孫雨昊, 馬其華, 潘家海, 龍杰克, 盧瑤瑤

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

減速帶是安裝在道路中使經(jīng)過(guò)車輛減速的交通設(shè)施.隨著汽車保有量和普及程度的飛速增長(zhǎng),減速帶的鋪設(shè)量也隨之增加.減速帶通常設(shè)置在公路道口、工礦企業(yè)、學(xué)校、住宅小區(qū)出入口等需要車輛減速慢行,或在容易發(fā)生交通事故的路段,用于降低機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車的行駛速度.傳統(tǒng)減速帶采用黑黃相間的塑膠制成,識(shí)別度較低,尤其在夜晚或者陰雨天等光照強(qiáng)度較弱的情況下,容易被駕駛者忽視,這不僅降低了駕駛?cè)藛T的舒適度,甚至?xí)谝欢ǔ潭壬显龃蠼煌ㄊ鹿拾l(fā)生率.同時(shí)傳統(tǒng)減速帶為限制車輛速度設(shè)置突起結(jié)構(gòu),當(dāng)車輛以較高速度通過(guò)時(shí),車體會(huì)產(chǎn)生劇烈震動(dòng),使駕駛者出現(xiàn)不舒服感覺(jué),劇烈震動(dòng)還會(huì)對(duì)車體自身造成一定的損害[1].由此可見(jiàn),傳統(tǒng)減速帶雖然一定程度上保障了道路交通安全,但駕駛者和車輛對(duì)其都有進(jìn)一步改進(jìn)的需求.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)減速帶行業(yè)注重機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新,力求增加駕駛者駕駛的舒適性,降低減速帶對(duì)車輛車胎的損害.史立康[2]對(duì)車輪與橡膠減速帶整個(gè)碰撞過(guò)程中輪心的垂向速度和加速度進(jìn)行分析,得出余弦曲線橡膠減速帶無(wú)速度突變的特性,既能減少減速帶對(duì)車體的損害又能改善行車平順性與乘坐舒適性.趙慶等[3-4]引入壓力感應(yīng)發(fā)電裝置,當(dāng)車輛通過(guò)減速帶時(shí),減速帶發(fā)生形變,高度降低為原高度的60%,比傳統(tǒng)減速帶降低20 mm,從而極大降低減速帶對(duì)車輛的損害程度,對(duì)限制通過(guò)車輛車速有較大的效果.

隨著節(jié)能減排觀念的普及,目前對(duì)節(jié)能型減速帶的研究設(shè)計(jì)主要從兩方面入手:一是回收系統(tǒng)中被忽視的能量[5];二是用可再生資源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源.

對(duì)回收系統(tǒng)中被忽視的能量,方桂花等[6]將液壓囊安裝在減速帶下方,車輛經(jīng)過(guò)減速帶時(shí)擠壓液壓囊中的液壓油,液壓油帶動(dòng)液壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,根據(jù)車輛通過(guò)減速帶時(shí)的重力勢(shì)能可估計(jì)路面發(fā)電裝置的能量回收量,但該方法沒(méi)有對(duì)具體的能量回收系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì).夏奧等[7]提出在減速帶上安裝太陽(yáng)能熒光燈,白天吸收太陽(yáng)能,晚上發(fā)光,提醒駕駛員注意減速.但太陽(yáng)能熒光燈的能量轉(zhuǎn)化效率較低,且收集的能量只能提供自身發(fā)光,不能為系統(tǒng)中其他電子元器件提供能量.

本文采用多傳感器和Arduino控制平臺(tái),設(shè)計(jì)一款新型節(jié)能減速帶,采用自動(dòng)調(diào)高機(jī)構(gòu),在不同車速下對(duì)減速帶進(jìn)行調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)智能減速功能.同時(shí),采用光電裝置將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)電能,提高減速帶的安全性并具節(jié)能特點(diǎn).

