交通系統(tǒng)減速帶優(yōu)化設計

李新華，楊 闖，張丁典，陳孝賢，樊韋夏

(中南大學)

1 現(xiàn)有減速帶負面影響剖析

現(xiàn)有減少帶主要問題主要有車輛通過減速帶時易導致顛簸，減速帶破損后易刮破輪胎，車輛駛過減速帶噪音污染嚴重，車輛駛過減速帶引起的震動對周邊居民及建筑產生不良影響等等。雖然減速帶的警示作用很好，一般駕駛者會提前減速，但是減速帶本身并沒有起到很好的減速功能。車速越快，這些影響越明顯?，F(xiàn)有減速帶減速的原理正是由于經過減速帶所引起的不良影響來降低駕駛者的期望車速，從而迫使駕駛者提前減速。為了解決人們對減速帶的不滿，就要對現(xiàn)有減速帶進行改進，改變其減速原理，使其既能達到使駕駛者減速的目的，又不會有顛簸、滑破車輪和噪音污染等這些不足。

2 減速帶設計改進方向

減速帶的幾種主要缺陷都是由減速帶和路面不在同一平面引起的，由此提出一種鑲嵌在路面里面的減速帶，讓減速帶表面和路面相齊平，從根本上克服減速帶易產生顛簸、易劃破輪胎、產生噪音污染和對周邊環(huán)境影響嚴重等不足。由于現(xiàn)有減速帶的減速原理是通過產生豎直方向上的震動給駕駛者帶來身體上的生理刺激和心理刺激來迫使駕駛者提前降低車速。但這些豎直方向上的振動有很大的負面影響，又因要與地面齊平，故想出通過水平方向上的阻力來給駕駛者反向沖擊力，以便達到減速目的，由此想到用柔性阻尼材料來做減速帶的主要部分。但因柔性阻尼材料易變性且不易固定，故提出用堅固的鑄鋼材料作框架來保護與固定。

此外，為了加強減速帶提供的物理減速效果，在減速帶表面使用道路反光材料噴繪與現(xiàn)有減速帶視覺效果類似的3D圖案，以便提前警示駕駛員主動減速。同時，結合道路排水系統(tǒng)進行設計，使該減速帶具有良好的排水性能，增強其使用年限。

3 設計總體構架

設計一種鑲嵌式道路減速帶，該減速帶主要分為條形橡膠塊和鑄鋼框架兩部分。其中條形橡膠塊由黑黃相間的橡膠組成，其橫截面為梯形;框架由1cm厚鑄鋼片焊接加工制造，內空，有三個與條形橡膠塊尺寸相同的凹槽，上表面是細小“V”形槽，凹槽表面有錐形鋼釘。

4 設計方案

4.1 設計方案綜述

選用彈性模量E=2.5MPa，摩擦系數(shù)u=0.47，抗彎壓強度σt＞590kPa的橡膠材料，此種橡膠材料可以由廢舊輪胎經特殊工藝加工制作而得?？蚣苓x用普通鑄鋼材料，條形橡膠塊橫截面積為梯形，上底為40cm，下底為30cm，高度為20cm;整條橡膠塊寬度和路面一致。鑄鋼框架采用1cm厚的鑄鋼片焊接加工而成，組成一塊長為2.4m，高為25cm，寬度和路面一致的長方體，每隔40cm挖空一個和條形橡膠快尺寸相同的凹槽，前后分別附加一款長度為30cm的鑄鋼片，方便固定。

4.2 主要模塊說明

(1)材料的選擇

減速帶利用的阻尼材料應滿足以下基本條件:①彈性模量;②容易獲得，價格低廉;③良好的耐磨性;④良好的抗彎拉強度。根據(jù)以上要求，最終確定選用50%順丁橡膠和50%天然橡膠配比而成。這種材料的彈性模量E=2.5MPa，泊松比u=4.7。

(2)減速帶參數(shù)的設計

根據(jù)簡支梁模型，計算出橡膠的抗拉彎強度范圍。計算的基本公式在應用計算中，選取大型車輛為中國一汽生產的城市客車CA6125URE31。計算所需抗拉彎強度為590kPa，選取的橡膠材料可以滿足要求，可靠性好。

①利用承壓特性模型計算滾動阻力

小汽車參數(shù)R=0.3m，m=1.5t，L=0.19m，E為正無窮，這公式只有在接觸面應力p與輪轍深度y的關系以及輪胎下陷量h已知的情況下才可算出。

②利用赫茲接觸模型計算接觸面應力p與輪轍深度y的關系

圖1

比較現(xiàn)在的減速帶，是通過高出路面的隴給駕駛者一個垂直于運動方向的加速度，讓其顛簸，迫使駕駛者提前減速。

傳統(tǒng)的減速帶在速度接近0的時候仍然會產生相對比較大的加速度，隨著速度的增加，加速度增加，一旦速度超過20km/h，加速度會逐漸減小，在40km/h左右時達到最小值，隨后加速度又呈上升趨勢。

