力[4]。

2.1 減速帶水平滑移運動

減速帶狀態改變的慣性作用可以表示為

式中：F1——減速帶滑移慣性阻力，方向與車輛行進方向相反；m1——減速帶質量；a1——減速帶滑移加速度；v1——減速帶滑移速度；0 表示減速帶初速度為靜止狀態。

水平彈簧的復位作用可以表示為

式中：F2——水平彈簧彈力，方向與車輛行進方向相反；k2——彈性系數，對于選定彈簧屬于常數；x2——彈簧伸縮量。

車輪撞擊的推動作用可以表示為

式中：F3——車輪撞擊減速帶產生的推力，規定為正方向；m3——汽車質量；a3——車輪撞擊減速帶時的加速度；v前——車輪撞擊減速帶前的速度；v后——車輪撞擊減速帶后的速度；Δv3——車輪撞擊減速帶前后的速度變化量。

雖然汽車的質量m3具有較大差異，但是它們撞擊同一障礙物時的作用力F3主要取決于行駛速度v前，這樣行駛速度v前便與減速帶的水平滑移運動建立如下線性關系[5]。

減速帶的水平滑移可以表示為

式中：s1——滑移距離；v1——滑移速度；t1——滑移時間。

在這款減速帶的設計中，滑移距離s1與水平彈簧伸縮量x1相等，滑移距離s1≤0.002 m，棘爪鐵處于懸空狀態。滑移距離s1的最大值為0.02 m；滑移時間t1為小于0.001 s 的極短瞬間，可以看作常量。

要使F1+F2≥－F3成立，即m1·v1+k2·x2=m1·s1/t1+k2·x2≥m3·（v前-v后）=m3·Δv3成立，由于不等式左端基本為固定值，某一行駛車輛的質量m3也大致不變，只有降低行駛速度v前才能實現。而一旦F1+F2<-F3，即m1·v1+k2·x2=m1·s1/t1+k2·x2

2.2 減速帶繞軸轉動

當車輛以限速形式觸及減速帶時，F1+F2≥-F3，減速帶向前的滑移量總是小于0.002 m，棘爪鐵處于懸空狀態，這時減速帶受自身重力以及車輪重力的共同作用足以克服垂直彈簧的復位作用，以水平限位鉸鏈為軸轉動到與路面平齊位置，轉動過程可以表示為

式中：θ——旋轉角度；ω——角速度；t——旋轉時間。

由于ω非常快，θ又很小，這個過程同樣在極短瞬間內完成。

當車輛超速行駛撞擊減速帶時，造成F1+F2<-F3，減速帶向前的滑移量一定超過0.002 m，其背面的棘爪鐵便可以順勢卡到臺階斜面上，減速帶就無法以水平限位鉸鏈為軸轉動，從而制造出路面高低差。自適應減速帶就是按照這樣的原理設計而成的。

3 自適應減速帶的工作過程

無車輛通過時，減速帶11 的工作面為傾斜狀態，與路面形成一定角度θ；有車輛通過時，車輪接觸傾斜狀態的減速帶11，接觸點即切點K。如圖2 所示，車輪沿徑向在切點K 處對減速帶11 產生作用力F，該作用力F 由車輪的垂直重力G 和水平推力F3合成。水平推力F3與車輛行駛速度密切相關。只要車輛在限速范圍內行駛，水平推力F3引起減速帶11 的水平滑移量就會小于0.002 m，棘爪鐵15 不會卡到前面的臺階斜面上，減速帶11 以水平限位鉸鏈為軸轉動到與路面平齊位置，讓車輪平順通過減速帶11，如圖3 所示。

圖2 車輪觸及減速帶受力分析Fig.2 Force analysis of wheel hitting speed bump

圖3 車輛限速通過減速帶的狀態Fig.3 Condition of a vehicle limiting through a speed bump

如圖4 所示，一旦車輛在超速狀態下經過減速帶11，水平推力F3引起減速帶11 的水平滑移量就會大于0.002 m，棘爪鐵15 順勢卡到臺階斜面上，這時減速帶11 無法繞水平限位鉸鏈10 向下轉動，車輪必須爬上減速帶11 的斜坡后落地，使車輛產生強烈顛簸振動。

圖4 車輛超速通過減速帶的狀態Fig.4 Condition of a vehicle speeding through a speed bump

該減速帶安裝前需要對內外所有表面做好防銹處理，鉸鏈和限位軸等運動副做好黃甘油潤滑，按照基座箱體外形尺寸在路面上開出合適的槽位，對應基座的泄水孔位置敷設泄水管與路邊雨水排泄管相連，然后通過澆筑混凝土把減速帶基座箱體固定在路基上，并保證上面板與路面平齊。

4 自適應減速帶的有益效果

通過該減速帶的工作過程分析，可以明顯看出它所具有的有益效果。當車輛在限速范圍內行駛通過減速帶時，減速帶背面右端的棘爪鐵不會卡到臺階斜面上，減速帶可以繞水平限位鉸鏈迅速轉動到與路面平齊位置，讓車輪平順通過減速帶，免除了車輛顛簸的多余提醒[6]，提高了駕乘人員的舒適感。當車輛在超速情況下通過減速帶時，減速帶背面右端的棘爪鐵順勢卡到臺階斜面上，減速帶無法繞水平限位鉸鏈向下轉動，車輪必須爬上減速帶的斜坡后落地，使車輛產生強烈顛簸振動，提醒駕駛員已經違反交通規則，請減速安全行駛。這款自適應減速帶自主判斷車輛是否超速行駛，隨之決定是否發出顛簸提醒，充分體現出人性化特點。在結構選材上，它全部采用鋼鐵制作，基座箱體內外表面做好防銹處理，鉸鏈和限位軸等運動副做好黃甘油潤滑，基座箱體底部設有泄水孔與路邊雨水排泄管相連，使用壽命會大大延長，維護成本顯著降低。該減速帶的基座埋在路基里，四周采用混凝土澆筑震實，確保減速帶穩定牢固，長期使用也不會松動。

5 結語

在城市車流較大、人流密集和交通復雜的區域，安裝自適應減速帶可敦促駕駛員遵守交通規則，減少交通事故，對道路交通安全產生積極影響。