智能警示可調(diào)式減速帶設(shè)計(jì)與研究

摘 要：鑒于傳統(tǒng)減速帶無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)高低，車輛通過(guò)減速帶產(chǎn)生劇烈震動(dòng)這一問題，本文深入研究道路現(xiàn)應(yīng)用的幾種限速措施，根據(jù)社會(huì)實(shí)際需要對(duì)減速帶進(jìn)行改進(jìn);分析減速帶模型，對(duì)智能警示可調(diào)式減速帶的電子控制系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、電機(jī)及減速器等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)超速行駛起到了警示作用，提高了行車安全性，有效解決減速帶對(duì)汽車本身造成的磨損和對(duì)乘客乘坐時(shí)產(chǎn)生不舒適感覺等不良影響。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì);限速措施;機(jī)械結(jié)構(gòu)

引言

有關(guān)部門研究表明車輛行駛速度每增加1km/h交通事故死亡率就會(huì)增加3%-5%。為減少超速事故的發(fā)生，在限速路段會(huì)設(shè)置減速帶。減速帶屬于垂直速度控制措施之一，通過(guò)改變道路某段的高度或材料，根據(jù)心、生理原理強(qiáng)制機(jī)動(dòng)車減速，以達(dá)到安全的目的。減速帶的研究與發(fā)展對(duì)道路的安全起到?jīng)Q定性的重大意義。傳統(tǒng)減速帶無(wú)法根據(jù)車速快與慢自動(dòng)調(diào)節(jié)高度，通過(guò)減速帶也會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)感，震動(dòng)會(huì)對(duì)汽車減震系統(tǒng)造成一定的傷害，同時(shí)震動(dòng)感會(huì)對(duì)駕駛員以及乘客帶來(lái)不舒適的感覺。基于以上因素，在滿足傳統(tǒng)減速帶安全作用的前提下，可從人的心理學(xué)和人機(jī)工程學(xué)等方面對(duì)減速帶進(jìn)一步地創(chuàng)新和研究。

本研究通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛行車時(shí)的速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)減速帶的高度。車輛速度超過(guò)規(guī)定安全行車車速，減速帶將會(huì)自動(dòng)升高，使車輛通過(guò)時(shí)震動(dòng)感增強(qiáng)，從而警示駕駛員所駕乘的車輛已經(jīng)超出規(guī)定車速線，應(yīng)及時(shí)降低車速安全行駛;相反，車輛的速度在規(guī)定車速內(nèi)，應(yīng)降低減速帶高度使減速帶與路面平齊，使車輛平穩(wěn)通過(guò)，減少車輛的震動(dòng)感，提高乘坐舒適性，延長(zhǎng)車輛減震器的使用壽命。

1、國(guó)內(nèi)外減速帶研究發(fā)展

為了保證道路行駛安全，減速帶在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)已研究應(yīng)用了減速丘、道釘、新型瓦楞形式的減速帶。同時(shí)，國(guó)外一些國(guó)家開始另辟蹊徑，從仿真的角度設(shè)計(jì)出泥濘、懸崖、行人、障礙物等立體圖，從駕駛員心理上做出有效的判斷從而降低車速，在通過(guò)這種無(wú)震動(dòng)感立體圖式減速帶時(shí)，還要考慮到駕駛員行駛次數(shù)較多時(shí)從而忽略這種減速帶，如果真正的突發(fā)路況時(shí)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。

2、 智能警示可調(diào)式減速帶設(shè)計(jì)內(nèi)容及原理

本設(shè)計(jì)研究綜合考慮減速帶的減速效果及設(shè)計(jì)實(shí)施的難度，擬采用截面為梯形的減速帶作為本次設(shè)計(jì)減速帶的結(jié)構(gòu)，并且該減速帶選用耐磨性強(qiáng)、承載重力大且形變量小的鑄造合金鋼替代橡膠作為制作材料，并且在減速帶上面安裝太陽(yáng)能板從而吸收光能轉(zhuǎn)化為電能為電機(jī)提供能量減速帶結(jié)構(gòu)在收縮時(shí)可承載15t左右質(zhì)量且發(fā)生較小形變量;舒展時(shí)殼體與地面齊平，減少車通過(guò)時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)感同時(shí)仍可承載同樣質(zhì)量，考慮現(xiàn)有減速帶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，智能減速帶距地高度行程設(shè)置為0-50mm。

本設(shè)計(jì)首先選用Arduino計(jì)時(shí)用來(lái)監(jiān)測(cè)道路上來(lái)往車輛的速度信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到電腦CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而判斷出此車輛是否超速行駛，如超速行駛通過(guò)控制器向電機(jī)發(fā)出信號(hào)從而帶動(dòng)減速機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)凸輪達(dá)到上止點(diǎn)，從而使減速帶殼體能夠提升高度，達(dá)到強(qiáng)制減速作用目的，如果沒超速智能減速帶將與地面一平使車輛平穩(wěn)通過(guò)減少震動(dòng)感。本設(shè)計(jì)是將兩道光敏電阻電壓安裝在距離智能警示可調(diào)式減速帶前15和前5米處的位置，為減速帶的升降和信號(hào)的轉(zhuǎn)換提供充足的時(shí)間，讓電腦做出判斷不妨礙其他車輛的行駛。

2.1減速帶殼體設(shè)計(jì)

