一种减速与能量转换机构设计

杜华钊，刘岩，潘良健，苏国庆，朱玉燕，邓文鹏

一种减速与能量转换机构设计

杜华钊，刘岩，潘良健，苏国庆，朱玉燕，邓文鹏

（桂林航天工业学院 能源与建筑环境学院，广西 桂林 541006）

针对目前减速带对车辆刚性冲击、强制式降速的弊病，基于惩罚式原理设计了一种智能减速与发电系统，介绍了系统整体结构组成、控制原理及其实现．并应用三维数字化建模技术对能量转换机构进行了详细设计，为集成式减速系统提供了新的设计思路和指导方向，具有一定现实意义．

减速带；能量转换机构；三维建模

限制机动车行驶速度是交通平静化的主要策略之一[1-2]．减速带作为垂直控速的主要交通措施，其设立的初衷是通过影响驾驶人的心理，也就是超速行车通过减速带时带来的强烈不舒适感，进而实现被动减速，以增加驾乘人员安全感和对舒适度的期望值[3]．目前主流的减速装置，如减速丘、减速台和行道突起等设计均采用半强制式设计，没有车辆速度的甄别功能；同时，也不具备对不同路段控速的选择性，如对学校、医院及住宅小区等不同人流类型和时段要求的场合，无法根据人员通行时段和道路通行需求做出动态调整，明显地背离了道路交通控速的理念[4]．另外，从以人为本，文明出行的角度看，无论司机遵守交规与否，都要牺牲车辆的速度与燃油经济性，强制车架振动冲击，对人员及车辆都带来较大的伤害．

目前，国内外研究人员提出了非牛顿流体型[5-6]、气囊式[7-8]和气筒式减速带[9]发电装置．其中，非牛顿流体型对流体的选择要求较高且参数控制较复杂；气囊式增设了高压气体储罐与复杂的开启机构，增加了安全运行的风险，这2种流体型减速带对包裹材料也提出相当高的要求；气筒式减速发电装置的受力条件不合理，受车辆侧向冲击时会产生较大的附加力矩，机构可靠性差．文中提出的系统设计结合应用车辆通行规律和场合特点，整合车速识别、智能警示、场合调节、减速发电等诸多功能，将变角度分块式减速板与惩罚式原理融入智能化车辆控速中，对进入减速区域已经主动减速的司机，系统以奖励的方式消除减速带对车辆造成的伤害，也减少对乘客的影响，以促进司机文明遵章，营造文明、安全出行风尚，具有重要的现实意义．

1 系统工作原理

1.1 系统控制设计

该系统主要由惩罚式减速装置、警示控制装置和发蓄电装置3部分组成，其系统整体控制结构示意图见图1．

图1 系统整体控制原理

该系统实现惩罚式减速的基本原理为：当车辆经过该系统时，用于检测测速的探测器根据车速判断其是否满足该路段的交通控速要求．若满足要求，控制装置反馈主控器一个低电平脉冲，主控器触发声光显示模式1，即为绿色屏显并伴随悦耳的“文明行车，祝您一路顺风”播报音．若车辆超速20%以内，主控器触发声光显示模式2，即为黄色屏显并伴随提醒意义的“您已超速，请您规范行车”警示音；同时，控制器激活步进电机动作模式1，带动减速板整体翻转10°~15°，体现惩罚式减速的同时，由能量转换机构带动发电机主轴转动，实现发电蓄能．若车辆超速大于20%，主控器触发声光显示模式3，即为红色屏显并伴随“您已严重超速，立即减速注意安全”高音警示音；此时，控制器激活步进电机动作模式2，带动减速板整体翻转25°~30°，实现惩罚式减速并发电蓄能．

系统整体布置示意图见图2．图中声光警示牌装有测速装置、LED声光显示屏；控制箱通过警示控制系统控制步进电机动作，依车速调整减速板动作及张角大小；能量转换机构采用带传动形式，具有无需润滑、过载保护等优点，益于系统工况的需求；同时扇形密封侧壁板和密封土工布降低了工作环境卫生状况对系统的不利影响．

1.2 系统控速特征

相比目前的传统减速带而言，其控速表现及其突出特征为：

1.2.1 系统具有不同路段交通控速的适用性 当系统被安装在不同路段时，可根据该路段的交通控速和限速要求，调整速度限制，以实现对不同超速违章行为的惩罚．

1.2.2 系统具有不同时段交通控速的可调性 当系统安装在诸如医院、学校门前主干道，工厂、小区区域出入口等路段时，可根据人流密集时段、昼夜不同时间调整控速的阈值．通过过街行人按钮，在保证行人安全通行的前提下，最大限度保证交通畅通．

