交通系统减速带优化设计

2013-11-04李新华张丁典陈孝贤樊韦夏

黑龙江交通科技 2013年12期

李新华，杨闯，张丁典，陈孝贤，樊韦夏

(中南大学)

1 现有减速带负面影响剖析

现有减少带主要问题主要有车辆通过减速带时易导致颠簸，减速带破损后易刮破轮胎，车辆驶过减速带噪音污染严重，车辆驶过减速带引起的震动对周边居民及建筑产生不良影响等等。虽然减速带的警示作用很好，一般驾驶者会提前减速，但是减速带本身并没有起到很好的减速功能。车速越快，这些影响越明显。现有减速带减速的原理正是由于经过减速带所引起的不良影响来降低驾驶者的期望车速，从而迫使驾驶者提前减速。为了解决人们对减速带的不满，就要对现有减速带进行改进，改变其减速原理，使其既能达到使驾驶者减速的目的，又不会有颠簸、滑破车轮和噪音污染等这些不足。

2 减速带设计改进方向

减速带的几种主要缺陷都是由减速带和路面不在同一平面引起的，由此提出一种镶嵌在路面里面的减速带，让减速带表面和路面相齐平，从根本上克服减速带易产生颠簸、易划破轮胎、产生噪音污染和对周边环境影响严重等不足。由于现有减速带的减速原理是通过产生竖直方向上的震动给驾驶者带来身体上的生理刺激和心理刺激来迫使驾驶者提前降低车速。但这些竖直方向上的振动有很大的负面影响，又因要与地面齐平，故想出通过水平方向上的阻力来给驾驶者反向冲击力，以便达到减速目的，由此想到用柔性阻尼材料来做减速带的主要部分。但因柔性阻尼材料易变性且不易固定，故提出用坚固的铸钢材料作框架来保护与固定。

此外，为了加强减速带提供的物理减速效果，在减速带表面使用道路反光材料喷绘与现有减速带视觉效果类似的3D图案，以便提前警示驾驶员主动减速。同时，结合道路排水系统进行设计，使该减速带具有良好的排水性能，增强其使用年限。

3 设计总体构架

设计一种镶嵌式道路减速带，该减速带主要分为条形橡胶块和铸钢框架两部分。其中条形橡胶块由黑黄相间的橡胶组成，其横截面为梯形;框架由1cm厚铸钢片焊接加工制造，内空，有三个与条形橡胶块尺寸相同的凹槽，上表面是细小“V”形槽，凹槽表面有锥形钢钉。

4 设计方案

4.1 设计方案综述

选用弹性模量E=2.5MPa，摩擦系数u=0.47，抗弯压强度σt＞590kPa的橡胶材料，此种橡胶材料可以由废旧轮胎经特殊工艺加工制作而得。框架选用普通铸钢材料，条形橡胶块横截面积为梯形，上底为40cm，下底为30cm，高度为20cm;整条橡胶块宽度和路面一致。铸钢框架采用1cm厚的铸钢片焊接加工而成，组成一块长为2.4m，高为25cm，宽度和路面一致的长方体，每隔40cm挖空一个和条形橡胶快尺寸相同的凹槽，前后分别附加一款长度为30cm的铸钢片，方便固定。

4.2 主要模块说明

(1)材料的选择

减速带利用的阻尼材料应满足以下基本条件:①弹性模量;②容易获得，价格低廉;③良好的耐磨性;④良好的抗弯拉强度。根据以上要求，最终确定选用50%顺丁橡胶和50%天然橡胶配比而成。这种材料的弹性模量E=2.5MPa，泊松比u=4.7。

(2)减速带参数的设计

根据简支梁模型，计算出橡胶的抗拉弯强度范围。计算的基本公式在应用计算中，选取大型车辆为中国一汽生产的城市客车CA6125URE31。计算所需抗拉弯强度为590kPa，选取的橡胶材料可以满足要求，可靠性好。

