一種防止汽車(chē)逆行減速帶的設(shè)計(jì)

劉建剛，杜風(fēng)嬌，王朝波

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建南平 354300)

0 引言

普通的減速帶已經(jīng)廣泛使用在我國(guó)道路上，但是還缺少防止車(chē)輛逆行功能，艾佳等人[1]設(shè)計(jì)了一款多功能減速帶，該減速帶主要是用來(lái)裝載兩個(gè)阻攔板并使得兩個(gè)攔截板間擁有一定的活動(dòng)空間，兩個(gè)阻攔板分別是短擋板和長(zhǎng)擋板，兩攔截板是由性能優(yōu)良、強(qiáng)度較好且易恢復(fù)的金屬制成?？梢栽谶^(guò)往車(chē)輛碾壓和阻攔車(chē)輛時(shí)產(chǎn)生的形變減小。前板較厚較短主要用來(lái)阻擋車(chē)輛后輪，后板較長(zhǎng)主要用來(lái)支撐前板。吳子英和位強(qiáng)[2]將雙穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量發(fā)電裝置引入到減速帶結(jié)構(gòu)中，提出了一種雙穩(wěn)態(tài)減速帶振動(dòng)能量捕獲裝置，建立了其力學(xué)模型和控制方程。郝大寧[3]設(shè)計(jì)了一種減速帶振動(dòng)能量回收裝置,該裝置利用兩個(gè)單向軸承將減速帶的下降和上升的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向運(yùn)動(dòng),使用行程開(kāi)關(guān)控制離合器接合分離進(jìn)而控制恒力渦卷彈簧發(fā)電時(shí)間,達(dá)到定時(shí)發(fā)電和產(chǎn)生穩(wěn)定電流并回收能量的目的,提高能量使用率。葉偉等人[4]設(shè)計(jì)了一種可變通行方向的減速帶,可根據(jù)需要任意改變道路車(chē)輛的通行方向。該減速帶利用機(jī)械的不同形態(tài)來(lái)控制不同的運(yùn)動(dòng)。羅準(zhǔn)等人[5]設(shè)計(jì)了一種新型減速帶,可以根據(jù)汽車(chē)速度的不同實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)緩沖力度,同時(shí)還具有發(fā)電的功能,該減速帶將汽車(chē)行駛過(guò)程中對(duì)減速帶的壓力勢(shì)能通過(guò)轉(zhuǎn)化收集儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi),通過(guò)LED燈在夜間光線弱的情況下提醒司機(jī),避免了車(chē)輛的強(qiáng)烈震動(dòng)影響駕駛的安全性和舒適性。姚明等人[6]構(gòu)建了汽車(chē)懸架模型與振動(dòng)減速標(biāo)線-車(chē)速耦合激勵(lì)模型，以車(chē)輛懸架由減速標(biāo)線激勵(lì)產(chǎn)生的垂直方向加速度均方根值為評(píng)價(jià)指標(biāo),采用Simulink對(duì)車(chē)輛以一定速度通過(guò)減速標(biāo)線時(shí)的振動(dòng)激勵(lì)特性進(jìn)行了仿真分析。劉金等人[7]設(shè)計(jì)了一款在減速帶上安裝有減震軸,使得減速帶不僅具有減速的功能,還能通過(guò)減震軸減輕車(chē)輛的震動(dòng)幅度,防止車(chē)輛內(nèi)零部件受到損傷,保護(hù)了車(chē)輛安全,提高了騎行的舒適感。

本文作者設(shè)計(jì)了一款防逆行減速帶，不僅可以讓符合交通規(guī)定車(chē)輛通過(guò)時(shí)減速慢行，而且還可防止不按交通法規(guī)逆行的車(chē)輛通行。其原理為安裝在減速帶上的一排三角形錐齒。車(chē)輛按正確方向行駛時(shí)，輪胎可以把錐齒壓進(jìn)減速帶的凹槽中順利通行，車(chē)輛逆行減速帶上面立起的錐齒則會(huì)直接扎破輪胎，使輪胎漏氣而導(dǎo)致車(chē)輛不能行駛。該減速帶可使用在規(guī)定為單向行駛的特殊路段(小區(qū)、學(xué)校等交通事故易發(fā)地)，防止汽車(chē)逆行。

