楊依坤　周開來　王冠懿

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）08-0018-04

引言

隨著經濟的發(fā)展，汽車保有量逐年增長，隨之而來的交通安全問題、能源消耗問題以及汽車排放問題逐漸受到重視。汽車排放不僅是指汽車的尾氣排放，還指汽車的制動排放。制動排放主要是指制動粉塵，它的來源主要是剎車片，特別是具有較好散熱特性的盤式制動器使制動粉塵產生的懸浮粒子、重金屬粒子及有毒粒子直接進入空氣。

為減輕駛過減速帶時的顛簸感，汽車的頻繁制動減速會產生大量制動粉塵。據(jù)調查，目前在汽車制動系統(tǒng)約60%的摩擦材料因剎車被磨損而進入環(huán)境中，將產生102萬噸的摩擦顆粒物排放。特別是校園及景區(qū)園區(qū)等人員密集地區(qū)，行車制動粉塵尚未自然沉降就會被吸入人體，嚴重危害人員肺部健康。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進，人民對健康環(huán)保有了更加嚴格的要求，汽車制動排放問題因此亟待解決。

針對以上的背景和問題，本文基于可持續(xù)思維，提出了一種具備空氣凈化功能的可選擇性下沉能量自供給減速帶設計，能夠提高車輛低速通過減速帶的舒適度，并實時產生水霧以快速沉降制動粉塵，減低對附近人員肺部健康損害。

一、研究背景及意義

減速帶是一種大量安裝在公路道口、學校等路段的，用于車輛減速的設施。傳統(tǒng)的減速帶通過在地面上安裝梯形橡膠使地面微拱，給予過往車輛一個垂直加速度，使得司機舒適感降低，從而逼迫司機減速。

（一）目前常用減速帶存在的問題

1.無選擇性減速：對于高低速車輛均會造成沖擊，使駕車體驗感下降。

2.使用壽命較低：減速帶在減緩汽車速度時，自身也會受到沖擊影響，使得使用壽命降低，需要定期更換。

3.能量利用率低：通過減速帶時一部分動能會轉化成重力勢能，另一部分則會被懸架阻尼所消耗，這些能量往往會被浪費。

4.瞬間排放量高：經過減速帶時車輛會經歷先減速再加速的瞬態(tài)工況，研究表明，車輛運行工況對尾氣排放率的影響較為顯著，車輛有害排放物的40%-80%來自加速、減速、怠速等情況，如圖1所示。

5.制動排放量高：制動減速時剎車片與剎車碟（鼓）及輪胎與地面的摩擦，將車輛行進的動能轉換成摩擦后的熱能減低車速，而此過程中將會產生大量制動粉塵。

6.損傷汽車部件：盡管低速通過減速帶能降低其對車輛的傷害，但是實際上，不論是以多慢的速度通過減速帶，都有可能對車輛的懸掛系統(tǒng)和輪胎造成傷害。所以長期通過減速帶，對車具有一定的負面影響。

為改進以上問題，現(xiàn)行方案是利用非牛頓流體填充于減速帶的下部。而現(xiàn)有的基于減速帶的能量回收方案，大多將減速帶設計為可下沉結構，將下沉的勢能及動能通過發(fā)電機來實現(xiàn)機械能到電能的裝換，但發(fā)電效率低、電力儲存困難、成本高，得不償失。因此本文基于可持續(xù)性思維，提出一種具備空氣凈化功能的可選擇性下沉能量自供給減速帶設計思路，能夠提高車輛低速通過減速帶的舒適度、回收汽車能量，同時凈化馬路上的空氣。

（二）設計意義

（1）對汽車的減速具有選擇性，汽車低速通過時減速帶下沉，汽車高速通過時減速帶不下沉以完成對汽車的減速，提高駕駛者通過減速帶的舒適度：

（2）獨創(chuàng)的高效能量回收與傳動裝置，使汽車通過減速帶的能量得到回收利用;

