基于自適應(yīng)理念的人性化減速帶設(shè)計(jì)

徐慧杰，付君偉

（312071 浙江省 紹興市 浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院）

0 引言

學(xué)校、醫(yī)院和居民小區(qū)的大門口對(duì)應(yīng)路段過往車輛比較密集，進(jìn)出行人穿梭不斷，為了避免發(fā)生交通事故，交管部門往往會(huì)在那些復(fù)雜路段設(shè)置斑馬線和減速帶，提醒駕駛員注意瞭望限速通過。目前，道路上安裝的減速帶都屬于簡(jiǎn)易類型，即通過一條駝峰型橡膠帶或鑄鐵帶人為制造0.03～0.06 m 的路面高低差，這種減速帶存在的最大問題是過往車輛都要感受顛簸后通過，對(duì)遵守交通規(guī)則限速通過車輛發(fā)出多余的提醒，影響車輛行駛的平順性，對(duì)違犯交通規(guī)則超速通過車輛發(fā)出的提醒又不夠強(qiáng)烈，難以督促他們遵守交通規(guī)則[1]。為此，有必要研發(fā)人性化路面減速帶，根據(jù)車輛的行駛速度決定是否制造路面高低差，按照車輛的超速情況對(duì)應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的凸起顛簸程度，使限速車輛不會(huì)感到顛簸而平順通過，超速車輛感到顛簸后振動(dòng)通過，提醒駕駛員已經(jīng)違反交通規(guī)則。

1 自適應(yīng)減速帶的結(jié)構(gòu)形式

按照交通規(guī)則，車輛經(jīng)過學(xué)校、醫(yī)院和居民小區(qū)的大門口對(duì)應(yīng)路段速度應(yīng)控制在40 km/h 以內(nèi)[2]。對(duì)于大多數(shù)遵守交通規(guī)則限速行駛的車輛而言，減速帶不必產(chǎn)生提醒作用，優(yōu)待守法車輛平順通過這一路段，而對(duì)于極少數(shù)違反交通規(guī)則超速行駛的車輛而言，減速帶必須發(fā)出強(qiáng)烈提醒，懲罰違法車輛顛簸通過這一路段。為了使減速帶具有這樣的人性化功能，引導(dǎo)駕駛員遵守交通規(guī)則控制車速安全駕駛，本文基于自適應(yīng)理念設(shè)計(jì)了一款人性化路面減速帶，見圖1 所示。減速帶主要由位于路面下方的基座1 和位于路面開口處的減速帶11 兩大部分構(gòu)成。減速帶11 背面右端固定棘爪鐵15；背面中部鉸接垂直限位軸13，垂直限位軸13 上端固定垂直彈簧擋圈14，垂直彈簧擋圈14 下面壓著垂直復(fù)位彈簧16，垂直復(fù)位彈簧16 坐在垂直方向限位板2 上，垂直方向限位板2 中間設(shè)有長(zhǎng)孔，垂直限位軸13 滑動(dòng)穿過垂直方向限位板2 中間的長(zhǎng)孔，垂直限位軸13在垂直方向限位板2 下面的探出端擰著垂直限位鎖緊螺母17；背面左端鉸接水平限位軸6，水平限位軸6 滑動(dòng)穿過水平導(dǎo)向圓孔，水平導(dǎo)向圓孔設(shè)置在水平導(dǎo)向板3 中間，水平導(dǎo)向板3 向左頂住水平復(fù)位彈簧9，水平復(fù)位彈簧9 向左壓著水平彈簧擋圈8，水平彈簧擋圈8 向左壓著調(diào)節(jié)鎖緊螺母7，調(diào)節(jié)鎖緊螺母7 擰在水平限位軸6 中部，水平限位軸6 再滑動(dòng)穿過水平限位圓孔，水平限位圓孔設(shè)置在水平限位板4 中間，水平限位板4 左側(cè)的水平限位軸6 的探出端擰著水平限位鎖緊螺母5?；? 采用全鋼焊接箱體結(jié)構(gòu)，上面板適當(dāng)位置設(shè)置安裝檢修孔，下面板適當(dāng)位置設(shè)置泄水孔，側(cè)壁適當(dāng)位置固定垂直方向限位板2、水平導(dǎo)向板3 和水平限位板4。

