一種新型減速帶裝置的設計

張蕉蕉,孫家根,薛金紅,代菊英

(解放軍理工大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，城市交通迅猛發(fā)展，機動車保有量不斷增大，道路交通安全越來越受到重視。減速帶作為一種強化型道路交通安全設施，在遏制交通事故的發(fā)生方面發(fā)揮了重要的作用，近年來在國內(nèi)也受到了很大的認同。車輛在駛?cè)胍恍╆P(guān)卡隘口及重要地點都要進行限速，減速帶的設置使高速行駛的車輛減速，有效地起到了預防交通事故的作用[1]。但是，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的減速帶設計還存在許多不合理的地方，車輛通過減速帶引起的震動和噪音超標，影響行車舒適性，同時嚴重干擾周邊居民的生活。因此，如何設計減速帶，既能履行其“安全”職責，又能更加舒適，更加人性化，成了亟待解決的問題。

1 國內(nèi)外減速帶研究概況

減速帶技術(shù)在國外已經(jīng)普及數(shù)十年，現(xiàn)采用的減速帶主要有：道釘減速帶、熱塑震動減速帶、水泥臺減速帶、路面凹形槽減速帶、駝峰式減速帶等[2]。日本根據(jù)本國地域的實際情況，廣泛采用熱塑震動減速帶來保證行車安全。英國早在1981年就開始使用減速丘，目前，研究熱點已經(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用最到位最完善的幾個發(fā)達國家之一，在其境內(nèi)到處可見到各類型的減速丘、且設計并不單一。近年來，我國對道路交通安全問題越來越重視，為限制車速保證安全，減速帶的應用得到了更廣泛地普及應用，在一些關(guān)卡隘口及重要地點，如地下停車庫、收費站點、十字路口等都設有減速帶，在降低交通事故方面發(fā)揮了很好的作用，然而一些問題也隨之出現(xiàn)。

2 現(xiàn)有減速帶存在的問題分析

減速帶是為保障行人及車輛行駛安全設計的一種交通設施，其基本功能是在公路的特殊路段(道路出入口、連續(xù)長大坡等交通事故多發(fā)路段)的行車道上設置某種突起設施，當汽車以較高車速通過時，會產(chǎn)生劇烈的機械震動，使駕駛員產(chǎn)生很不舒服的感覺，并預計到會對車輛零件造成損壞，從而使駕駛員自覺、主動降低車速，以達到此類路段行車安全性的目的[4]。現(xiàn)有的減速帶設置基本實現(xiàn)了該傳統(tǒng)功能，但同時引起了一些問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 現(xiàn)在我國城市道路上最常見的是條狀的橡膠減速帶，其寬度為35cm左右，高度在30～100mm之間，這樣設計的減速帶,往往存在過長、過寬、過高等問題，導致車輛頻頻受傷，嚴重時會刮壞發(fā)動機的機油底殼[5]。

2) 車輛通過減速帶時是剛性沖擊式的，即使已經(jīng)減慢車速通過減速帶的車輛，也會有顛簸的感覺，嚴重影響了行車的舒適性；同時，設計不合理的減速帶，在車輛駛過時，產(chǎn)生的震動不僅會對機動車輛的懸掛系統(tǒng)造成很大負擔，影響其壽命，更嚴重威脅到行車的安全。

3) 車輛通過減速帶時，若來不及減速，輪胎通過減速帶時會發(fā)出“咚咚”的聲音，并且隨著車速的增加而增大。尤其是大貨車通過時，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) 車輛在通過減速帶瞬間，對減速帶面板形成較大沖擊，損耗大量機械能，一定程度上造成了能源的浪費。

3 新型減速帶設計

3.1 設計要求

針對現(xiàn)有減速帶設計上的不合理情況，設計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，又能降低車輛通過時的震動，減少顛簸感，提高通過時的舒適性，保護車輛的懸掛系統(tǒng)；同時，能將車輛對減速帶的沖擊能量存儲并利用起來，實現(xiàn)了“噪聲小、安全舒適、綠色環(huán)保”的功能。

3.2 設計思路

在研究減速帶的基礎上，將機械原理與之結(jié)合，綜合利用相關(guān)機械機構(gòu)進行設計。設計一種機械機構(gòu)與減速帶相結(jié)合，當車輛以較高速度駛過減速帶時，利用機構(gòu)慣性作用，使車輛通過的較短時間內(nèi)，減速帶不會有下沉動作，保證原有的作用；當車輛以較慢的速度行駛時，使車輪克服阻尼的時間延長，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，增強汽車通過的平穩(wěn)性；車輛通過后，通過相應機構(gòu)的作用使減速面板抬起恢復原狀。同時設計附屬蓄能裝置，將車輛沖擊減速帶產(chǎn)生的動力傳輸?shù)叫⌒桶l(fā)電機中，進行發(fā)電并用蓄電池進行存儲，儲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 工作原理及整體機構(gòu)

