基于齿轮齿条传动的新型储能减速带研究

徐云涛 杨卓朋 黄杰涛 董兵兵＊

（广东理工学院智能制造学院，广东肇庆 526100）

随着中国经济飞速发展，中国人民生活水平不断提高，交通发展迅猛，汽车保有量不断增大，道路交通安全越来越受到重视。作为一种遏制交通事故发生的重要交通设施，减速带为我国交通安全提供了巨大保障。但是，传统减速带需要升级改进，需要设计既履行减速职责又更加人性化、多样化的新型减速带。

1 储能行业发展情况

不可再生能源消耗频繁等因素导致能源研究成为热点，储能行业快速发展。中国能源革命长期战略目标明确提出，2030年非化石能源发电量占全部发电量的比重力争达到50%，2050年实现非化石能源消费超过一半[1]。

我国能源转型主要指标如表1所示。

表1 我国能源转型主要指标

作为安全高效清洁的现代能源技术，储能在《能源技术革命创新行动计划（2016—2030年）》《中国制造2025—能源装备实施方案》《国家创新驱动发展战略纲要》等多项政策中被重点提及。相关文件清晰地描绘储能技术的创新发展路线图，储能产业具有广阔的发展前景。

2 减速带发展现状

减速带通常安装在公路上，是强制车辆减速的公路设施，材质主要为橡胶或金属，颜色一般为黄色黑色相间，引起驾驶人员注意，使路面稍微拱起以达到车辆减速目的。车辆以较高车速通过减速带时会产生剧烈振动，使人体产生强烈的生理和心理刺激，降低驾驶员行车安全感和乘坐舒适性的期望值，促使驾驶员主动降低车速通过减速带，为交通安全提供极大保障。减速带材质较硬，车辆经过减速带时发生刚性冲击，车辆降速通过时仍会颠簸，易损害车辆的零部件，加大交通事故发生概率，在一定限度上造成能源浪费。目前，国内无统一的减速带规格标准，可能出现减速带过高、过宽等问题，严重时可能刮伤车辆底盘。我国部分地区仍存在减速带密集的路段，车辆经过时会产生巨大噪音，严重影响周边人民正常生活。

3 新型减速带设计

3.1 设计目的

本研究设计1种新型减速带装置，具有传统减速带控制车速的作用，又能够缓冲车辆通过时带来的冲击，降低车辆冲击带来的损伤，提高车上人员的舒适性，保护车辆零部件安全；储存车辆对减速带的冲击能量；附加测速等数据分析处理模块，实现“绿色环保、安全舒适、低噪声、模块化”的功能。

3.2 设计思路

本研究在减速带的基础上，结合机械原理等[2-4]专业知识，设计机械机构与减速带的结合。车辆经过时，减速带由于产能机构运转，存在一定缓冲高度，能够有效减少车辆产生的震动。减速带需要设计蓄能装置，将车辆通过减速带时消耗的能量转换为电能，进行回收利用。减速带高度有限，产能机构工作距离受到限制，必须采用增速齿轮组增大发电机输入端转速，有效提高能量转换效率。

4 工作结构及原理

4.1 具体结构

（1）箱体。

大部分减速带分布在露天地段，为了防止外界因素破坏产品内部机构，本产品配置箱体对机构进行保护，为输出线路、数据分析模块等预留充足空间，便于更换产品功能。箱体能够有效防止产品需要更换零件时，路面变形卡住影响更换。

（2）内部结构。

按照功能不同，产品减速带装置内部结构可以分为3部分，包括产能机构、变速传动装置和蓄能装置。

①产能机构结构如图1所示。

图1 产能机构结构

产能机构主要由推杆，固定推杆的固定柱、齿条及与其啮合的输入齿轮，连接在输入齿轮、齿条及推杆处的复位弹簧组成。

②增速齿轮组如图2所示。

图2 增速齿轮组

变速传动装置主要由增速齿轮组组成。增速齿轮组与输入齿轮轴相连，三级变速，将输入齿轮轴输入的低速转化为高速输出，带动发电机发电。

③蓄能装置主要由直流发电机、调理电路和蓄电池组成，通过变速传动装置输出的扭矩和转速，带动发电机高速旋转发电，将从车辆收集的能量转化为电能并储存利用。

4.2 工作原理

装置采用长方形箱体，箱体底部与地面固定，箱体内部安装产能机构和蓄能装置，根据需求可以加装测速、测重等交通数据分析模块。

车辆通过时，减速带受到压力，高出地面部分向下运动，使减速带在车辆经过时减小坡度，减少车辆受到的损伤，将能量传递到产能机构，产能机构将竖直运动转换为圆周运动，通过增速齿轮组增大扭矩和转速，驱动发电机进行能量转换，将受到的压力以电能形式储存并利用。

