一种防止汽车逆行减速带的设计

2021-10-30刘建刚杜风娇王朝波

汽车零部件 2021年10期

刘建刚，杜风娇，王朝波

(武夷学院机电工程学院，福建南平 354300)

0 引言

普通的减速带已经广泛使用在我国道路上，但是还缺少防止车辆逆行功能，艾佳等人[1]设计了一款多功能减速带，该减速带主要是用来装载两个阻拦板并使得两个拦截板间拥有一定的活动空间，两个阻拦板分别是短挡板和长挡板，两拦截板是由性能优良、强度较好且易恢复的金属制成。可以在过往车辆碾压和阻拦车辆时产生的形变减小。前板较厚较短主要用来阻挡车辆后轮，后板较长主要用来支撑前板。吴子英和位强[2]将双稳态振动能量发电装置引入到减速带结构中，提出了一种双稳态减速带振动能量捕获装置，建立了其力学模型和控制方程。郝大宁[3]设计了一种减速带振动能量回收装置,该装置利用两个单向轴承将减速带的下降和上升的运动转换为单向运动,使用行程开关控制离合器接合分离进而控制恒力涡卷弹簧发电时间,达到定时发电和产生稳定电流并回收能量的目的,提高能量使用率。叶伟等人[4]设计了一种可变通行方向的减速带,可根据需要任意改变道路车辆的通行方向。该减速带利用机械的不同形态来控制不同的运动。罗准等人[5]设计了一种新型减速带,可以根据汽车速度的不同实时调节缓冲力度,同时还具有发电的功能,该减速带将汽车行驶过程中对减速带的压力势能通过转化收集储存在蓄电池内,通过LED灯在夜间光线弱的情况下提醒司机,避免了车辆的强烈震动影响驾驶的安全性和舒适性。姚明等人[6]构建了汽车悬架模型与振动减速标线-车速耦合激励模型，以车辆悬架由减速标线激励产生的垂直方向加速度均方根值为评价指标,采用Simulink对车辆以一定速度通过减速标线时的振动激励特性进行了仿真分析。刘金等人[7]设计了一款在减速带上安装有减震轴,使得减速带不仅具有减速的功能,还能通过减震轴减轻车辆的震动幅度,防止车辆内零部件受到损伤,保护了车辆安全,提高了骑行的舒适感。

本文作者设计了一款防逆行减速带，不仅可以让符合交通规定车辆通过时减速慢行，而且还可防止不按交通法规逆行的车辆通行。其原理为安装在减速带上的一排三角形锥齿。车辆按正确方向行驶时，轮胎可以把锥齿压进减速带的凹槽中顺利通行，车辆逆行减速带上面立起的锥齿则会直接扎破轮胎，使轮胎漏气而导致车辆不能行驶。该减速带可使用在规定为单向行驶的特殊路段(小区、学校等交通事故易发地)，防止汽车逆行。

1 理论计算

该减速带由减速带外壳、锥齿、锥齿杆、弹簧组成，如图1所示，3个锥齿杆并列安装在锥齿杆上，弹簧安装在锥齿及减速带壳体上受拉伸，使得锥齿在正常行驶的车辆顺利通行后复位。逆行方向如图1所示，A至B方向行驶时，锥齿发生自锁，阻止逆行车辆行驶，当车辆行驶方向由B至A时，锥齿受车辆轮胎压力顺时针旋转至减速带壳体之下，致使车辆顺利通行。减速带三维模型如图2所示。

图1 减速带装配图

图2 减速带三维模型

1.1 汽车顺行时的受力分析计算

如图3所示，半径为r的汽车车轮以速度v正向通过减速带时，车轮会对减速带的锥齿斜面产生大小为F的压力，迫使减速带的锥齿沿着旋转中心O逆时针旋转，如图3中ω转动方向所示，从而实现锥齿被压入减速带凹槽，保证车辆正向通过时不会被锥齿扎破轮胎。在车轮将锥齿压入减速带凹槽的过程中，锥齿所受弹簧的拉力可以忽略不计，因为轮胎对锥齿的压力F≫F弹。汽车通过减速带之后，被压入减速带凹槽的锥齿会在弹簧的拉力下重新立起。

