智能警示可调式减速带设计与研究

摘 要：鉴于传统减速带无法自动调节高低，车辆通过减速带产生剧烈震动这一问题，本文深入研究道路现应用的几种限速措施，根据社会实际需要对减速带进行改进;分析减速带模型，对智能警示可调式减速带的电子控制系统、升降机构、电机及减速器等机械结构进行设计。通过设计对超速行驶起到了警示作用，提高了行车安全性，有效解决减速带对汽车本身造成的磨损和对乘客乘坐时产生不舒适感觉等不良影响。

关键词：设计;限速措施;机械结构

引言

有关部门研究表明车辆行驶速度每增加1km/h交通事故死亡率就会增加3%-5%。为减少超速事故的发生，在限速路段会设置减速带。减速带属于垂直速度控制措施之一，通过改变道路某段的高度或材料，根据心、生理原理强制机动车减速，以达到安全的目的。减速带的研究与发展对道路的安全起到决定性的重大意义。传统减速带无法根据车速快与慢自动调节高度，通过减速带也会产生剧烈震动感，震动会对汽车减震系统造成一定的伤害，同时震动感会对驾驶员以及乘客带来不舒适的感觉。基于以上因素，在满足传统减速带安全作用的前提下，可从人的心理学和人机工程学等方面对减速带进一步地创新和研究。

本研究通过监测车辆行车时的速度，自动调节减速带的高度。车辆速度超过规定安全行车车速，减速带将会自动升高，使车辆通过时震动感增强，从而警示驾驶员所驾乘的车辆已经超出规定车速线，应及时降低车速安全行驶;相反，车辆的速度在规定车速内，应降低减速带高度使减速带与路面平齐，使车辆平稳通过，减少车辆的震动感，提高乘坐舒适性，延长车辆减震器的使用寿命。

1、国內外减速带研究发展

为了保证道路行驶安全，减速带在国内外得到广泛应用。现已研究应用了减速丘、道钉、新型瓦楞形式的减速带。同时，国外一些国家开始另辟蹊径，从仿真的角度设计出泥泞、悬崖、行人、障碍物等立体图，从驾驶员心理上做出有效的判断从而降低车速，在通过这种无震动感立体图式减速带时，还要考虑到驾驶员行驶次数较多时从而忽略这种减速带，如果真正的突发路况时会引发严重的交通事故。

2、 智能警示可调式减速带设计内容及原理

本设计研究综合考虑减速带的减速效果及设计实施的难度，拟采用截面为梯形的减速带作为本次设计减速带的结构，并且该减速带选用耐磨性强、承载重力大且形变量小的铸造合金钢替代橡胶作为制作材料，并且在减速带上面安装太阳能板从而吸收光能转化为电能为电机提供能量减速带结构在收缩时可承载15t左右质量且发生较小形变量;舒展时壳体与地面齐平，减少车通过时所产生的震动感同时仍可承载同样质量，考虑现有减速带企业标准，智能减速带距地高度行程设置为0-50mm。

本设计首先选用Arduino计时用来监测道路上来往车辆的速度信息，通过监测得到的数据信息发送到电脑CPU进行数据处理从而判断出此车辆是否超速行驶，如超速行驶通过控制器向电机发出信号从而带动减速机构旋转，带动凸轮达到上止点，从而使减速带壳体能够提升高度，达到强制减速作用目的，如果没超速智能减速带将与地面一平使车辆平稳通过减少震动感。本设计是将两道光敏电阻电压安装在距离智能警示可调式减速带前15和前5米处的位置，为减速带的升降和信号的转换提供充足的时间，让电脑做出判断不妨碍其他车辆的行驶。