本裝置采用一塊長方形金屬箱，箱子底部與地面固定，箱子的兩壁鉸鏈接四個扇形齒輪。四個扇形齒輪分別與兩個過渡齒輪嚙合，扇形齒輪另一端連接復位彈簧，過渡齒輪與單向離合器、飛輪、增速齒輪組傳動裝置以及電機順序連接，電機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)

裝置整體機構(gòu)如圖1所示。當車輛低速通過減速帶裝置時，會對扇形齒輪上的減速帶面板形成較大且作用時間較長的壓力，從而帶動扇形齒輪嚙合轉(zhuǎn)動，高出地面的減速面板隨之向下轉(zhuǎn)動，高出地面的障礙物消除或高度大大降低，使車輛通過減速面板的顛簸感大為減弱，同時產(chǎn)生的噪聲也減小，加之減速面板上覆蓋的橡膠墊對車輪的沖擊進一步緩沖，保證了低速車輛基本可實現(xiàn)無震動通過，對車輛的懸掛系統(tǒng)也起到了一定的保護作用；而高速車輛通過時，由于速度較快，對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，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感覺，對駕乘者具有減速提醒作用。因此本減速裝置具有對高、低速通過的車輛區(qū)別對待的有益效果；同時還通過在減速裝置中設置單向離合器、飛輪等組成的轉(zhuǎn)動能量輸出機構(gòu)，使其向發(fā)電設備輸出機械動能，將車輛對減速面板的沖擊能量轉(zhuǎn)換成電能，加以存儲利用，更合理地使用能源。

裝置具體動力傳遞圖如圖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)電機圖2 減速帶裝置動力傳遞圖

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、四個扇形齒輪及與其嚙合的小齒輪、單向離合器、飛輪、傳動軸、連接在扇形齒輪下的金屬擋板及復位彈簧組成。扇形齒輪采用嚙合式設計，保證同步升降。扇形齒輪嚙合小齒輪通過傳動軸帶動飛輪轉(zhuǎn)動，利用飛輪慣性實現(xiàn)緩沖。

圖3 工作主體裝置剖面圖

2) 變速傳動裝置(圖4)：主要由增速齒輪組組成。三級增速，通過單向離合器和飛輪，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發(fā)電機進行發(fā)電。

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

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

4 設計創(chuàng)新點

4.1 設計特點

設計時采用嚙合結(jié)構(gòu)更好地實現(xiàn)同步升降，同時模塊化設計便于安裝和自主改進；阻尼系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)相結(jié)合；扇形齒輪和過渡齒輪的結(jié)構(gòu)位置安排合理，傳動機構(gòu)設計構(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計既能對通過減速帶的車輛進行減速又能夠?qū)νㄟ^的車輛減振，減弱低速通過的車輛的震動，能實現(xiàn)基本無震動通過，保護了車輛的懸掛系統(tǒng)。減速面板下的結(jié)構(gòu)設計，能夠使減速面板意外損壞時，保證汽車安全通過。同時，解決了汽車對減速面板的水平?jīng)_擊問題，降低減速面板的損壞率，提高其使用壽命。減速帶傳動系統(tǒng)還運用了單向離合器和飛輪，使車輛在壓過減速帶的時候，收集汽車對減速面板沖擊產(chǎn)生的能量，轉(zhuǎn)化成電能并存儲。

5 結(jié)語

新型減速帶裝置結(jié)合實際需要，將機械原理與減速帶原理相結(jié)合，對現(xiàn)有的減速帶進行了改進。巧妙應用了扇形齒輪、扭簧、增速齒輪組、飛輪等機構(gòu)對裝置進行設計。裝置能區(qū)別對待高、低速通過的車輛，實現(xiàn)了將低速行駛過的車輛對減速帶的剛性沖擊轉(zhuǎn)變成了柔性沖擊，增強車輛通過的平穩(wěn)性，大大減小了震動和噪聲，保護車輛的懸掛系統(tǒng)和周圍環(huán)境。同時，設計的該裝置還能將沖擊能量轉(zhuǎn)化成電能進行利用，滿足“低碳環(huán)保”的理念，對于能源緊缺、油價飆升的今天，其經(jīng)濟和社會價值不可小覷。

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