一种新型减速带装置的设计

张蕉蕉,孙家根,薛金红,代菊英

(解放军理工大学 野战工程学院，江苏 南京 210007)

0 引言

随着经济的发展，人民生活水平的提高，城市交通迅猛发展，机动车保有量不断增大，道路交通安全越来越受到重视。减速带作为一种强化型道路交通安全设施，在遏制交通事故的发生方面发挥了重要的作用，近年来在国内也受到了很大的认同。车辆在驶入一些关卡隘口及重要地点都要进行限速，减速带的设置使高速行驶的车辆减速，有效地起到了预防交通事故的作用[1]。但是，在使用过程中发现，现有的减速带设计还存在许多不合理的地方，车辆通过减速带引起的震动和噪音超标，影响行车舒适性，同时严重干扰周边居民的生活。因此，如何设计减速带，既能履行其“安全”职责，又能更加舒适，更加人性化，成了亟待解决的问题。

1 国内外减速带研究概况

减速带技术在国外已经普及数十年，现采用的减速带主要有：道钉减速带、热塑震动减速带、水泥台减速带、路面凹形槽减速带、驼峰式减速带等[2]。日本根据本国地域的实际情况，广泛采用热塑震动减速带来保证行车安全。英国早在1981年就开始使用减速丘，目前，研究热点已经由发挥传统的限速作用发展到了其他科技领域[3]。澳大利亚是道路速度管理措施应用最到位最完善的几个发达国家之一，在其境内到处可见到各类型的减速丘、且设计并不单一。近年来，我国对道路交通安全问题越来越重视，为限制车速保证安全，减速带的应用得到了更广泛地普及应用，在一些关卡隘口及重要地点，如地下停车库、收费站点、十字路口等都设有减速带，在降低交通事故方面发挥了很好的作用，然而一些问题也随之出现。

2 现有减速带存在的问题分析

减速带是为保障行人及车辆行驶安全设计的一种交通设施，其基本功能是在公路的特殊路段(道路出入口、连续长大坡等交通事故多发路段)的行车道上设置某种突起设施，当汽车以较高车速通过时，会产生剧烈的机械震动，使驾驶员产生很不舒服的感觉，并预计到会对车辆零件造成损坏，从而使驾驶员自觉、主动降低车速，以达到此类路段行车安全性的目的[4]。现有的减速带设置基本实现了该传统功能，但同时引起了一些问题，主要表现在以下几个方面：

1) 现在我国城市道路上最常见的是条状的橡胶减速带，其宽度为35cm左右，高度在30～100mm之间，这样设计的减速带,往往存在过长、过宽、过高等问题，导致车辆频频受伤，严重时会刮坏发动机的机油底壳[5]。

2) 车辆通过减速带时是刚性冲击式的，即使已经减慢车速通过减速带的车辆，也会有颠簸的感觉，严重影响了行车的舒适性；同时，设计不合理的减速带，在车辆驶过时，产生的震动不仅会对机动车辆的悬挂系统造成很大负担，影响其寿命，更严重威胁到行车的安全。

3) 车辆通过减速带时，若来不及减速，轮胎通过减速带时会发出“咚咚”的声音，并且随着车速的增加而增大。尤其是大货车通过时，发出的声响更加明显，形成了噪声污染,给附近的居民带来了很多的困扰，减速带成了城市道路上的“扰民带”。

4) 车辆在通过减速带瞬间，对减速带面板形成较大冲击，损耗大量机械能，一定程度上造成了能源的浪费。

3 新型减速带设计

3.1 设计要求

针对现有减速带设计上的不合理情况，设计一种新型减速带装置。既能起到传统减速带的降低汽车行驶中的车速的作用，又能降低车辆通过时的震动，减少颠簸感，提高通过时的舒适性，保护车辆的悬挂系统；同时，能将车辆对减速带的冲击能量存储并利用起来，实现了“噪声小、安全舒适、绿色环保”的功能。

3.2 设计思路

在研究减速带的基础上，将机械原理与之结合，综合利用相关机械机构进行设计。设计一种机械机构与减速带相结合，当车辆以较高速度驶过减速带时，利用机构惯性作用，使车辆通过的较短时间内，减速带不会有下沉动作，保证原有的作用；当车辆以较慢的速度行驶时，使车轮克服阻尼的时间延长，使得减速带面板降低直至与地面平行，从而将车辆与减速带之间的刚性冲击转换成柔性冲击，增强汽车通过的平稳性；车辆通过后，通过相应机构的作用使减速面板抬起恢复原状。同时设计附属蓄能装置，将车辆冲击减速带产生的动力传输到小型发电机中，进行发电并用蓄电池进行存储，储存的电量可以用于路灯、红绿灯和路牌照亮，合理利用能源。

3.3 工作原理及结构

3.3.1 工作原理及整体机构

本装置采用一块长方形金属箱，箱子底部与地面固定，箱子的两壁铰链接四个扇形齿轮。四个扇形齿轮分别与两个过渡齿轮啮合，扇形齿轮另一端连接复位弹簧，过渡齿轮与单向离合器、飞轮、增速齿轮组传动装置以及电机顺序连接，电机输出端连接铅蓄电池。安装后的减速带外形是小斜坡形[6-10]。

