一種減速與能量轉換機構設計

杜華釗，劉巖，潘良健，蘇國慶，朱玉燕，鄧文鵬

一種減速與能量轉換機構設計

杜華釗，劉巖，潘良健，蘇國慶，朱玉燕，鄧文鵬

（桂林航天工業學院 能源與建筑環境學院，廣西 桂林 541006）

針對目前減速帶對車輛剛性沖擊、強制式降速的弊病，基于懲罰式原理設計了一種智能減速與發電系統，介紹了系統整體結構組成、控制原理及其實現．并應用三維數字化建模技術對能量轉換機構進行了詳細設計，為集成式減速系統提供了新的設計思路和指導方向，具有一定現實意義．

減速帶；能量轉換機構；三維建模

限制機動車行駛速度是交通平靜化的主要策略之一[1-2]．減速帶作為垂直控速的主要交通措施，其設立的初衷是通過影響駕駛人的心理，也就是超速行車通過減速帶時帶來的強烈不舒適感，進而實現被動減速，以增加駕乘人員安全感和對舒適度的期望值[3]．目前主流的減速裝置，如減速丘、減速臺和行道突起等設計均采用半強制式設計，沒有車輛速度的甄別功能；同時，也不具備對不同路段控速的選擇性，如對學校、醫院及住宅小區等不同人流類型和時段要求的場合，無法根據人員通行時段和道路通行需求做出動態調整，明顯地背離了道路交通控速的理念[4]．另外，從以人為本，文明出行的角度看，無論司機遵守交規與否，都要犧牲車輛的速度與燃油經濟性，強制車架振動沖擊，對人員及車輛都帶來較大的傷害．

目前，國內外研究人員提出了非牛頓流體型[5-6]、氣囊式[7-8]和氣筒式減速帶[9]發電裝置．其中，非牛頓流體型對流體的選擇要求較高且參數控制較復雜；氣囊式增設了高壓氣體儲罐與復雜的開啟機構，增加了安全運行的風險，這2種流體型減速帶對包裹材料也提出相當高的要求；氣筒式減速發電裝置的受力條件不合理，受車輛側向沖擊時會產生較大的附加力矩，機構可靠性差．文中提出的系統設計結合應用車輛通行規律和場合特點，整合車速識別、智能警示、場合調節、減速發電等諸多功能，將變角度分塊式減速板與懲罰式原理融入智能化車輛控速中，對進入減速區域已經主動減速的司機，系統以獎勵的方式消除減速帶對車輛造成的傷害，也減少對乘客的影響，以促進司機文明遵章，營造文明、安全出行風尚，具有重要的現實意義．

1 系統工作原理

1.1 系統控制設計

該系統主要由懲罰式減速裝置、警示控制裝置和發蓄電裝置3部分組成，其系統整體控制結構示意圖見圖1．

圖1 系統整體控制原理

該系統實現懲罰式減速的基本原理為：當車輛經過該系統時，用于檢測測速的探測器根據車速判斷其是否滿足該路段的交通控速要求．若滿足要求，控制裝置反饋主控器一個低電平脈沖，主控器觸發聲光顯示模式1，即為綠色屏顯并伴隨悅耳的“文明行車，祝您一路順風”播報音．若車輛超速20%以內，主控器觸發聲光顯示模式2，即為黃色屏顯并伴隨提醒意義的“您已超速，請您規范行車”警示音；同時，控制器激活步進電機動作模式1，帶動減速板整體翻轉10°~15°，體現懲罰式減速的同時，由能量轉換機構帶動發電機主軸轉動，實現發電蓄能．若車輛超速大于20%，主控器觸發聲光顯示模式3，即為紅色屏顯并伴隨“您已嚴重超速，立即減速注意安全”高音警示音；此時，控制器激活步進電機動作模式2，帶動減速板整體翻轉25°~30°，實現懲罰式減速并發電蓄能．

系統整體布置示意圖見圖2．圖中聲光警示牌裝有測速裝置、LED聲光顯示屏；控制箱通過警示控制系統控制步進電機動作，依車速調整減速板動作及張角大小；能量轉換機構采用帶傳動形式，具有無需潤滑、過載保護等優點，益于系統工況的需求；同時扇形密封側壁板和密封土工布降低了工作環境衛生狀況對系統的不利影響．

1.2 系統控速特征

相比目前的傳統減速帶而言，其控速表現及其突出特征為：

1.2.1 系統具有不同路段交通控速的適用性 當系統被安裝在不同路段時，可根據該路段的交通控速和限速要求，調整速度限制，以實現對不同超速違章行為的懲罰．

1.2.2 系統具有不同時段交通控速的可調性 當系統安裝在諸如醫院、學校門前主干道，工廠、小區區域出入口等路段時，可根據人流密集時段、晝夜不同時間調整控速的閾值．通過過街行人按鈕，在保證行人安全通行的前提下，最大限度保證交通暢通．

1.2.3 系統減速板張角可調并實現發電蓄能 系統可根據車流中車型重量不同，結合其超速情況實現角度調節，合理懲罰的同時，保證結構受力合理，并實現發電蓄能以保證系統供電便捷．