圖1 自適應(yīng)減速帶的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural form of adaptive speed bump

2 自適應(yīng)減速帶的基本原理

為了設(shè)計(jì)出人性化減速帶系統(tǒng)，首先要掌握系統(tǒng)中被控對(duì)象減速帶運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型[3]。它的輸入量為車輪撞擊減速帶時(shí)提供的推力，輸出量為減速帶的兩種運(yùn)動(dòng)形式：沿水平方向滑移或以鉸鏈為軸轉(zhuǎn)動(dòng)。水平滑移受到減速帶狀態(tài)改變的慣性作用、水平彈簧的復(fù)位作用、車輪撞擊的推動(dòng)作用。繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)受到減速帶自身的重力作用、車輪的重力作用和垂直彈簧的復(fù)位作用。在兩種運(yùn)動(dòng)過程中，都不考慮各個(gè)運(yùn)動(dòng)副間的摩擦阻力[4]。

2.1 減速帶水平滑移運(yùn)動(dòng)

減速帶狀態(tài)改變的慣性作用可以表示為

式中：F1——減速帶滑移慣性阻力，方向與車輛行進(jìn)方向相反；m1——減速帶質(zhì)量；a1——減速帶滑移加速度；v1——減速帶滑移速度；0 表示減速帶初速度為靜止?fàn)顟B(tài)。

水平彈簧的復(fù)位作用可以表示為

式中：F2——水平彈簧彈力，方向與車輛行進(jìn)方向相反；k2——彈性系數(shù)，對(duì)于選定彈簧屬于常數(shù)；x2——彈簧伸縮量。

車輪撞擊的推動(dòng)作用可以表示為

式中：F3——車輪撞擊減速帶產(chǎn)生的推力，規(guī)定為正方向；m3——汽車質(zhì)量；a3——車輪撞擊減速帶時(shí)的加速度；v前——車輪撞擊減速帶前的速度；v后——車輪撞擊減速帶后的速度；Δv3——車輪撞擊減速帶前后的速度變化量。

雖然汽車的質(zhì)量m3具有較大差異，但是它們撞擊同一障礙物時(shí)的作用力F3主要取決于行駛速度v前，這樣行駛速度v前便與減速帶的水平滑移運(yùn)動(dòng)建立如下線性關(guān)系[5]。

減速帶的水平滑移可以表示為

式中：s1——滑移距離；v1——滑移速度；t1——滑移時(shí)間。

在這款減速帶的設(shè)計(jì)中，滑移距離s1與水平彈簧伸縮量x1相等，滑移距離s1≤0.002 m，棘爪鐵處于懸空狀態(tài)?；凭嚯xs1的最大值為0.02 m；滑移時(shí)間t1為小于0.001 s 的極短瞬間，可以看作常量。

要使F1+F2≥－F3成立，即m1·v1+k2·x2=m1·s1/t1+k2·x2≥m3·（v前-v后）=m3·Δv3成立，由于不等式左端基本為固定值，某一行駛車輛的質(zhì)量m3也大致不變，只有降低行駛速度v前才能實(shí)現(xiàn)。而一旦F1+F2<-F3，即m1·v1+k2·x2=m1·s1/t1+k2·x2

2.2 減速帶繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)

當(dāng)車輛以限速形式觸及減速帶時(shí)，F(xiàn)1+F2≥-F3，減速帶向前的滑移量總是小于0.002 m，棘爪鐵處于懸空狀態(tài)，這時(shí)減速帶受自身重力以及車輪重力的共同作用足以克服垂直彈簧的復(fù)位作用，以水平限位鉸鏈為軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與路面平齊位置，轉(zhuǎn)動(dòng)過程可以表示為

式中：θ——旋轉(zhuǎn)角度；ω——角速度；t——旋轉(zhuǎn)時(shí)間。

由于ω非常快，θ又很小，這個(gè)過程同樣在極短瞬間內(nèi)完成。

當(dāng)車輛超速行駛撞擊減速帶時(shí)，造成F1+F2<-F3，減速帶向前的滑移量一定超過0.002 m，其背面的棘爪鐵便可以順勢(shì)卡到臺(tái)階斜面上，減速帶就無法以水平限位鉸鏈為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而制造出路面高低差。自適應(yīng)減速帶就是按照這樣的原理設(shè)計(jì)而成的。

