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(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜華釗，劉巖，潘良健，蘇國慶，朱玉燕，鄧文鵬

（桂林航天工業(yè)學(xué)院 能源與建筑環(huán)境學(xué)院，廣西 桂林 541006）

針對目前減速帶對車輛剛性沖擊、強(qiáng)制式降速的弊病，基于懲罰式原理設(shè)計(jì)了一種智能減速與發(fā)電系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成、控制原理及其實(shí)現(xiàn)．并應(yīng)用三維數(shù)字化建模技術(shù)對能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，為集成式減速系統(tǒng)提供了新的設(shè)計(jì)思路和指導(dǎo)方向，具有一定現(xiàn)實(shí)意義．

減速帶；能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)；三維建模

限制機(jī)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(shè)立的初衷是通過影響駕駛?cè)说男睦恚簿褪浅傩熊囃ㄟ^減速帶時帶來的強(qiáng)烈不舒適感，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)均采用半強(qiáng)制式設(shè)計(jì)，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(xué)校、醫(yī)院及住宅小區(qū)等不同人流類型和時段要求的場合，無法根據(jù)人員通行時段和道路通行需求做出動態(tài)調(diào)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(jī)遵守交規(guī)與否，都要犧牲車輛的速度與燃油經(jīng)濟(jì)性，強(qiáng)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(nèi)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(fā)電裝置．其中，非牛頓流體型對流體的選擇要求較高且參數(shù)控制較復(fù)雜；氣囊式增設(shè)了高壓氣體儲罐與復(fù)雜的開啟機(jī)構(gòu)，增加了安全運(yùn)行的風(fēng)險，這2種流體型減速帶對包裹材料也提出相當(dāng)高的要求；氣筒式減速發(fā)電裝置的受力條件不合理，受車輛側(cè)向沖擊時會產(chǎn)生較大的附加力矩，機(jī)構(gòu)可靠性差．文中提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合應(yīng)用車輛通行規(guī)律和場合特點(diǎn)，整合車速識別、智能警示、場合調(diào)節(jié)、減速發(fā)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(jìn)入減速區(qū)域已經(jīng)主動減速的司機(jī)，系統(tǒng)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(jìn)司機(jī)文明遵章，營造文明、安全出行風(fēng)尚，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由懲罰式減速裝置、警示控制裝置和發(fā)蓄電裝置3部分組成，其系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)示意圖見圖1．

圖1 系統(tǒng)整體控制原理

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)懲罰式減速的基本原理為：當(dāng)車輛經(jīng)過該系統(tǒng)時，用于檢測測速的探測器根據(jù)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(fā)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(fēng)”播報音．若車輛超速20%以內(nèi)，主控器觸發(fā)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(guī)范行車”警示音；同時，控制器激活步進(jìn)電機(jī)動作模式1，帶動減速板整體翻轉(zhuǎn)10°~15°，體現(xiàn)懲罰式減速的同時，由能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)帶動發(fā)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)發(fā)電蓄能．若車輛超速大于20%，主控器觸發(fā)聲光顯示模式3，即為紅色屏顯并伴隨“您已嚴(yán)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(jìn)電機(jī)動作模式2，帶動減速板整體翻轉(zhuǎn)25°~30°，實(shí)現(xiàn)懲罰式減速并發(fā)電蓄能．

系統(tǒng)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(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)動作，依車速調(diào)整減速板動作及張角大??；能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)采用帶傳動形式，具有無需潤滑、過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，益于系統(tǒng)工況的需求；同時扇形密封側(cè)壁板和密封土工布降低了工作環(huán)境衛(wèi)生狀況對系統(tǒng)的不利影響．

1.2 系統(tǒng)控速特征

相比目前的傳統(tǒng)減速帶而言，其控速表現(xiàn)及其突出特征為：

1.2.1 系統(tǒng)具有不同路段交通控速的適用性 當(dāng)系統(tǒng)被安裝在不同路段時，可根據(jù)該路段的交通控速和限速要求，調(diào)整速度限制，以實(shí)現(xiàn)對不同超速違章行為的懲罰．