1.2.4 系統可與現有交通測速系統結合 對于設置在城鎮測速系統附近的系統，可以直接將測速裝置與現有交通測速系統整合對接，實現數據上傳與對接．

圖2 系統整體布置與局部結構示意圖

注：1 聲光警示牌；2 控制箱；3 步進電機；4 發電蓄電裝置；5 扇形密封側壁板；6 公路路面；7 密封土工布；8 琴鍵式減速板；9 車輛行駛方向；10 嚙合圓周軌跡；11 傳動主軸；12 棘輪齒；13 輔助輪圓周軌跡．

2 能量轉換機構設計

2.1 機構設計

利用Soildworks三維技術對系統建模，并轉化為CAD以便于表述結構關系（見圖3）．

2.2 能量轉換原理

能量轉換機構是整個系統有效運行的核心，對其整體結構形式采用了三維數字化建模的設計方法，具體原理概括為：

2.2.1 分塊式減速板優化機構受力與傳力方式 在該減速帶設計中，摒棄了現有半凸緣型減速帶的對稱式結構設計，優先采用分塊式琴鍵減速板的形式，使車輪均勻、連續地作用于機構，減少對系統沖擊，保證多輛車通過的同時，作用力不對系統造成相互干擾．

2.2.2 分塊式減速板滿足角度可調實現懲罰原則 分塊減速板可通過轉動軸與步進電機聯動，在輔助控制系統下實現減速板角度可調，滿足懲罰式減速基本原理．

2.2.3 連續可靠發電與蓄電 異型同步帶、輔助帶輪與棘輪齒的配合，保證主軸單向轉動．同時，大飛輪與超越式變速器使沖擊性的能量對發電主軸平穩做功，有效保證了發電裝置的安全有效運行．

圖3　能量轉換機構示意圖

注：1 琴鍵式減速板；2 主軸大帶輪；3 大飛輪；4 超越變速器；5 主軸小帶輪；6 發電機軸；7 發電機周帶輪；8 異型皮帶；9 減速板棘輪齒；10 減速板主軸；11 輔助帶輪．

3 結束語

本設計基于懲罰式理念將懲罰式減速裝置、警示控制裝置和發蓄電裝置整合．對系統的工作原理、能量轉換機構作了詳細闡述，并利用三維數字化技術建模，系統設計對道路控速具有重要的參考價值．主要結論：

（1）變角度琴鍵式減速板實現獎懲式原理的同時，優化了受力結構，解決了多車輛（車輪）對減速帶不同沖擊的適應性問題；

（2）異型帶與棘輪機構嚙合，輔助超越式變速器保證發電主軸單向運動、可靠發蓄電；

（3）警示控制裝置與發蓄電裝置的設置提高了減速帶的集成式功能，拓展了其應用場合與實用性．

[1] 韓艷，山程明．減速帶減速原理及其應用[J]．交通工程，2009（6）：16-20

[2] 張蕉蕉，孫根，薛金紅，等．一種新型減速帶裝置的設計[J]．機械制造與自動化，2014，43（3）：32-34

[3] 袁小慧，歸文強．兩種減速帶的減速效果研究[J]．測試技術學報，2018，32（4）：358-362

[4] 崔有正，牟海晶，王世剛，等．基于ANSYS和ADAMS的新型獎罰式智能減速帶升降裝置的仿真研究[J]．煤炭技術， 2017，36（5）：227-229

[5] 張野，張藝惠，劉福平，等．非牛頓流體減速帶的應用研究[J]．信息記錄材料，2019，20（4）：46-48

[6] 荊旭，林靜，鄭志文．非牛頓流體減速帶的改進[J]．公路與汽運，2018（2）：49-50

[7] 唐智．一種利用減速帶的能量回收裝置：中國，103470459A[P]．2013-12-25

[8] 朱建寧．氣囊式減速帶發電系統：中國，207879537U[P]．2018-09-18

[9] 劉鑫．一種利用減速帶進行發電的裝置：中國，108343570 A[P]．2018-07-31

Design of energy conversion mechanism for speed bumps

DU Huazhao，LIU Yan，PAN Liangjian，SU Guoqing，ZHU Yuyan，DENG Wenpeng

（School of Energy and Building Environment，Guilin University of Aerospace Technology，Guilin 541006，China）

Aim to the disadvantages of the speed bumps that rigid impact for the vehicle and the forced deceleration， an intelligent deceleration and power generation system is designed based on the punishment principle．The overall structure， control principle and implementation of the system are introduced， and the energy conversion mechanism is designed in detail by using the 3D digital modeling technology，which provides a new design for the integrated speed bumps and energy conversion mechanism，it has certain practical significance．

speed bumps；energy conversion mechanism；3D modeling

TP21∶U270

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.04.009

1007-9831（2020）04-0043-04

2019-12-01

國家大學生創新創業訓練計劃項目（201911825016）；廣西高等教育本科教學改革工程項目（2019JGB382）

杜華釗（1998-），男，廣東廣州人，在讀本科生．E-mail：2430434473@qq.com

劉巖（1977-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事設備故障診斷與有限元技術研究．E-mail：1300983279@qq.com