4.3 产能机构运转

本研究根据齿轮齿条传动蓄能[5]思路设计产能机构。减速带发生形变时，固定于减速带的推杆1将推动推杆2，推杆2通过固定柱进行旋转运动，推动齿条，将推杆1的纵向运动转换为齿条的横向运动，推杆2另一端与齿条脱离，方便齿条传递能量后与输入齿轮脱离。

推杆运动方向转换如图3所示。

图3 推杆运动方向转换

齿轮齿条传动如图4所示。

图4 齿轮齿条传动

齿条开始工作，与齿条啮合的输入齿轮开始旋转，将横向运动转换为圆周运动，通过输入齿轮轴传递，提高与轴连接的增速齿轮组转速，驱动发电机产生电能，传递力量，齿轮齿条脱离，复位弹簧将推杆及齿条移回原位，推杆末端将齿条与齿轮重新推紧。

本方案具有结构简单、便于加工、有利于控制产品生产成本的优点。本产品零件生产时使用标准件和通用件，能够减少维修时间及费用，便于日常产品维护。

5 产品功能

5.1 作为固定能源

本产品可以通过产能机构收集车辆经过减速带时损耗的能量，转换为电能供给路灯等周边用电器使用，减少周边用电器的使用和维护成本。

5.2 充当应急电源

遭遇大范围断电时，交管部门或用户能够从本产品中拆卸蓄电池，储存的电能可以为人们提供应急能源。出现地震、台风、泥石流等重大自然灾害导致大范围断电时，能够及时地提供电力支援，为抢险救灾提供帮助，降低人员伤亡及财产损失。

5.3 测速功能

车辆经过减速带使蓄能机构完成蓄能时，不同速度的车辆产生电能不同，通过测速模块进行分析，可以对车辆的速度进行计算，检测车速超出限定值时，将会通知交管部门，便于对超速车辆进行拦截，维护交通秩序，降低道路安全隐患。

5.4 测重功能

车辆经过减速带使蓄能机构完成蓄能时，重量不同将导致产生的电能不同，通过测重模块分析，可以对车辆载重进行计算。速度不固定的情况下，数据不稳定，需要将本产品进行多个组合，使用车速对初始数据进行调整。车辆载重超出限定值时，会通知交管部门对超载车辆进行拦截，降低道路维护成本，保障道路安全。

5.5 检测车流量功能

分析模块可以利用测速模块等附加模块得到的数据，分析一定时间内该区域的车流量，能够为交管部门提供车辆分流、道路规划等方面的帮助。

6 设计创新点

6.1 设计特点

设计时采用齿轮与齿条传动蓄能，产品采取模块化设计，可以根据使用场合的选择不同的功能模块进行搭配，有利于产品的安装和后期的改进、维护。

6.2 创新特色

数字化储能减速带与目前市面上侧重减少震动的新型减速带不同，能够提高通过时的舒适性，减少对车辆造成损伤，对能量进行回收利用，具有一定创新性。产能机构能够收集经过车辆损耗的能量，将其转换为电能，实现能源回收再利用。产能机构能够吸收冲击，对车辆进行减震、缓冲，能够保障车辆使用寿命，降低减速带损坏率。

7 结语

大力发展非化石能源、推动绿色用能模式是实现中国“双碳”减排目标的关键。绿色、环保、安全是实现储能技术可持续发展的前提条件，具有布置灵活、场景适应性强的特点，有利于响应电力系统需求，提升产业价值。新型减速带在控制车速同时保证车辆行驶的舒适性，将车辆损耗的能量转化为电能使用，经济和社会价值潜力巨大。