一種防止汽車逆行減速帶的設計

劉建剛，杜風嬌，王朝波

(武夷學院機電工程學院，福建南平 354300)

0 引言

普通的減速帶已經廣泛使用在我國道路上，但是還缺少防止車輛逆行功能，艾佳等人[1]設計了一款多功能減速帶，該減速帶主要是用來裝載兩個阻攔板并使得兩個攔截板間擁有一定的活動空間，兩個阻攔板分別是短擋板和長擋板，兩攔截板是由性能優良、強度較好且易恢復的金屬制成。可以在過往車輛碾壓和阻攔車輛時產生的形變減小。前板較厚較短主要用來阻擋車輛后輪，后板較長主要用來支撐前板。吳子英和位強[2]將雙穩態振動能量發電裝置引入到減速帶結構中，提出了一種雙穩態減速帶振動能量捕獲裝置，建立了其力學模型和控制方程。郝大寧[3]設計了一種減速帶振動能量回收裝置,該裝置利用兩個單向軸承將減速帶的下降和上升的運動轉換為單向運動,使用行程開關控制離合器接合分離進而控制恒力渦卷彈簧發電時間,達到定時發電和產生穩定電流并回收能量的目的,提高能量使用率。葉偉等人[4]設計了一種可變通行方向的減速帶,可根據需要任意改變道路車輛的通行方向。該減速帶利用機械的不同形態來控制不同的運動。羅準等人[5]設計了一種新型減速帶,可以根據汽車速度的不同實時調節緩沖力度,同時還具有發電的功能,該減速帶將汽車行駛過程中對減速帶的壓力勢能通過轉化收集儲存在蓄電池內,通過LED燈在夜間光線弱的情況下提醒司機,避免了車輛的強烈震動影響駕駛的安全性和舒適性。姚明等人[6]構建了汽車懸架模型與振動減速標線-車速耦合激勵模型，以車輛懸架由減速標線激勵產生的垂直方向加速度均方根值為評價指標,采用Simulink對車輛以一定速度通過減速標線時的振動激勵特性進行了仿真分析。劉金等人[7]設計了一款在減速帶上安裝有減震軸,使得減速帶不僅具有減速的功能,還能通過減震軸減輕車輛的震動幅度,防止車輛內零部件受到損傷,保護了車輛安全,提高了騎行的舒適感。

本文作者設計了一款防逆行減速帶，不僅可以讓符合交通規定車輛通過時減速慢行，而且還可防止不按交通法規逆行的車輛通行。其原理為安裝在減速帶上的一排三角形錐齒。車輛按正確方向行駛時，輪胎可以把錐齒壓進減速帶的凹槽中順利通行，車輛逆行減速帶上面立起的錐齒則會直接扎破輪胎，使輪胎漏氣而導致車輛不能行駛。該減速帶可使用在規定為單向行駛的特殊路段(小區、學校等交通事故易發地)，防止汽車逆行。

1 理論計算

該減速帶由減速帶外殼、錐齒、錐齒桿、彈簧組成，如圖1所示，3個錐齒桿并列安裝在錐齒桿上，彈簧安裝在錐齒及減速帶殼體上受拉伸，使得錐齒在正常行駛的車輛順利通行后復位。逆行方向如圖1所示，A至B方向行駛時，錐齒發生自鎖，阻止逆行車輛行駛，當車輛行駛方向由B至A時，錐齒受車輛輪胎壓力順時針旋轉至減速帶殼體之下，致使車輛順利通行。減速帶三維模型如圖2所示。

圖1 減速帶裝配圖

圖2 減速帶三維模型

1.1 汽車順行時的受力分析計算

如圖3所示，半徑為r的汽車車輪以速度v正向通過減速帶時，車輪會對減速帶的錐齒斜面產生大小為F的壓力，迫使減速帶的錐齒沿著旋轉中心O逆時針旋轉，如圖3中ω轉動方向所示，從而實現錐齒被壓入減速帶凹槽，保證車輛正向通過時不會被錐齒扎破輪胎。在車輪將錐齒壓入減速帶凹槽的過程中，錐齒所受彈簧的拉力可以忽略不計，因為輪胎對錐齒的壓力F?F彈。汽車通過減速帶之后，被壓入減速帶凹槽的錐齒會在彈簧的拉力下重新立起。

