基于自适应理念的人性化减速带设计

2021-11-03徐慧杰付君伟

农业装备与车辆工程 2021年10期

徐慧杰，付君伟

（312071 浙江省绍兴市浙江农业商贸职业学院）

0 引言

学校、医院和居民小区的大门口对应路段过往车辆比较密集，进出行人穿梭不断，为了避免发生交通事故，交管部门往往会在那些复杂路段设置斑马线和减速带，提醒驾驶员注意瞭望限速通过。目前，道路上安装的减速带都属于简易类型，即通过一条驼峰型橡胶带或铸铁带人为制造0.03～0.06 m 的路面高低差，这种减速带存在的最大问题是过往车辆都要感受颠簸后通过，对遵守交通规则限速通过车辆发出多余的提醒，影响车辆行驶的平顺性，对违犯交通规则超速通过车辆发出的提醒又不够强烈，难以督促他们遵守交通规则[1]。为此，有必要研发人性化路面减速带，根据车辆的行驶速度决定是否制造路面高低差，按照车辆的超速情况对应产生相应的凸起颠簸程度，使限速车辆不会感到颠簸而平顺通过，超速车辆感到颠簸后振动通过，提醒驾驶员已经违反交通规则。

1 自适应减速带的结构形式

按照交通规则，车辆经过学校、医院和居民小区的大门口对应路段速度应控制在40 km/h 以内[2]。对于大多数遵守交通规则限速行驶的车辆而言，减速带不必产生提醒作用，优待守法车辆平顺通过这一路段，而对于极少数违反交通规则超速行驶的车辆而言，减速带必须发出强烈提醒，惩罚违法车辆颠簸通过这一路段。为了使减速带具有这样的人性化功能，引导驾驶员遵守交通规则控制车速安全驾驶，本文基于自适应理念设计了一款人性化路面减速带，见图1 所示。减速带主要由位于路面下方的基座1 和位于路面开口处的减速带11 两大部分构成。减速带11 背面右端固定棘爪铁15；背面中部铰接垂直限位轴13，垂直限位轴13 上端固定垂直弹簧挡圈14，垂直弹簧挡圈14 下面压着垂直复位弹簧16，垂直复位弹簧16 坐在垂直方向限位板2 上，垂直方向限位板2 中间设有长孔，垂直限位轴13 滑动穿过垂直方向限位板2 中间的长孔，垂直限位轴13在垂直方向限位板2 下面的探出端拧着垂直限位锁紧螺母17；背面左端铰接水平限位轴6，水平限位轴6 滑动穿过水平导向圆孔，水平导向圆孔设置在水平导向板3 中间，水平导向板3 向左顶住水平复位弹簧9，水平复位弹簧9 向左压着水平弹簧挡圈8，水平弹簧挡圈8 向左压着调节锁紧螺母7，调节锁紧螺母7 拧在水平限位轴6 中部，水平限位轴6 再滑动穿过水平限位圆孔，水平限位圆孔设置在水平限位板4 中间，水平限位板4 左侧的水平限位轴6 的探出端拧着水平限位锁紧螺母5。基座1 采用全钢焊接箱体结构，上面板适当位置设置安装检修孔，下面板适当位置设置泄水孔，侧壁适当位置固定垂直方向限位板2、水平导向板3 和水平限位板4。

图1 自适应减速带的结构形式Fig.1 Structural form of adaptive speed bump

2 自适应减速带的基本原理

为了设计出人性化减速带系统，首先要掌握系统中被控对象减速带运动的数学模型[3]。它的输入量为车轮撞击减速带时提供的推力，输出量为减速带的两种运动形式：沿水平方向滑移或以铰链为轴转动。水平滑移受到减速带状态改变的惯性作用、水平弹簧的复位作用、车轮撞击的推动作用。绕轴转动受到减速带自身的重力作用、车轮的重力作用和垂直弹簧的复位作用。在两种运动过程中，都不考虑各个运动副间的摩擦阻力[4]。

2.1 减速带水平滑移运动

减速带状态改变的惯性作用可以表示为

式中：F1——减速带滑移惯性阻力，方向与车辆行进方向相反；m1——减速带质量；a1——减速带滑移加速度；v1——减速带滑移速度；0 表示减速带初速度为静止状态。

水平弹簧的复位作用可以表示为

式中：F2——水平弹簧弹力，方向与车辆行进方向相反；k2——弹性系数，对于选定弹簧属于常数；x2——弹簧伸缩量。

车轮撞击的推动作用可以表示为

式中：F3——车轮撞击减速带产生的推力，规定为正方向；m3——汽车质量；a3——车轮撞击减速带时的加速度；v前——车轮撞击减速带前的速度；v后——车轮撞击减速带后的速度；Δv3——车轮撞击减速带前后的速度变化量。