1.2.2 系統(tǒng)具有不同時段交通控速的可調(diào)性 當(dāng)系統(tǒng)安裝在諸如醫(yī)院、學(xué)校門前主干道，工廠、小區(qū)區(qū)域出入口等路段時，可根據(jù)人流密集時段、晝夜不同時間調(diào)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(tǒng)減速板張角可調(diào)并實(shí)現(xiàn)發(fā)電蓄能 系統(tǒng)可根據(jù)車流中車型重量不同，結(jié)合其超速情況實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，合理懲罰的同時，保證結(jié)構(gòu)受力合理，并實(shí)現(xiàn)發(fā)電蓄能以保證系統(tǒng)供電便捷．

1.2.4 系統(tǒng)可與現(xiàn)有交通測速系統(tǒng)結(jié)合 對于設(shè)置在城鎮(zhèn)測速系統(tǒng)附近的系統(tǒng)，可以直接將測速裝置與現(xiàn)有交通測速系統(tǒng)整合對接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與對接．

圖2 系統(tǒng)整體布置與局部結(jié)構(gòu)示意圖

注：1 聲光警示牌；2 控制箱；3 步進(jìn)電機(jī)；4 發(fā)電蓄電裝置；5 扇形密封側(cè)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(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用Soildworks三維技術(shù)對系統(tǒng)建模，并轉(zhuǎn)化為CAD以便于表述結(jié)構(gòu)關(guān)系（見圖3）．

2.2 能量轉(zhuǎn)換原理

能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)是整個系統(tǒng)有效運(yùn)行的核心，對其整體結(jié)構(gòu)形式采用了三維數(shù)字化建模的設(shè)計(jì)方法，具體原理概括為：

2.2.1 分塊式減速板優(yōu)化機(jī)構(gòu)受力與傳力方式 在該減速帶設(shè)計(jì)中，摒棄了現(xiàn)有半凸緣型減速帶的對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)先采用分塊式琴鍵減速板的形式，使車輪均勻、連續(xù)地作用于機(jī)構(gòu)，減少對系統(tǒng)沖擊，保證多輛車通過的同時，作用力不對系統(tǒng)造成相互干擾．

2.2.2 分塊式減速板滿足角度可調(diào)實(shí)現(xiàn)懲罰原則 分塊減速板可通過轉(zhuǎn)動軸與步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動，在輔助控制系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)減速板角度可調(diào)，滿足懲罰式減速基本原理．

2.2.3 連續(xù)可靠發(fā)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(zhuǎn)動．同時，大飛輪與超越式變速器使沖擊性的能量對發(fā)電主軸平穩(wěn)做功，有效保證了發(fā)電裝置的安全有效運(yùn)行．

圖3　能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)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(fā)電機(jī)軸；7 發(fā)電機(jī)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(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于懲罰式理念將懲罰式減速裝置、警示控制裝置和發(fā)蓄電裝置整合．對系統(tǒng)的工作原理、能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)作了詳細(xì)闡述，并利用三維數(shù)字化技術(shù)建模，系統(tǒng)設(shè)計(jì)對道路控速具有重要的參考價值．主要結(jié)論：

（1）變角度琴鍵式減速板實(shí)現(xiàn)獎懲式原理的同時，優(yōu)化了受力結(jié)構(gòu)，解決了多車輛（車輪）對減速帶不同沖擊的適應(yīng)性問題；

（2）異型帶與棘輪機(jī)構(gòu)嚙合，輔助超越式變速器保證發(fā)電主軸單向運(yùn)動、可靠發(fā)蓄電；

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

[1] 韓艷，山程明．減速帶減速原理及其應(yīng)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(shè)計(jì)[J]．機(jī)械制造與自動化，2014，43（3）：32-34

[3] 袁小慧，歸文強(qiáng)．兩種減速帶的減速效果研究[J]．測試技術(shù)學(xué)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(shù)， 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(yīng)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(jìn)[J]．公路與汽運(yùn)，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(fā)電系統(tǒng)：中國，207879537U[P]．2018-09-18

[9] 劉鑫．一種利用減速帶進(jìn)行發(fā)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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201911825016）；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)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(shè)備故障診斷與有限元技術(shù)研究．E-mail：1300983279@qq.com