1 減速帶整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Arduino平臺(tái)的新型節(jié)能減速帶的模塊化設(shè)計(jì)[8]思路如圖1所示.首先對(duì)不同軸進(jìn)行設(shè)計(jì)校核,對(duì)升降機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選用,計(jì)算得到滿足使用要求的參數(shù),并利用SolidWorks軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì),對(duì)主要受力零件進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證其強(qiáng)度是否滿足使用要求.完成傳感器的選型及控制模塊搭建后,根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化,最終通過(guò)零件加工裝配進(jìn)行樣機(jī)搭建,并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證方案的可行性.

圖1 減速帶設(shè)計(jì)思路Fig.1 Design of speed-control humps

該減速帶選用耐磨性強(qiáng)、承載重力大且形變量小的鑄鋼替代橡膠作為制作材料.減速帶結(jié)構(gòu)在收縮時(shí)可承載14 t以上質(zhì)量且發(fā)生較小形變量;舒展時(shí)殼體與地面齊平,同時(shí)仍可承載同樣質(zhì)量,如圖2所示.與現(xiàn)有減速帶相比,當(dāng)車輛按照規(guī)定速度行駛通過(guò)時(shí),新型減速帶不會(huì)對(duì)車輛本身產(chǎn)生顛簸,駕駛者會(huì)得到較佳的駕駛體驗(yàn),在車輛行駛過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響周圍環(huán)境.此外,考慮現(xiàn)有減速帶企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),新型節(jié)能減速帶距地高度行程設(shè)置為0～50 mm[9].

圖2 減速帶結(jié)構(gòu)Fig.2 Structures of speed-control hump

1.1 主要軸設(shè)計(jì)

該新型減速帶使用7根軸傳動(dòng)[10],其中1根軸連接凸輪與驅(qū)動(dòng)電機(jī),可在驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)承載通過(guò)車輛的壓力.由于車輛通過(guò)時(shí)對(duì)軸產(chǎn)生的彎矩遠(yuǎn)大于其驅(qū)動(dòng)凸輪時(shí)的轉(zhuǎn)矩,因此將該軸劃分為心軸[11],采用心軸設(shè)計(jì)與校核方法進(jìn)行計(jì)算.此外,另有2根軸用于齒輪與發(fā)電機(jī)連接,4根軸用于齒輪間連接,根據(jù)以上條件劃分,該6根軸屬于轉(zhuǎn)軸,機(jī)構(gòu)如圖3所示.

圖3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of drive mechanism

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,驅(qū)動(dòng)軸需要滿足滿載時(shí)最大質(zhì)量≤14 t的中型卡車安全通過(guò),其材料選用應(yīng)用最廣泛的45鋼.

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算確定軸徑,為統(tǒng)一選用軸承,兩種類型的傳動(dòng)軸選擇相同尺寸軸,同時(shí)需要滿足工作要求,最終確定軸徑d=6 mm.

1.2 主要升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合新型減速帶的升降傳動(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.

新型減速帶的運(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),如圖4所示.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),為在上止點(diǎn)位置達(dá)到自鎖效果,選用對(duì)心放置方式.

圖4 凸輪兩種特殊狀態(tài)Fig.4 Two special states of cam

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°,推桿(即減速帶殼體)上升50 mm;當(dāng)凸輪再次轉(zhuǎn)過(guò)180°,推桿下降50 mm,回到初始位置.通過(guò)計(jì)算,確定基圓半徑r0>110 mm,根據(jù)基圓半徑和減速帶殼體運(yùn)動(dòng)軌跡要求,設(shè)計(jì)凸輪如圖5所示.

圖5 凸輪輪廓曲線Fig.5 Cam profile

1.3 主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于能量回收模塊,其主要功能包括兩方面:一是將減速帶殼體的垂直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng);二是通過(guò)改變傳動(dòng)比增大發(fā)電機(jī)的工作效率.

能量回收模塊中動(dòng)力傳輸如圖6所示.車輛通過(guò)減速帶殼體時(shí),重力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)齒條機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng),齒條驅(qū)動(dòng)齒輪齒條組中的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),小齒輪帶動(dòng)同軸傳動(dòng)的大齒輪,大齒輪又帶動(dòng)齒輪組中的小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),最終小齒輪帶動(dòng)同軸裝配的直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能.