1.2.3 系统减速板张角可调并实现发电蓄能 系统可根据车流中车型重量不同，结合其超速情况实现角度调节，合理惩罚的同时，保证结构受力合理，并实现发电蓄能以保证系统供电便捷．

1.2.4 系统可与现有交通测速系统结合 对于设置在城镇测速系统附近的系统，可以直接将测速装置与现有交通测速系统整合对接，实现数据上传与对接．

图2 系统整体布置与局部结构示意图

注：1 声光警示牌；2 控制箱；3 步进电机；4 发电蓄电装置；5 扇形密封侧壁板；6 公路路面；7 密封土工布；8 琴键式减速板；9 车辆行驶方向；10 啮合圆周轨迹；11 传动主轴；12 棘轮齿；13 辅助轮圆周轨迹．

2 能量转换机构设计

2.1 机构设计

利用Soildworks三维技术对系统建模，并转化为CAD以便于表述结构关系（见图3）．

2.2 能量转换原理

能量转换机构是整个系统有效运行的核心，对其整体结构形式采用了三维数字化建模的设计方法，具体原理概括为：

2.2.1 分块式减速板优化机构受力与传力方式 在该减速带设计中，摒弃了现有半凸缘型减速带的对称式结构设计，优先采用分块式琴键减速板的形式，使车轮均匀、连续地作用于机构，减少对系统冲击，保证多辆车通过的同时，作用力不对系统造成相互干扰．

2.2.2 分块式减速板满足角度可调实现惩罚原则 分块减速板可通过转动轴与步进电机联动，在辅助控制系统下实现减速板角度可调，满足惩罚式减速基本原理．

2.2.3 连续可靠发电与蓄电 异型同步带、辅助带轮与棘轮齿的配合，保证主轴单向转动．同时，大飞轮与超越式变速器使冲击性的能量对发电主轴平稳做功，有效保证了发电装置的安全有效运行．

图3　能量转换机构示意图

注：1 琴键式减速板；2 主轴大带轮；3 大飞轮；4 超越变速器；5 主轴小带轮；6 发电机轴；7 发电机周带轮；8 异型皮带；9 减速板棘轮齿；10 减速板主轴；11 辅助带轮．

3 结束语

本设计基于惩罚式理念将惩罚式减速装置、警示控制装置和发蓄电装置整合．对系统的工作原理、能量转换机构作了详细阐述，并利用三维数字化技术建模，系统设计对道路控速具有重要的参考价值．主要结论：

（1）变角度琴键式减速板实现奖惩式原理的同时，优化了受力结构，解决了多车辆（车轮）对减速带不同冲击的适应性问题；

（2）异型带与棘轮机构啮合，辅助超越式变速器保证发电主轴单向运动、可靠发蓄电；

（3）警示控制装置与发蓄电装置的设置提高了减速带的集成式功能，拓展了其应用场合与实用性．

[1] 韩艳，山程明．减速带减速原理及其应用[J]．交通工程，2009（6）：16-20

[2] 张蕉蕉，孙根，薛金红，等．一种新型减速带装置的设计[J]．机械制造与自动化，2014，43（3）：32-34

[3] 袁小慧，归文强．两种减速带的减速效果研究[J]．测试技术学报，2018，32（4）：358-362

[4] 崔有正，牟海晶，王世刚，等．基于ANSYS和ADAMS的新型奖罚式智能减速带升降装置的仿真研究[J]．煤炭技术， 2017，36（5）：227-229

[5] 张野，张艺惠，刘福平，等．非牛顿流体减速带的应用研究[J]．信息记录材料，2019，20（4）：46-48

[6] 荆旭，林静，郑志文．非牛顿流体减速带的改进[J]．公路与汽运，2018（2）：49-50

[7] 唐智．一种利用减速带的能量回收装置：中国，103470459A[P]．2013-12-25

[8] 朱建宁．气囊式减速带发电系统：中国，207879537U[P]．2018-09-18

[9] 刘鑫．一种利用减速带进行发电的装置：中国，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

国家大学生创新创业训练计划项目（201911825016）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2019JGB382）

杜华钊（1998-），男，广东广州人，在读本科生．E-mail：2430434473@qq.com

刘岩（1977-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事设备故障诊断与有限元技术研究．E-mail：1300983279@qq.com