2.1减速带壳体设计

由于减速带采用的是智能可调式减速带的结构设计，并且减速带的工作环境较为恶劣，考虑到橡胶材质的稳定性及抗压能力，所以减速带壳体是采用铸造合金钢作为减速带的材质，铸造合金钢拥有良好的抗压能力及硬度，足以满足大部分车辆的通行而不至于压毁减速带。考虑到减速带使用场景大多数是人员较多的小区出入口及学校附近、路口等位置所以本次设计的减速带长度为4米，基本满足单行道加上人行道的宽度。

2.2减速带主要升降机构设计

结合智能可调式减速带的升降传动特点，即运动行程较小、结构简单紧凑且壳体表面无突起装置，根据减速带距地高度行程设置，最终选择凸轮机构作为控制壳体形态变化的主动件。智能可调式减速带的运动特点为运动过程中受力较小，仅需承受其壳体自身重力即可，但在凸轮达到上止点或下止点时，减速带静止但需要承受较大压力（即减速带壳体本身重力和所通过车辆重力之和），结合各凸轮机构特点，选择接触面积相对较大的平底从动件凸轮机构，在上止点位置达到自锁效果，选用对心放置方式。

根据凸轮机构的运动要求：当凸轮转过180°，减速带壳体上升50mm;当凸轮再次转过180°，减速带下降50mm，回到初始位置。选择45#钢作为凸轮材料。为了确保凸轮在达到上止点时不至于被减速带自重及车辆压毁，暂定基圆半径r0>110m，根据凸轮转动，减速带壳体运动轨迹如图1所示。

凸轮的运动需要轴做支撑，根据设计的预期要求，即满足15t左右车重地通过要求，将轴设计为直径为80mm，为了达到一定的安全系数，材料选择为铸造合金钢。

2.3轴承与轴承座的选择

轴承作为标准件，为了与轴配合，选取轴承的内径为80mm，因为轴承的工作环境较差，为防止异物进入轴承，导致轴承损坏，并且因为轴承所要承载的重力比较大，所以选择两面带防尘盖的双列角接触球轴承。选取与轴承配套的轴承座用以固定轴承，为了保证在车辆接触减速带瞬间轴承的稳定，选取二螺柱立式轴承座。轴承的材质选取轴承钢，轴承座的材质选为45#钢。

2.4联轴器结构设计

联轴器是连接凸轮轴与减速机的主要零部件，因此在进行结构设计时要考虑到减速机输出的扭矩的大小，同时还要考虑减速机输出轴与凸轮轴的尺寸以便于使用联轴器进行连接，因为凸轮轴的直径为80mm，所以选取联轴器输出端的内径为80mm。为了便于联轴器的安装，联轴器的另一端也选取内径为80mm，材质选为45#钢。

2.5电机及减速器结构设计

在本文的设计中，电机作为智能可调式减速带的动力来源，只需电机及减速机输出的扭矩能够克服减速带壳体及凸轮轴自身重力产生的扭矩之和。当减速带升起后，凸轮轴就可以自锁。因此综合上述原因，选取斜齿三相异步电机及减速机以传递较大的扭矩，电机及减速机的材质选为45#钢。

2.6系统软硬件控制设计

系统采用STM32F103C8T6单片机作为控制核心，将测速的数值进行比较分析：如果值大于40km/h，则发出指令，使三相异步电机旋转带动凸轮轴旋转使减速带升起。当车辆通过减速带后，带动凸轮轴旋转使减速带下降至平铺状态;若值小于40km/h，则不作动作与地面平齐。

结论

本设计研究在传统减速带的基础上引入了电子控制系统，增加了机械传动机构，在获取车速信号后通过电机驱动机械传动机构自动调节减速带高度，实现了减速带结构及控制方面的创新。更好地服务于人们日常使用，满足了应用需求，设计构思合理、结构紧凑、经济性较好，优化与改造空间大，具有较广阔的推广空间和应用价值。

作者简介：

魏宇（1997-10-），男，籍贯：黑龙江省齐齐哈尔市泰来县，本科，  哈尔滨剑桥学院汽车与机电工程学院，研究方向：汽车服务工程。

基金项目：2020年黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202013303007）