圖6 動(dòng)力傳輸示意圖Fig.6 Schematic diagram of power transmission

圖中,小齒輪選擇直齒圓柱齒輪,壓力角取20°,選用7級(jí)精度,齒條和小齒輪材料均選用45鋼(調(diào)質(zhì)),齒面布式硬度(HBS)為240.選擇小齒輪齒數(shù)z1=20,考慮安裝誤差,最終通過(guò)計(jì)算確定小齒輪分度圓直徑d1=20 mm,齒寬b1=35 mm;大齒輪分度圓直徑d2=80 mm,齒寬b2=28 mm,齒數(shù)z2=80;齒條齒寬b3=28 mm,齒厚為s3=1.57 mm.

2 減速帶軟硬件控制設(shè)計(jì)

減速帶采用Arduino nano3.0[12]開(kāi)發(fā)板作為控制器,使用時(shí)僅需將Arduino板用數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)USB端口,使用AD/DC電源適配器或者電池就可以為Arduino板供能,運(yùn)行開(kāi)發(fā)板中已編譯的程序.

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)軟件框架圖Fig.7 System software block diagram

系統(tǒng)中自主調(diào)節(jié)發(fā)光模塊由光敏電阻傳感器實(shí)現(xiàn).基于光敏電阻的內(nèi)光電效應(yīng),其電阻值可隨著外界光照強(qiáng)弱(明暗)發(fā)生變化[13-14].啟動(dòng)系統(tǒng)后,Arduino采集當(dāng)前光敏電阻檢測(cè)到的電壓值并與提前設(shè)定的明暗臨界電壓值進(jìn)行比較,若檢測(cè)值高于臨界值則判斷光線較暗,開(kāi)啟RGB燈;若檢測(cè)值低于臨界值則判斷光線較亮,不開(kāi)啟RGB燈.

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在新型節(jié)能減速帶運(yùn)行過(guò)程中,需要電源對(duì)各類傳感器、單片機(jī)和執(zhí)行器提供能量,同時(shí)存儲(chǔ)能量回收模塊收集的能量.由于不同模塊間的許用電壓不同,需對(duì)電源進(jìn)行處理.因此在新型節(jié)能減速帶設(shè)計(jì)中,準(zhǔn)備24 V和5 V電源各一個(gè),不同電壓供電目標(biāo)如下.

1) 24 V電源:對(duì)H橋驅(qū)動(dòng)模塊供電進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),使新型節(jié)能減速帶殼體形態(tài)發(fā)生變化.

2) 5 V電源:對(duì)所有傳感器、單片機(jī)、RGB燈以及H橋模塊邏輯控制部分進(jìn)行供電,同時(shí)儲(chǔ)存能量回收模塊中太陽(yáng)能發(fā)電模塊和電磁轉(zhuǎn)換模塊收集的全部能量.

在系統(tǒng)搭建過(guò)程中,選擇5 V電源作為控制電源對(duì)Arduino進(jìn)行供電,考慮到光敏電阻傳感器、電磁感應(yīng)線圈和RGB燈與Arduino之間需要使用串口通信,因此使用Arduino為上述各類傳感器供電.此外,5 V電源還用來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能板和直流發(fā)電機(jī)收集回來(lái)的電能.

步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓為24 V,選擇24 V電源對(duì)其供電,考慮到能量回收模塊工作異常,為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,將5 V電源與穩(wěn)壓模塊連接[15],設(shè)計(jì)圖如圖8所示.

圖8 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.8 Power system design diagram

3 樣機(jī)模型搭建與試驗(yàn)

在樣機(jī)搭建驗(yàn)證階段,按照與實(shí)際尺寸1∶2的比例進(jìn)行搭建.心軸使用6 mm光軸,驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用28BYJ系列步進(jìn)電機(jī);殼體、凸輪、齒輪、轉(zhuǎn)軸等使用3D打印技術(shù)進(jìn)行打印、安裝.在線路連接上,使用杜邦線將各模塊連接,具體樣機(jī)搭建過(guò)程如下.