也就是說，不論汽車以高速或低速通過時都會產生強烈的振動，這不僅導致車輛頻頻受損，影響公路的舒適性，而且大大降低了減速帶的公信力，甚至導致駕駛員產生逆反心理，對道路減速帶視而不見，從而影響控速效果，使道路減速帶的設置失去意義。另外，為了避開減速帶的顛簸，騎車者往往會選擇減速帶與路肩之間的空隙駛過，往往在上下班等高峰期會發(fā)生擁擠，導致與自行車相撞的現(xiàn)象，給人們生活造成不便。

鑲嵌式減速帶有效地解決了這一問題，在速度小于20km/h時，運動方向的加速度很小，幾乎不會對車身造成任何沖擊，速度一旦超過20km/h，加速度增大，司機在剛駛入減速帶時會明顯感覺到一個向后的沖擊，當速度超過40km/h時，加速度變化不明顯。這就大大的鼓勵大家自覺減速。

(3)減速帶銜接處的設計

現(xiàn)有的減速帶以及其他的一些固定在路面的交通設施都是通過大小不一的道釘進行固定，這種固定方式雖然方便簡單耐用性好但也存在一些缺陷。本減速帶采取鑲嵌于路基的方式。本身陷于路基內固定，再在鋼架四個腳上設計一個貼于路基的鑄鋼片，上面用道釘固定在路基上，這樣能夠達到更加好的固定效果。

①減速帶整體與路面的固定

采用大型道釘來固定，這種固定方式方便快捷，并且固定的效果顯著，設施穩(wěn)定性良好。在鑄鋼框架邊緣和路面結合處焊接鋼片，鋼片上用兩個道釘固定在路基的側面上，將減速帶整體鑲嵌在路基上，這樣的方式比在路面直接固定更加穩(wěn)定和耐用。

②橡膠條與鑄鋼的銜接

由于橡膠和鑄鋼不屬于同一種物質，結合不是很緊密，所以采用常見的橡膠填充工藝，將橡膠均勻的填充在鑄鋼架里面，并且在鑄鋼架的底部設置一些小鋼針，在鑄鋼架側部設置一些小凸起，這樣就便于橡膠和鑄鋼的充分結合，使得兩者成為一個整體，整體更具有穩(wěn)定性。然后在橡膠與鑄鋼的結合處涂上一種防水并且粘性很好的膠水，加強其穩(wěn)定性與耐用性能。

(4)減速帶的外觀設計

①鑲嵌式與路面平起設計

新型減速帶最主要的特點就是打破了以往傳統(tǒng)減速帶凸出路面的方式，采用新型的鑲嵌式設計，減速帶整體與路面平起，這樣極大解決了車輛過減速帶時的顛簸，有助于減輕駕駛者的不舒適感，與此同時又通過特殊的減速材料與結構讓過往的車輛達到一定的減速效果。

②減速帶夜晚可視設計

新型減速帶鑄鋼部分會設置條狀“V”狀的溝槽，并且在溝槽的兩側均勻的涂上有顏色的熒光粉，設置成“V”狀主要是一方面使熒光粉不至于與行駛的車輪摩擦，達到保護的效果，使其更加的耐用，另一方面“V”的不同角度能夠迎合駕駛者的角度，使熒光能夠直接到達駕駛者的視野里，提醒駕駛者前方有減速帶，主動減慢駕駛車速，減少交通事故的發(fā)生。

③減速帶的防護

a防水。一方面在橡膠與鑄鋼的結合處涂上防水的膠水，使水滴不能滲入橡膠中，另一方面在“V”型槽底部打一定數(shù)量的小孔，讓雨水從小孔中滲透下去，到達鑄鋼架底部，底部設計成一個小角度的傾斜結構，這樣使得積水能夠順利的從側面流出。

b防老化。在橡膠里面添加防老化添加劑，使其能有效地防止橡膠品的熱氧老化和臭氧老化及抗屈撓作用，如DFC—系列防老劑，另一方面在橡膠部分涂上防老化的油漆，減輕日曬高溫帶來的老化。

5 設計可行性分析

(1)減速帶的功能描述:針對現(xiàn)有減速帶的不足之處，綜合考慮技術、經濟等因素，設計完成平齊路面的鑲嵌式道路減速帶。改進后的減速帶先后通過視覺、觸覺等方面的提醒，減輕了傳統(tǒng)減速帶對城市道路上過往車輛尤其是自覺減速車輛的的不利影響。

(2)技術分析:減速帶以3D立體圖案為外形，視覺提醒功能強大。在結構上，減速帶采用在鑄鋼架中填充減速橡膠條的方式，將鑄鋼架鑲嵌于路基中，與路面平齊。使得減速帶既具有較好的減振效果，又具有極高的整體穩(wěn)定性，同時還避免了車輛在過減速帶時的過度顛簸。

(3)經濟分析:經過分析論證，減速帶的設計采用經濟實惠的再生橡膠作為材料，并合理設計排水功能，采取措施防止減速帶老化，延長其使用壽命?？梢哉f，設計方案在充分考慮功能優(yōu)化的前提下，十分有效地控制了制作成本。

(4)負面效果評價:減速帶的制作工藝簡單，但是體積偏大，所用材料多，還需要另外安裝固定，總體成本略高于普通減速帶。另外，現(xiàn)階段減速帶的安裝設計主要針對水泥路面，瀝青路面的安裝固定還需要進一步的改進。

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