①利用承压特性模型计算滚动阻力

小汽车参数R=0.3m，m=1.5t，L=0.19m，E为正无穷，这公式只有在接触面应力p与轮辙深度y的关系以及轮胎下陷量h已知的情况下才可算出。

②利用赫兹接触模型计算接触面应力p与轮辙深度y的关系

图1

比较现在的减速带，是通过高出路面的陇给驾驶者一个垂直于运动方向的加速度，让其颠簸，迫使驾驶者提前减速。

传统的减速带在速度接近0的时候仍然会产生相对比较大的加速度，随着速度的增加，加速度增加，一旦速度超过20km/h，加速度会逐渐减小，在40km/h左右时达到最小值，随后加速度又呈上升趋势。

也就是说，不论汽车以高速或低速通过时都会产生强烈的振动，这不仅导致车辆频频受损，影响公路的舒适性，而且大大降低了减速带的公信力，甚至导致驾驶员产生逆反心理，对道路减速带视而不见，从而影响控速效果，使道路减速带的设置失去意义。另外，为了避开减速带的颠簸，骑车者往往会选择减速带与路肩之间的空隙驶过，往往在上下班等高峰期会发生拥挤，导致与自行车相撞的现象，给人们生活造成不便。

镶嵌式减速带有效地解决了这一问题，在速度小于20km/h时，运动方向的加速度很小，几乎不会对车身造成任何冲击，速度一旦超过20km/h，加速度增大，司机在刚驶入减速带时会明显感觉到一个向后的冲击，当速度超过40km/h时，加速度变化不明显。这就大大的鼓励大家自觉减速。

(3)减速带衔接处的设计

现有的减速带以及其他的一些固定在路面的交通设施都是通过大小不一的道钉进行固定，这种固定方式虽然方便简单耐用性好但也存在一些缺陷。本减速带采取镶嵌于路基的方式。本身陷于路基内固定，再在钢架四个脚上设计一个贴于路基的铸钢片，上面用道钉固定在路基上，这样能够达到更加好的固定效果。

①减速带整体与路面的固定

采用大型道钉来固定，这种固定方式方便快捷，并且固定的效果显著，设施稳定性良好。在铸钢框架边缘和路面结合处焊接钢片，钢片上用两个道钉固定在路基的侧面上，将减速带整体镶嵌在路基上，这样的方式比在路面直接固定更加稳定和耐用。

②橡胶条与铸钢的衔接

由于橡胶和铸钢不属于同一种物质，结合不是很紧密，所以采用常见的橡胶填充工艺，将橡胶均匀的填充在铸钢架里面，并且在铸钢架的底部设置一些小钢针，在铸钢架侧部设置一些小凸起，这样就便于橡胶和铸钢的充分结合，使得两者成为一个整体，整体更具有稳定性。然后在橡胶与铸钢的结合处涂上一种防水并且粘性很好的胶水，加强其稳定性与耐用性能。

(4)减速带的外观设计

①镶嵌式与路面平起设计

新型减速带最主要的特点就是打破了以往传统减速带凸出路面的方式，采用新型的镶嵌式设计，减速带整体与路面平起，这样极大解决了车辆过减速带时的颠簸，有助于减轻驾驶者的不舒适感，与此同时又通过特殊的减速材料与结构让过往的车辆达到一定的减速效果。

②减速带夜晚可视设计

新型减速带铸钢部分会设置条状“V”状的沟槽，并且在沟槽的两侧均匀的涂上有颜色的荧光粉，设置成“V”状主要是一方面使荧光粉不至于与行驶的车轮摩擦，达到保护的效果，使其更加的耐用，另一方面“V”的不同角度能够迎合驾驶者的角度，使荧光能够直接到达驾驶者的视野里，提醒驾驶者前方有减速带，主动减慢驾驶车速，减少交通事故的发生。

③减速带的防护

a防水。一方面在橡胶与铸钢的结合处涂上防水的胶水，使水滴不能渗入橡胶中，另一方面在“V”型槽底部打一定数量的小孔，让雨水从小孔中渗透下去，到达铸钢架底部，底部设计成一个小角度的倾斜结构，这样使得积水能够顺利的从侧面流出。

b防老化。在橡胶里面添加防老化添加剂，使其能有效地防止橡胶品的热氧老化和臭氧老化及抗屈挠作用，如DFC—系列防老剂，另一方面在橡胶部分涂上防老化的油漆，减轻日晒高温带来的老化。