1 理論計(jì)算

該減速帶由減速帶外殼、錐齒、錐齒桿、彈簧組成，如圖1所示，3個(gè)錐齒桿并列安裝在錐齒桿上，彈簧安裝在錐齒及減速帶殼體上受拉伸，使得錐齒在正常行駛的車(chē)輛順利通行后復(fù)位。逆行方向如圖1所示，A至B方向行駛時(shí)，錐齒發(fā)生自鎖，阻止逆行車(chē)輛行駛，當(dāng)車(chē)輛行駛方向由B至A時(shí)，錐齒受車(chē)輛輪胎壓力順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至減速帶殼體之下，致使車(chē)輛順利通行。減速帶三維模型如圖2所示。

圖1 減速帶裝配圖

圖2 減速帶三維模型

1.1 汽車(chē)順行時(shí)的受力分析計(jì)算

如圖3所示，半徑為r的汽車(chē)車(chē)輪以速度v正向通過(guò)減速帶時(shí)，車(chē)輪會(huì)對(duì)減速帶的錐齒斜面產(chǎn)生大小為F的壓力，迫使減速帶的錐齒沿著旋轉(zhuǎn)中心O逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，如圖3中ω轉(zhuǎn)動(dòng)方向所示，從而實(shí)現(xiàn)錐齒被壓入減速帶凹槽，保證車(chē)輛正向通過(guò)時(shí)不會(huì)被錐齒扎破輪胎。在車(chē)輪將錐齒壓入減速帶凹槽的過(guò)程中，錐齒所受彈簧的拉力可以忽略不計(jì)，因?yàn)檩喬?duì)錐齒的壓力F?F彈。汽車(chē)通過(guò)減速帶之后，被壓入減速帶凹槽的錐齒會(huì)在彈簧的拉力下重新立起。

圖3 車(chē)輛順行時(shí)受力分析

1.2 汽車(chē)逆行時(shí)自鎖分析計(jì)算

如圖4所示，當(dāng)汽車(chē)在減速帶上逆向行駛時(shí)，汽車(chē)的車(chē)輪會(huì)壓向立起的錐齒，錐齒將受到來(lái)自車(chē)輪圓心O的壓力F，F(xiàn)作用在錐齒齒尖時(shí)，將分解為水平向右的力F2和豎直向下的力F1。當(dāng)車(chē)輪與減速帶錐齒接觸的瞬間，由于錐齒僅有逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，錐齒將會(huì)有沿著ω方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)水平向右的F2產(chǎn)生的力矩M1大于豎直向下的F1產(chǎn)生的力矩M2時(shí)，錐齒將發(fā)生自鎖而不被壓入減速帶。

如圖4所示，單個(gè)錐齒的逆行受力分析，已知F為汽車(chē)對(duì)錐齒的壓力，方向與水平方向呈θ，大小為汽車(chē)的重力，力臂L1與L2與減速帶外殼和錐齒高度有關(guān)。已知減速帶和錐齒高度，可得L1=20 mm、L2=65 mm。θ與車(chē)輪的直徑有關(guān)，汽車(chē)輪胎的直徑尺寸在381～558.8 mm之間，汽車(chē)輪胎的寬度在165～225 mm之間，汽車(chē)輪胎扁平率為0.45～0.70，即汽車(chē)輪胎寬度在110～115 mm之間。選取輪胎最大的直徑進(jìn)行分析。取汽車(chē)輪胎最大直徑558.8 mm，可得θ=47°。

圖4 錐齒自鎖分析

由圖4可得:

F1=FsinθF2=Fcosθ

(1)

以力矩逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，可以得到力?