3 自適應(yīng)減速帶的工作過程

無車輛通過時(shí)，減速帶11 的工作面為傾斜狀態(tài)，與路面形成一定角度θ；有車輛通過時(shí)，車輪接觸傾斜狀態(tài)的減速帶11，接觸點(diǎn)即切點(diǎn)K。如圖2 所示，車輪沿徑向在切點(diǎn)K 處對(duì)減速帶11 產(chǎn)生作用力F，該作用力F 由車輪的垂直重力G 和水平推力F3合成。水平推力F3與車輛行駛速度密切相關(guān)。只要車輛在限速范圍內(nèi)行駛，水平推力F3引起減速帶11 的水平滑移量就會(huì)小于0.002 m，棘爪鐵15 不會(huì)卡到前面的臺(tái)階斜面上，減速帶11 以水平限位鉸鏈為軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與路面平齊位置，讓車輪平順通過減速帶11，如圖3 所示。

圖2 車輪觸及減速帶受力分析Fig.2 Force analysis of wheel hitting speed bump

圖3 車輛限速通過減速帶的狀態(tài)Fig.3 Condition of a vehicle limiting through a speed bump

如圖4 所示，一旦車輛在超速狀態(tài)下經(jīng)過減速帶11，水平推力F3引起減速帶11 的水平滑移量就會(huì)大于0.002 m，棘爪鐵15 順勢(shì)卡到臺(tái)階斜面上，這時(shí)減速帶11 無法繞水平限位鉸鏈10 向下轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪必須爬上減速帶11 的斜坡后落地，使車輛產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸振動(dòng)。

圖4 車輛超速通過減速帶的狀態(tài)Fig.4 Condition of a vehicle speeding through a speed bump

該減速帶安裝前需要對(duì)內(nèi)外所有表面做好防銹處理，鉸鏈和限位軸等運(yùn)動(dòng)副做好黃甘油潤(rùn)滑，按照基座箱體外形尺寸在路面上開出合適的槽位，對(duì)應(yīng)基座的泄水孔位置敷設(shè)泄水管與路邊雨水排泄管相連，然后通過澆筑混凝土把減速帶基座箱體固定在路基上，并保證上面板與路面平齊。

4 自適應(yīng)減速帶的有益效果

通過該減速帶的工作過程分析，可以明顯看出它所具有的有益效果。當(dāng)車輛在限速范圍內(nèi)行駛通過減速帶時(shí)，減速帶背面右端的棘爪鐵不會(huì)卡到臺(tái)階斜面上，減速帶可以繞水平限位鉸鏈迅速轉(zhuǎn)動(dòng)到與路面平齊位置，讓車輪平順通過減速帶，免除了車輛顛簸的多余提醒[6]，提高了駕乘人員的舒適感。當(dāng)車輛在超速情況下通過減速帶時(shí)，減速帶背面右端的棘爪鐵順勢(shì)卡到臺(tái)階斜面上，減速帶無法繞水平限位鉸鏈向下轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪必須爬上減速帶的斜坡后落地，使車輛產(chǎn)生強(qiáng)烈顛簸振動(dòng)，提醒駕駛員已經(jīng)違反交通規(guī)則，請(qǐng)減速安全行駛。這款自適應(yīng)減速帶自主判斷車輛是否超速行駛，隨之決定是否發(fā)出顛簸提醒，充分體現(xiàn)出人性化特點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)選材上，它全部采用鋼鐵制作，基座箱體內(nèi)外表面做好防銹處理，鉸鏈和限位軸等運(yùn)動(dòng)副做好黃甘油潤(rùn)滑，基座箱體底部設(shè)有泄水孔與路邊雨水排泄管相連，使用壽命會(huì)大大延長(zhǎng)，維護(hù)成本顯著降低。該減速帶的基座埋在路基里，四周采用混凝土澆筑震實(shí)，確保減速帶穩(wěn)定牢固，長(zhǎng)期使用也不會(huì)松動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

在城市車流較大、人流密集和交通復(fù)雜的區(qū)域，安裝自適應(yīng)減速帶可敦促駕駛員遵守交通規(guī)則，減少交通事故，對(duì)道路交通安全產(chǎn)生積極影響。