图1 减速带装置整体结构

装置整体机构如图1所示。当车辆低速通过减速带装置时，会对扇形齿轮上的减速带面板形成较大且作用时间较长的压力，从而带动扇形齿轮啮合转动，高出地面的减速面板随之向下转动，高出地面的障碍物消除或高度大大降低，使车辆通过减速面板的颠簸感大为减弱，同时产生的噪声也减小，加之减速面板上覆盖的橡胶垫对车轮的冲击进一步缓冲，保证了低速车辆基本可实现无震动通过，对车辆的悬挂系统也起到了一定的保护作用；而高速车辆通过时，由于速度较快，对减速面板只有瞬间压力，不能使扇形齿轮产生有效的大角度转动，高出地面的障碍物仍然存在，从而使高速行驶的车辆有明显的颠簸震动感觉，对驾乘者具有减速提醒作用。因此本减速装置具有对高、低速通过的车辆区别对待的有益效果；同时还通过在减速装置中设置单向离合器、飞轮等组成的转动能量输出机构，使其向发电设备输出机械动能，将车辆对减速面板的冲击能量转换成电能，加以存储利用，更合理地使用能源。

装置具体动力传递图如图2所示。

1—扭簧；2—大扇形齿轮；3—小扇形齿轮；4—单向离合器；5—飞轮；6—增速箱；7—发电机图2 减速带装置动力传递图

3.3.2 各部分具体结构

减速带装置结构按照功能不同，可以分为三部分：主体工作装置、变速传动装置和蓄能装置。

1) 主体工作装置(图3)：主体工作装置由覆盖橡胶、四个扇形齿轮及与其啮合的小齿轮、单向离合器、飞轮、传动轴、连接在扇形齿轮下的金属挡板及复位弹簧组成。扇形齿轮采用啮合式设计，保证同步升降。扇形齿轮啮合小齿轮通过传动轴带动飞轮转动，利用飞轮惯性实现缓冲。

图3 工作主体装置剖面图

2) 变速传动装置(图4)：主要由增速齿轮组组成。三级增速，通过单向离合器和飞轮，与小齿轮轴相连，将由小齿轮轴输入的低速转化为高速输出以带动发电机进行发电。

1—一级增速大齿轮；2—一级增速小齿轮；3—二级增速大齿轮；4—二级增速小齿轮；5—三级增速大齿轮；6—三级增速小齿轮图4 增速齿轮组

3) 蓄能装置：主要由直流发电机、调理电路和蓄电池组成。功能是接收来自增速器的扭矩和速度，带动发电机高速旋转发电，从而将机械能转化为电能并加以储存。

4 设计创新点

4.1 设计特点

设计时采用啮合结构更好地实现同步升降，同时模块化设计便于安装和自主改进；阻尼系统和能量转化系统相结合；扇形齿轮和过渡齿轮的结构位置安排合理，传动机构设计构思非常巧妙。

4.2 创新特色

新型减速带具有一定的创新性，其减速面板的斜面角设计既能对通过减速带的车辆进行减速又能够对通过的车辆减振，减弱低速通过的车辆的震动，能实现基本无震动通过，保护了车辆的悬挂系统。减速面板下的结构设计，能够使减速面板意外损坏时，保证汽车安全通过。同时，解决了汽车对减速面板的水平冲击问题，降低减速面板的损坏率，提高其使用寿命。减速带传动系统还运用了单向离合器和飞轮，使车辆在压过减速带的时候，收集汽车对减速面板冲击产生的能量，转化成电能并存储。

5 结语

新型减速带装置结合实际需要，将机械原理与减速带原理相结合，对现有的减速带进行了改进。巧妙应用了扇形齿轮、扭簧、增速齿轮组、飞轮等机构对装置进行设计。装置能区别对待高、低速通过的车辆，实现了将低速行驶过的车辆对减速带的刚性冲击转变成了柔性冲击，增强车辆通过的平稳性，大大减小了震动和噪声，保护车辆的悬挂系统和周围环境。同时，设计的该装置还能将冲击能量转化成电能进行利用，满足“低碳环保”的理念，对于能源紧缺、油价飙升的今天，其经济和社会价值不可小觑。

[1] 陈荫三，魏郎.公路强制控速安全措施研究[J].公路交通科技，2005,22(10):17-19.

[2] 俞耀.山区公路减速带应用技术关键问题研究[D].重庆：重庆交通大学硕士学位论文，2010，06(01):17-18.

[3] 刘运通.《道路交通安全指南》[Z].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 叶燕仙,王剑波，运伟国.基于人性化的城市道路减速带设置[J].交通标准化，2007(10):83-85.

[5] 交通部第一公路勘察设计院.《公路路线设计规范》(JTJ 011-94)[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6] 濮良贵，纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] 成大先.机械设计手册(1-5卷)[M].北京：化学工业出版社，2010.

[8] 秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9] 王安新.工程机械电器设备[M].北京：人民交通出版社，2009.

[10] 孙亮波，孔建益，桂慧.一种新型节能划船健身器的设计与制造[J].机械设计与制造，2009(3)：32-34.

[11] 张蕉蕉，李天波，孙家根，等.一种车辆减速装置[P].中国专利：ZL201220261596.7,2012-12-5.