M1=F1·L1M2=F2·L2

(2)

當(dāng)M2>M1時(shí)，錐齒將發(fā)生自鎖,也就證明了

Fsinθ·L1

(3)

即:

sinθ·L1

(4)

(5)

又因?yàn)棣?47°、L1=20 mm、L2=65 mm，所以

(6)

即:

M2>M1

(7)

由此可得當(dāng)汽車(chē)車(chē)輪逆向通過(guò)減速帶時(shí)，錐齒發(fā)生自鎖，錐齒不被車(chē)輪壓入減速帶。

2 減速帶外殼有限元分析

2.1 減速帶外殼受力分析

該減速帶設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是允許質(zhì)量為20 t以下的車(chē)輛通過(guò)，當(dāng)一輛質(zhì)量為20 t的車(chē)輛正向通過(guò)減速帶時(shí)，汽車(chē)的前輪會(huì)先壓上減速帶，即減速帶靜力有限元分析載荷為5 t。

2.2 減速帶外殼靜態(tài)分析

利用有限元分析軟件對(duì)減速帶進(jìn)行靜態(tài)分析和疲勞分析。該減速帶外殼材料采用Q235。材料參數(shù)[8]：密度為7.85 g/cm3，彈性模量E為200～210 GPa，泊松比ν為0.25～0.33，抗拉強(qiáng)度σb為370～500 MPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，減速帶外殼添加載荷5 t的壓力，其有限元分析結(jié)果如圖5—7所示。

圖5 減速帶外殼應(yīng)力圖

圖6 減速帶外殼應(yīng)變圖

由圖5可知減速帶應(yīng)力最大為193.53 MPa，小于Q235鋼許用應(yīng)力為235 MPa，該減速帶滿足設(shè)計(jì)要求。

由圖7可知減速帶的最大位移為0.054 2 mm，處于彈性變形階段，最大允許變形量滿足要求，當(dāng)汽車(chē)通過(guò)后不會(huì)發(fā)生永久性變形，最大位移滿足要求。

圖7 減速帶外殼位移圖

2.3 減速帶外殼疲勞分析

減速帶外殼在循環(huán)通過(guò)汽車(chē)，會(huì)導(dǎo)致減速帶外殼發(fā)生塑性變形和疲勞變形，這種變形程度決定減速帶的使用壽命。在車(chē)輛不斷碾壓下，減速帶的殼體形狀產(chǎn)生疲勞破壞及塑性變形，從而導(dǎo)致減速帶產(chǎn)生一些裂紋，基于此利用有限元分析軟件對(duì)減速帶外殼進(jìn)行疲勞分析，如圖8—9所示。由圖9可知，疲勞破壞對(duì)減速帶邊緣影響最為明顯，減速帶在疲勞分析時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)變形現(xiàn)象，僅點(diǎn)破壞大于3，對(duì)數(shù)破壞小于1，滿足材料使用要求。

圖8 外殼疲勞分析僅點(diǎn)

圖9 外殼疲勞分析對(duì)數(shù)破壞

圖10和圖11分別為外殼疲勞分析安全因子和外殼疲勞分析壽命置信度。

圖10 外殼疲勞分析安全因子

圖11 外殼疲勞分析壽命置信度

由圖10和圖11可知疲勞分析的安全因子、疲勞分析的壽命置信度均大于1，滿足防止汽車(chē)逆行的減速帶的設(shè)計(jì)要求。

由減速帶的靜態(tài)與疲勞分析可知，減速帶采用Q235材料滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一款防逆行減速帶，能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛正常行駛時(shí)將錐齒順利地壓入減速帶凹槽順利減速通過(guò)，車(chē)輛逆行時(shí)錐齒發(fā)生自鎖不被輪胎壓入減速帶凹槽，而將輪胎扎破防止其逆行。由有限元軟件對(duì)減速帶外殼進(jìn)行有限元分析，根據(jù)靜態(tài)有限元分析及疲勞分析結(jié)果可知該減速帶采用Q235滿足設(shè)計(jì)要求。