虽然汽车的质量m3具有较大差异，但是它们撞击同一障碍物时的作用力F3主要取决于行驶速度v前，这样行驶速度v前便与减速带的水平滑移运动建立如下线性关系[5]。

减速带的水平滑移可以表示为

式中：s1——滑移距离；v1——滑移速度；t1——滑移时间。

在这款减速带的设计中，滑移距离s1与水平弹簧伸缩量x1相等，滑移距离s1≤0.002 m，棘爪铁处于悬空状态。滑移距离s1的最大值为0.02 m；滑移时间t1为小于0.001 s 的极短瞬间，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为固定值，某一行驶车辆的质量m3也大致不变，只有降低行驶速度v前才能实现。而一旦F1+F2<-F3，即m1·v1+k2·x2=m1·s1/t1+k2·x2

2.2 减速带绕轴转动

当车辆以限速形式触及减速带时，F1+F2≥-F3，减速带向前的滑移量总是小于0.002 m，棘爪铁处于悬空状态，这时减速带受自身重力以及车轮重力的共同作用足以克服垂直弹簧的复位作用，以水平限位铰链为轴转动到与路面平齐位置，转动过程可以表示为

式中：θ——旋转角度；ω——角速度；t——旋转时间。

由于ω非常快，θ又很小，这个过程同样在极短瞬间内完成。

当车辆超速行驶撞击减速带时，造成F1+F2<-F3，减速带向前的滑移量一定超过0.002 m，其背面的棘爪铁便可以顺势卡到台阶斜面上，减速带就无法以水平限位铰链为轴转动，从而制造出路面高低差。自适应减速带就是按照这样的原理设计而成的。

3 自适应减速带的工作过程

无车辆通过时，减速带11 的工作面为倾斜状态，与路面形成一定角度θ；有车辆通过时，车轮接触倾斜状态的减速带11，接触点即切点K。如图2 所示，车轮沿径向在切点K 处对减速带11 产生作用力F，该作用力F 由车轮的垂直重力G 和水平推力F3合成。水平推力F3与车辆行驶速度密切相关。只要车辆在限速范围内行驶，水平推力F3引起减速带11 的水平滑移量就会小于0.002 m，棘爪铁15 不会卡到前面的台阶斜面上，减速带11 以水平限位铰链为轴转动到与路面平齐位置，让车轮平顺通过减速带11，如图3 所示。

图2 车轮触及减速带受力分析Fig.2 Force analysis of wheel hitting speed bump

图3 车辆限速通过减速带的状态Fig.3 Condition of a vehicle limiting through a speed bump

如图4 所示，一旦车辆在超速状态下经过减速带11，水平推力F3引起减速带11 的水平滑移量就会大于0.002 m，棘爪铁15 顺势卡到台阶斜面上，这时减速带11 无法绕水平限位铰链10 向下转动，车轮必须爬上减速带11 的斜坡后落地，使车辆产生强烈颠簸振动。

图4 车辆超速通过减速带的状态Fig.4 Condition of a vehicle speeding through a speed bump

该减速带安装前需要对内外所有表面做好防锈处理，铰链和限位轴等运动副做好黄甘油润滑，按照基座箱体外形尺寸在路面上开出合适的槽位，对应基座的泄水孔位置敷设泄水管与路边雨水排泄管相连，然后通过浇筑混凝土把减速带基座箱体固定在路基上，并保证上面板与路面平齐。

4 自适应减速带的有益效果

通过该减速带的工作过程分析，可以明显看出它所具有的有益效果。当车辆在限速范围内行驶通过减速带时，减速带背面右端的棘爪铁不会卡到台阶斜面上，减速带可以绕水平限位铰链迅速转动到与路面平齐位置，让车轮平顺通过减速带，免除了车辆颠簸的多余提醒[6]，提高了驾乘人员的舒适感。当车辆在超速情况下通过减速带时，减速带背面右端的棘爪铁顺势卡到台阶斜面上，减速带无法绕水平限位铰链向下转动，车轮必须爬上减速带的斜坡后落地，使车辆产生强烈颠簸振动，提醒驾驶员已经违反交通规则，请减速安全行驶。这款自适应减速带自主判断车辆是否超速行驶，随之决定是否发出颠簸提醒，充分体现出人性化特点。在结构选材上，它全部采用钢铁制作，基座箱体内外表面做好防锈处理，铰链和限位轴等运动副做好黄甘油润滑，基座箱体底部设有泄水孔与路边雨水排泄管相连，使用寿命会大大延长，维护成本显著降低。该减速带的基座埋在路基里，四周采用混凝土浇筑震实，确保减速带稳定牢固，长期使用也不会松动。