劉建剛，杜風(fēng)嬌，王朝波

(武夷學(xué)院機電工程學(xué)院，福建南平 354300)

0 引言

普通的減速帶已經(jīng)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(shè)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(yōu)良、強度較好且易恢復(fù)的金屬制成?？梢栽谶^往車輛碾壓和阻攔車輛時產(chǎn)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(wěn)態(tài)振動能量發(fā)電裝置引入到減速帶結(jié)構(gòu)中，提出了一種雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動能量捕獲裝置，建立了其力學(xué)模型和控制方程。郝大寧[3]設(shè)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(zhuǎn)換為單向運動,使用行程開關(guān)控制離合器接合分離進而控制恒力渦卷彈簧發(fā)電時間,達到定時發(fā)電和產(chǎn)生穩(wěn)定電流并回收能量的目的,提高能量使用率。葉偉等人[4]設(shè)計了一種可變通行方向的減速帶,可根據(jù)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(tài)來控制不同的運動。羅準(zhǔn)等人[5]設(shè)計了一種新型減速帶,可以根據(jù)汽車速度的不同實時調(diào)節(jié)緩沖力度,同時還具有發(fā)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(zhuǎn)化收集儲存在蓄電池內(nèi),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(gòu)建了汽車懸架模型與振動減速標(biāo)線-車速耦合激勵模型，以車輛懸架由減速標(biāo)線激勵產(chǎn)生的垂直方向加速度均方根值為評價指標(biāo),采用Simulink對車輛以一定速度通過減速標(biāo)線時的振動激勵特性進行了仿真分析。劉金等人[7]設(shè)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(nèi)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(shè)計了一款防逆行減速帶，不僅可以讓符合交通規(guī)定車輛通過時減速慢行，而且還可防止不按交通法規(guī)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(dǎo)致車輛不能行駛。該減速帶可使用在規(guī)定為單向行駛的特殊路段(小區(qū)、學(xué)校等交通事故易發(fā)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(fù)位。逆行方向如圖1所示，A至B方向行駛時，錐齒發(fā)生自鎖，阻止逆行車輛行駛，當(dāng)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(zhuǎn)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(chǎn)生大小為F的壓力，迫使減速帶的錐齒沿著旋轉(zhuǎn)中心O逆時針旋轉(zhuǎn)，如圖3中ω轉(zhuǎn)動方向所示，從而實現(xiàn)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(dāng)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(xiàn)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(dāng)車輪與減速帶錐齒接觸的瞬間，由于錐齒僅有逆時針轉(zhuǎn)動的自由度，錐齒將會有沿著ω方向轉(zhuǎn)動的趨勢，當(dāng)水平向右的F2產(chǎn)生的力矩M1大于豎直向下的F1產(chǎn)生的力矩M2時，錐齒將發(fā)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(guān)。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(guān)，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(dāng)M2>M1時，錐齒將發(fā)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(dāng)汽車車輪逆向通過減速帶時，錐齒發(fā)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是允許質(zhì)量為20 t以下的車輛通過，當(dāng)一輛質(zhì)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(tài)分析

利用有限元分析軟件對減速帶進行靜態(tài)分析和疲勞分析。該減速帶外殼材料采用Q235。材料參數(shù)[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(jié)果如圖5—7所示。

圖5 減速帶外殼應(yīng)力圖

圖6 減速帶外殼應(yīng)變圖

由圖5可知減速帶應(yīng)力最大為193.53 MPa，小于Q235鋼許用應(yīng)力為235 MPa，該減速帶滿足設(shè)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(dāng)汽車通過后不會發(fā)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(huán)通過汽車，會導(dǎo)致減速帶外殼發(fā)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(chǎn)生疲勞破壞及塑性變形，從而導(dǎo)致減速帶產(chǎn)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(xiàn)變形現(xiàn)象，僅點破壞大于3，對數(shù)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(shù)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(shè)計要求。

由減速帶的靜態(tài)與疲勞分析可知，減速帶采用Q235材料滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計了一款防逆行減速帶，能實現(xiàn)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(fā)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(jù)靜態(tài)有限元分析及疲勞分析結(jié)果可知該減速帶采用Q235滿足設(shè)計要求。