圖3 車輛順行時受力分析

1.2 汽車逆行時自鎖分析計算

如圖4所示，當汽車在減速帶上逆向行駛時，汽車的車輪會壓向立起的錐齒，錐齒將受到來自車輪圓心O的壓力F，F作用在錐齒齒尖時，將分解為水平向右的力F2和豎直向下的力F1。當車輪與減速帶錐齒接觸的瞬間，由于錐齒僅有逆時針轉動的自由度，錐齒將會有沿著ω方向轉動的趨勢，當水平向右的F2產生的力矩M1大于豎直向下的F1產生的力矩M2時，錐齒將發生自鎖而不被壓入減速帶。

如圖4所示，單個錐齒的逆行受力分析，已知F為汽車對錐齒的壓力，方向與水平方向呈θ，大小為汽車的重力，力臂L1與L2與減速帶外殼和錐齒高度有關。已知減速帶和錐齒高度，可得L1=20 mm、L2=65 mm。θ與車輪的直徑有關，汽車輪胎的直徑尺寸在381～558.8 mm之間，汽車輪胎的寬度在165～225 mm之間，汽車輪胎扁平率為0.45～0.70，即汽車輪胎寬度在110～115 mm之間。選取輪胎最大的直徑進行分析。取汽車輪胎最大直徑558.8 mm，可得θ=47°。

圖4 錐齒自鎖分析

由圖4可得:

F1=FsinθF2=Fcosθ

(1)

以力矩逆時針方向為正，可以得到力矩:

M1=F1·L1M2=F2·L2

(2)

當M2>M1時，錐齒將發生自鎖,也就證明了

Fsinθ·L1

(3)

即:

sinθ·L1

(4)

(5)

又因為θ=47°、L1=20 mm、L2=65 mm，所以

(6)

即:

M2>M1

(7)

由此可得當汽車車輪逆向通過減速帶時，錐齒發生自鎖，錐齒不被車輪壓入減速帶。

2 減速帶外殼有限元分析

2.1 減速帶外殼受力分析

該減速帶設計標準是允許質量為20 t以下的車輛通過，當一輛質量為20 t的車輛正向通過減速帶時，汽車的前輪會先壓上減速帶，即減速帶靜力有限元分析載荷為5 t。

2.2 減速帶外殼靜態分析

利用有限元分析軟件對減速帶進行靜態分析和疲勞分析。該減速帶外殼材料采用Q235。材料參數[8]：密度為7.85 g/cm3，彈性模量E為200～210 GPa，泊松比ν為0.25～0.33，抗拉強度σb為370～500 MPa，屈服強度為235 MPa，減速帶外殼添加載荷5 t的壓力，其有限元分析結果如圖5—7所示。

圖5 減速帶外殼應力圖

圖6 減速帶外殼應變圖

由圖5可知減速帶應力最大為193.53 MPa，小于Q235鋼許用應力為235 MPa，該減速帶滿足設計要求。

由圖7可知減速帶的最大位移為0.054 2 mm，處于彈性變形階段，最大允許變形量滿足要求，當汽車通過后不會發生永久性變形，最大位移滿足要求。

圖7 減速帶外殼位移圖

2.3 減速帶外殼疲勞分析

減速帶外殼在循環通過汽車，會導致減速帶外殼發生塑性變形和疲勞變形，這種變形程度決定減速帶的使用壽命。在車輛不斷碾壓下，減速帶的殼體形狀產生疲勞破壞及塑性變形，從而導致減速帶產生一些裂紋，基于此利用有限元分析軟件對減速帶外殼進行疲勞分析，如圖8—9所示。由圖9可知，疲勞破壞對減速帶邊緣影響最為明顯，減速帶在疲勞分析時并沒有出現變形現象，僅點破壞大于3，對數破壞小于1，滿足材料使用要求。

圖8 外殼疲勞分析僅點

圖9 外殼疲勞分析對數破壞

圖10和圖11分別為外殼疲勞分析安全因子和外殼疲勞分析壽命置信度。

圖10 外殼疲勞分析安全因子

圖11 外殼疲勞分析壽命置信度

由圖10和圖11可知疲勞分析的安全因子、疲勞分析的壽命置信度均大于1，滿足防止汽車逆行的減速帶的設計要求。

由減速帶的靜態與疲勞分析可知，減速帶采用Q235材料滿足設計要求。

3 結束語

文中設計了一款防逆行減速帶，能實現車輛正常行駛時將錐齒順利地壓入減速帶凹槽順利減速通過，車輛逆行時錐齒發生自鎖不被輪胎壓入減速帶凹槽，而將輪胎扎破防止其逆行。由有限元軟件對減速帶外殼進行有限元分析，根據靜態有限元分析及疲勞分析結果可知該減速帶采用Q235滿足設計要求。