由于減速帶采用的是智能可調(diào)式減速帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且減速帶的工作環(huán)境較為惡劣，考慮到橡膠材質(zhì)的穩(wěn)定性及抗壓能力，所以減速帶殼體是采用鑄造合金鋼作為減速帶的材質(zhì)，鑄造合金鋼擁有良好的抗壓能力及硬度，足以滿足大部分車輛的通行而不至于壓毀減速帶?？紤]到減速帶使用場(chǎng)景大多數(shù)是人員較多的小區(qū)出入口及學(xué)校附近、路口等位置所以本次設(shè)計(jì)的減速帶長(zhǎng)度為4米，基本滿足單行道加上人行道的寬度。

2.2減速帶主要升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合智能可調(diào)式減速帶的升降傳動(dòng)特點(diǎn)，即運(yùn)動(dòng)行程較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊且殼體表面無(wú)突起裝置，根據(jù)減速帶距地高度行程設(shè)置，最終選擇凸輪機(jī)構(gòu)作為控制殼體形態(tài)變化的主動(dòng)件。智能可調(diào)式減速帶的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力較小，僅需承受其殼體自身重力即可，但在凸輪達(dá)到上止點(diǎn)或下止點(diǎn)時(shí)，減速帶靜止但需要承受較大壓力（即減速帶殼體本身重力和所通過(guò)車輛重力之和），結(jié)合各凸輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，選擇接觸面積相對(duì)較大的平底從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)，在上止點(diǎn)位置達(dá)到自鎖效果，選用對(duì)心放置方式。

根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求：當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)過(guò)180°，減速帶殼體上升50mm;當(dāng)凸輪再次轉(zhuǎn)過(guò)180°，減速帶下降50mm，回到初始位置。選擇45#鋼作為凸輪材料。為了確保凸輪在達(dá)到上止點(diǎn)時(shí)不至于被減速帶自重及車輛壓毀，暫定基圓半徑r0>110m，根據(jù)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，減速帶殼體運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示。

凸輪的運(yùn)動(dòng)需要軸做支撐，根據(jù)設(shè)計(jì)的預(yù)期要求，即滿足15t左右車重地通過(guò)要求，將軸設(shè)計(jì)為直徑為80mm，為了達(dá)到一定的安全系數(shù)，材料選擇為鑄造合金鋼。

2.3軸承與軸承座的選擇

軸承作為標(biāo)準(zhǔn)件，為了與軸配合，選取軸承的內(nèi)徑為80mm，因?yàn)檩S承的工作環(huán)境較差，為防止異物進(jìn)入軸承，導(dǎo)致軸承損壞，并且因?yàn)檩S承所要承載的重力比較大，所以選擇兩面帶防塵蓋的雙列角接觸球軸承。選取與軸承配套的軸承座用以固定軸承，為了保證在車輛接觸減速帶瞬間軸承的穩(wěn)定，選取二螺柱立式軸承座。軸承的材質(zhì)選取軸承鋼，軸承座的材質(zhì)選為45#鋼。

2.4聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器是連接凸輪軸與減速機(jī)的主要零部件，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到減速機(jī)輸出的扭矩的大小，同時(shí)還要考慮減速機(jī)輸出軸與凸輪軸的尺寸以便于使用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，因?yàn)橥馆嗇S的直徑為80mm，所以選取聯(lián)軸器輸出端的內(nèi)徑為80mm。為了便于聯(lián)軸器的安裝，聯(lián)軸器的另一端也選取內(nèi)徑為80mm，材質(zhì)選為45#鋼。

2.5電機(jī)及減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本文的設(shè)計(jì)中，電機(jī)作為智能可調(diào)式減速帶的動(dòng)力來(lái)源，只需電機(jī)及減速機(jī)輸出的扭矩能夠克服減速帶殼體及凸輪軸自身重力產(chǎn)生的扭矩之和。當(dāng)減速帶升起后，凸輪軸就可以自鎖。因此綜合上述原因，選取斜齒三相異步電機(jī)及減速機(jī)以傳遞較大的扭矩，電機(jī)及減速機(jī)的材質(zhì)選為45#鋼。

2.6系統(tǒng)軟硬件控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為控制核心，將測(cè)速的數(shù)值進(jìn)行比較分析：如果值大于40km/h，則發(fā)出指令，使三相異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)使減速帶升起。當(dāng)車輛通過(guò)減速帶后，帶動(dòng)凸輪軸旋轉(zhuǎn)使減速帶下降至平鋪狀態(tài);若值小于40km/h，則不作動(dòng)作與地面平齊。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)研究在傳統(tǒng)減速帶的基礎(chǔ)上引入了電子控制系統(tǒng)，增加了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，在獲取車速信號(hào)后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)減速帶高度，實(shí)現(xiàn)了減速帶結(jié)構(gòu)及控制方面的創(chuàng)新。更好地服務(wù)于人們?nèi)粘Ｊ褂茫瑵M足了應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)構(gòu)思合理、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)性較好，優(yōu)化與改造空間大，具有較廣闊的推廣空間和應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：

魏宇（1997-10-），男，籍貫：黑龍江省齊齊哈爾市泰來(lái)縣，本科，? 哈爾濱劍橋?qū)W院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，研究方向：汽車服務(wù)工程。

基金項(xiàng)目：2020年黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202013303007）