图3 车辆顺行时受力分析

1.2 汽车逆行时自锁分析计算

如图4所示，当汽车在减速带上逆向行驶时，汽车的车轮会压向立起的锥齿，锥齿将受到来自车轮圆心O的压力F，F作用在锥齿齿尖时，将分解为水平向右的力F2和竖直向下的力F1。当车轮与减速带锥齿接触的瞬间，由于锥齿仅有逆时针转动的自由度，锥齿将会有沿着ω方向转动的趋势，当水平向右的F2产生的力矩M1大于竖直向下的F1产生的力矩M2时，锥齿将发生自锁而不被压入减速带。

如图4所示，单个锥齿的逆行受力分析，已知F为汽车对锥齿的压力，方向与水平方向呈θ，大小为汽车的重力，力臂L1与L2与减速带外壳和锥齿高度有关。已知减速带和锥齿高度，可得L1=20 mm、L2=65 mm。θ与车轮的直径有关，汽车轮胎的直径尺寸在381～558.8 mm之间，汽车轮胎的宽度在165～225 mm之间，汽车轮胎扁平率为0.45～0.70，即汽车轮胎宽度在110～115 mm之间。选取轮胎最大的直径进行分析。取汽车轮胎最大直径558.8 mm，可得θ=47°。

图4 锥齿自锁分析

由图4可得:

F1=FsinθF2=Fcosθ

(1)

以力矩逆时针方向为正，可以得到力矩:

M1=F1·L1M2=F2·L2

(2)

当M2>M1时，锥齿将发生自锁,也就证明了

Fsinθ·L1

(3)

即:

sinθ·L1

(4)

(5)

又因为θ=47°、L1=20 mm、L2=65 mm，所以

(6)

即:

M2>M1

(7)

由此可得当汽车车轮逆向通过减速带时，锥齿发生自锁，锥齿不被车轮压入减速带。

2 减速带外壳有限元分析

2.1 减速带外壳受力分析

该减速带设计标准是允许质量为20 t以下的车辆通过，当一辆质量为20 t的车辆正向通过减速带时，汽车的前轮会先压上减速带，即减速带静力有限元分析载荷为5 t。

2.2 减速带外壳静态分析

利用有限元分析软件对减速带进行静态分析和疲劳分析。该减速带外壳材料采用Q235。材料参数[8]：密度为7.85 g/cm3，弹性模量E为200～210 GPa，泊松比ν为0.25～0.33，抗拉强度σb为370～500 MPa，屈服强度为235 MPa，减速带外壳添加载荷5 t的压力，其有限元分析结果如图5—7所示。

图5 减速带外壳应力图

图6 减速带外壳应变图

由图5可知减速带应力最大为193.53 MPa，小于Q235钢许用应力为235 MPa，该减速带满足设计要求。

由图7可知减速带的最大位移为0.054 2 mm，处于弹性变形阶段，最大允许变形量满足要求，当汽车通过后不会发生永久性变形，最大位移满足要求。

图7 减速带外壳位移图

2.3 减速带外壳疲劳分析

减速带外壳在循环通过汽车，会导致减速带外壳发生塑性变形和疲劳变形，这种变形程度决定减速带的使用寿命。在车辆不断碾压下，减速带的壳体形状产生疲劳破坏及塑性变形，从而导致减速带产生一些裂纹，基于此利用有限元分析软件对减速带外壳进行疲劳分析，如图8—9所示。由图9可知，疲劳破坏对减速带边缘影响最为明显，减速带在疲劳分析时并没有出现变形现象，仅点破坏大于3，对数破坏小于1，满足材料使用要求。