智能警示可調式減速帶設計與研究

摘 要：鑒于傳統減速帶無法自動調節高低，車輛通過減速帶產生劇烈震動這一問題，本文深入研究道路現應用的幾種限速措施，根據社會實際需要對減速帶進行改進;分析減速帶模型，對智能警示可調式減速帶的電子控制系統、升降機構、電機及減速器等機械結構進行設計。通過設計對超速行駛起到了警示作用，提高了行車安全性，有效解決減速帶對汽車本身造成的磨損和對乘客乘坐時產生不舒適感覺等不良影響。

關鍵詞：設計;限速措施;機械結構

引言

有關部門研究表明車輛行駛速度每增加1km/h交通事故死亡率就會增加3%-5%。為減少超速事故的發生，在限速路段會設置減速帶。減速帶屬于垂直速度控制措施之一，通過改變道路某段的高度或材料，根據心、生理原理強制機動車減速，以達到安全的目的。減速帶的研究與發展對道路的安全起到決定性的重大意義。傳統減速帶無法根據車速快與慢自動調節高度，通過減速帶也會產生劇烈震動感，震動會對汽車減震系統造成一定的傷害，同時震動感會對駕駛員以及乘客帶來不舒適的感覺?；谝陨弦蛩?，在滿足傳統減速帶安全作用的前提下，可從人的心理學和人機工程學等方面對減速帶進一步地創新和研究。

本研究通過監測車輛行車時的速度，自動調節減速帶的高度。車輛速度超過規定安全行車車速，減速帶將會自動升高，使車輛通過時震動感增強，從而警示駕駛員所駕乘的車輛已經超出規定車速線，應及時降低車速安全行駛;相反，車輛的速度在規定車速內，應降低減速帶高度使減速帶與路面平齊，使車輛平穩通過，減少車輛的震動感，提高乘坐舒適性，延長車輛減震器的使用壽命。

1、國內外減速帶研究發展

為了保證道路行駛安全，減速帶在國內外得到廣泛應用。現已研究應用了減速丘、道釘、新型瓦楞形式的減速帶。同時，國外一些國家開始另辟蹊徑，從仿真的角度設計出泥濘、懸崖、行人、障礙物等立體圖，從駕駛員心理上做出有效的判斷從而降低車速，在通過這種無震動感立體圖式減速帶時，還要考慮到駕駛員行駛次數較多時從而忽略這種減速帶，如果真正的突發路況時會引發嚴重的交通事故。

2、 智能警示可調式減速帶設計內容及原理

本設計研究綜合考慮減速帶的減速效果及設計實施的難度，擬采用截面為梯形的減速帶作為本次設計減速帶的結構，并且該減速帶選用耐磨性強、承載重力大且形變量小的鑄造合金鋼替代橡膠作為制作材料，并且在減速帶上面安裝太陽能板從而吸收光能轉化為電能為電機提供能量減速帶結構在收縮時可承載15t左右質量且發生較小形變量;舒展時殼體與地面齊平，減少車通過時所產生的震動感同時仍可承載同樣質量，考慮現有減速帶企業標準，智能減速帶距地高度行程設置為0-50mm。

本設計首先選用Arduino計時用來監測道路上來往車輛的速度信息，通過監測得到的數據信息發送到電腦CPU進行數據處理從而判斷出此車輛是否超速行駛，如超速行駛通過控制器向電機發出信號從而帶動減速機構旋轉，帶動凸輪達到上止點，從而使減速帶殼體能夠提升高度，達到強制減速作用目的，如果沒超速智能減速帶將與地面一平使車輛平穩通過減少震動感。本設計是將兩道光敏電阻電壓安裝在距離智能警示可調式減速帶前15和前5米處的位置，為減速帶的升降和信號的轉換提供充足的時間，讓電腦做出判斷不妨礙其他車輛的行駛。

2.1減速帶殼體設計

由于減速帶采用的是智能可調式減速帶的結構設計，并且減速帶的工作環境較為惡劣，考慮到橡膠材質的穩定性及抗壓能力，所以減速帶殼體是采用鑄造合金鋼作為減速帶的材質，鑄造合金鋼擁有良好的抗壓能力及硬度，足以滿足大部分車輛的通行而不至于壓毀減速帶。考慮到減速帶使用場景大多數是人員較多的小區出入口及學校附近、路口等位置所以本次設計的減速帶長度為4米，基本滿足單行道加上人行道的寬度。