3.1 樣機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建

減速帶底部平臺(tái)作為系統(tǒng)的搭建載體,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,系統(tǒng)中除太陽(yáng)能發(fā)電模塊以外的各模塊均放置在殼體下部,僅減速帶殼體、太陽(yáng)能板和系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)外置,在殼體下方,為垂直移動(dòng)的齒條預(yù)留足夠的空間.底部平臺(tái)材料為亞克力板,并根據(jù)模型尺寸預(yù)留其與軸承座裝配的通孔.

在搭建過(guò)程中,殼體采用聚乳酸(PLA)材料,3D打印.各側(cè)板通過(guò)玻璃膠黏合,底板與各軸承座完成裝配后再與各側(cè)板進(jìn)行黏合.

3.2 樣機(jī)控制模塊搭建

在樣機(jī)控制模塊搭建中,主要模塊有Arduino nano 3.0、穩(wěn)壓模塊、控制電源、驅(qū)動(dòng)電源、光敏電阻傳感器和電磁感應(yīng)線圈等.其中,Arduino、穩(wěn)壓模塊、控制電源與驅(qū)動(dòng)電源放置于減速帶殼體下方;光敏電阻傳感器作為光線檢測(cè)部件安裝于減速帶殼體上;電磁感應(yīng)線圈作為測(cè)速部件安裝于遠(yuǎn)離減速帶殼體的底板下方進(jìn)行檢測(cè).

3.3 樣機(jī)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)的可行性,搭建樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),如圖9所示.具體試驗(yàn)如下:將樣機(jī)置于試驗(yàn)室地面,關(guān)閉燈光,制造光線較暗的環(huán)境;用手電筒模擬太陽(yáng)光進(jìn)行照射;在不同照射條件下觀察RGB燈是否正常發(fā)光、太陽(yáng)能板是否工作.經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),照明與能量回收功能均滿足設(shè)計(jì)要求.

圖9 樣機(jī)展示Fig.9 Prototype show

遙控控制可變速小車模擬實(shí)際車輛以不同速度經(jīng)過(guò)減速帶的情況進(jìn)行測(cè)速功能試驗(yàn).遙控小車在距離減速帶10 m處啟動(dòng),保證小車以近似勻速直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)通電線圈,反復(fù)試驗(yàn).當(dāng)小車低速度通過(guò)時(shí),RGB燈發(fā)出綠光,步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)180°;當(dāng)小車通過(guò)減速帶后,步進(jìn)電機(jī)再次運(yùn)作帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)180°,當(dāng)小車超速通過(guò)時(shí),RGB燈發(fā)出紅光,步進(jìn)電機(jī)不做反應(yīng),可實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能設(shè)計(jì)要求.

由于模型小車與實(shí)際車輛質(zhì)量有較大差距,可在減速帶上放置重物模擬實(shí)際車輛低速通過(guò)時(shí)使減速帶下降的場(chǎng)景.經(jīng)試驗(yàn),實(shí)際車輛的重力大于可使減速帶下降的最小壓力,步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)減速帶上升至恢復(fù)正常工作,升降殼體部分滿足設(shè)計(jì)要求.

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于Arduino平臺(tái)設(shè)計(jì)新型減速帶,結(jié)合實(shí)際需要,將機(jī)械結(jié)構(gòu)與軟硬件控制相結(jié)合,對(duì)現(xiàn)有減速帶進(jìn)行改進(jìn).通過(guò)齒輪組、凸輪組等機(jī)構(gòu)與車速檢測(cè)、自主調(diào)節(jié)發(fā)光模塊的組合,實(shí)現(xiàn)減速帶區(qū)別對(duì)待高、低速通過(guò)車輛,將減速帶對(duì)低速通過(guò)車輛的剛性沖擊轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝詻_擊,增加車輛通過(guò)時(shí)的舒適度并提高識(shí)別度.改進(jìn)后,設(shè)施更加科學(xué)、人性,同時(shí)減速過(guò)程將沖擊能與光能轉(zhuǎn)化成電能進(jìn)行利用,可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排要求.