2.2減速帶主要升降機構設計

結合智能可調式減速帶的升降傳動特點，即運動行程較小、結構簡單緊湊且殼體表面無突起裝置，根據減速帶距地高度行程設置，最終選擇凸輪機構作為控制殼體形態變化的主動件。智能可調式減速帶的運動特點為運動過程中受力較小，僅需承受其殼體自身重力即可，但在凸輪達到上止點或下止點時，減速帶靜止但需要承受較大壓力（即減速帶殼體本身重力和所通過車輛重力之和），結合各凸輪機構特點，選擇接觸面積相對較大的平底從動件凸輪機構，在上止點位置達到自鎖效果，選用對心放置方式。

根據凸輪機構的運動要求：當凸輪轉過180°，減速帶殼體上升50mm;當凸輪再次轉過180°，減速帶下降50mm，回到初始位置。選擇45#鋼作為凸輪材料。為了確保凸輪在達到上止點時不至于被減速帶自重及車輛壓毀，暫定基圓半徑r0>110m，根據凸輪轉動，減速帶殼體運動軌跡如圖1所示。

凸輪的運動需要軸做支撐，根據設計的預期要求，即滿足15t左右車重地通過要求，將軸設計為直徑為80mm，為了達到一定的安全系數，材料選擇為鑄造合金鋼。

2.3軸承與軸承座的選擇

軸承作為標準件，為了與軸配合，選取軸承的內徑為80mm，因為軸承的工作環境較差，為防止異物進入軸承，導致軸承損壞，并且因為軸承所要承載的重力比較大，所以選擇兩面帶防塵蓋的雙列角接觸球軸承。選取與軸承配套的軸承座用以固定軸承，為了保證在車輛接觸減速帶瞬間軸承的穩定，選取二螺柱立式軸承座。軸承的材質選取軸承鋼，軸承座的材質選為45#鋼。

2.4聯軸器結構設計

聯軸器是連接凸輪軸與減速機的主要零部件，因此在進行結構設計時要考慮到減速機輸出的扭矩的大小，同時還要考慮減速機輸出軸與凸輪軸的尺寸以便于使用聯軸器進行連接，因為凸輪軸的直徑為80mm，所以選取聯軸器輸出端的內徑為80mm。為了便于聯軸器的安裝，聯軸器的另一端也選取內徑為80mm，材質選為45#鋼。

2.5電機及減速器結構設計

在本文的設計中，電機作為智能可調式減速帶的動力來源，只需電機及減速機輸出的扭矩能夠克服減速帶殼體及凸輪軸自身重力產生的扭矩之和。當減速帶升起后，凸輪軸就可以自鎖。因此綜合上述原因，選取斜齒三相異步電機及減速機以傳遞較大的扭矩，電機及減速機的材質選為45#鋼。

2.6系統軟硬件控制設計

系統采用STM32F103C8T6單片機作為控制核心，將測速的數值進行比較分析：如果值大于40km/h，則發出指令，使三相異步電機旋轉帶動凸輪軸旋轉使減速帶升起。當車輛通過減速帶后，帶動凸輪軸旋轉使減速帶下降至平鋪狀態;若值小于40km/h，則不作動作與地面平齊。

結論

本設計研究在傳統減速帶的基礎上引入了電子控制系統，增加了機械傳動機構，在獲取車速信號后通過電機驅動機械傳動機構自動調節減速帶高度，實現了減速帶結構及控制方面的創新。更好地服務于人們日常使用，滿足了應用需求，設計構思合理、結構緊湊、經濟性較好，優化與改造空間大，具有較廣闊的推廣空間和應用價值。

作者簡介：

魏宇（1997-10-），男，籍貫：黑龍江省齊齊哈爾市泰來縣，本科，? 哈爾濱劍橋學院汽車與機電工程學院，研究方向：汽車服務工程。

基金項目：2020年黑龍江省大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：202013303007）