（3）傳動系統(tǒng)末端連接空氣凈化系統(tǒng)，能夠有效降低揚塵和顆粒物濃度，從而減少汽車經過減速帶的排放，提高空氣質量。

二、可持續(xù)設計思維下的減速帶設計定位

（一）設計理念、目標和功能需求

可持續(xù)設計來源于可持續(xù)發(fā)展的理念，是以良好、穩(wěn)定的自然資源、生態(tài)環(huán)境為前提和基礎，有能力使其持續(xù)開發(fā)下去，既滿足當代需要，又不損及后代滿足其發(fā)展的能力，也就是當下減少對未來的損害是可持續(xù)設計的目標。

因此減速帶的設計不僅要滿足原本的減速功能，更應滿足環(huán)境友好的要求，力求減少資源消耗，并能充分利用各種資源，實現(xiàn)污染物自凈和資源的循環(huán)利用。具體來說，是在能量和資源利用率最高的前提下，將汽車排放污染物轉化為可利用資源，同時采用人性化設計的方法，有效滿足人們對于車輛行駛的舒適需求，最終實現(xiàn)良性循環(huán)。

（二）設計思想和原理指導

本次設計采用系統(tǒng)論的設計思想進行減速帶的設計，將可持續(xù)發(fā)展作為目的性，在該核心系統(tǒng)論的基礎上進行多層次、多維度地探討分析，通過綜合高效的系統(tǒng)原理指導設計，對設計的產品進行不斷優(yōu)化。在諸多合理設計中尋求一個動態(tài)、平衡、持續(xù)發(fā)展的設計方案。

（三）目標實現(xiàn)的方法設計及技術保障

本次設計在結構上采用可選擇性下沉式結構，需要對汽車速度進行選擇。根據(jù)不同的車速進行不同模式的工作。當汽車高速運行通過減速帶時，減速帶不會下沉以保障減速帶正常功能。當汽車低速運行通過時，減速帶會選擇性下沉，在提高汽車乘坐舒適性的同時，降低減速帶以及汽車受到的沖擊載荷，提高懸架及減速帶的使用壽命，保障減速帶的可持續(xù)運行及工作。

（四）能量回收利用

在能量回收及利用方面，相較于傳統(tǒng)的減速帶實現(xiàn)不同能量類型之間（如機械能轉化為電能）的轉換，本次設計的能量利用效率需要達到更高。因此本次設計采用無電化的純機械結構，將汽車的機械能通過機械結構傳遞直接轉化為空氣凈化模塊的動能，由于機械結構之間的傳遞效率較高，減速帶整體的能量損失會較小。此外采用對減速帶設計儲能機構，在提高能量利用效率的同時，還可以維持空氣凈化模塊持續(xù)性工作。

（五）材料選取分析

在材料方面，本次設計需要采用綠色環(huán)保的可持續(xù)性材料。外部的減速帶模塊相較傳統(tǒng)的塑料、橡膠材料，本次設計采用鑄鐵和鑄鋼的減速帶材料。由于塑料和橡膠材料的減速帶易損壞，壽命較短不符合本次設計理念。傳統(tǒng)減速帶也有使用鑄鋼和鑄鐵材料的，雖然提升了減速帶的使用壽命，但是金屬材料的減速帶對汽車產生的沖擊載荷較大，對汽車零部件有較大損傷，因此金屬減速帶不適合大范圍使用。而本次設計的結構需要克服了金屬材料沖擊載荷較大的不足，在保障合理的沖擊載荷的同時，提高了減速帶的使用壽命，保障減速帶的可持續(xù)性。對于空氣凈化模塊內部的過濾膜，本次設計均采用可持續(xù)性使用以及綠色環(huán)保型的材料，確保減速帶的可持續(xù)性運行及工作。

結合上述分析，本方案中減速帶的整體設計需滿足以下幾個原則：

1.減少資源損耗：汽車撞擊減速帶時消耗機械能并對汽車懸架造成不可逆的損傷，同時還會磨損減速帶，減少其使用壽命，因此設計方案應盡量減弱減速帶與車輛的撞擊。

2.資源重復利用：應設計一種結構使減速帶能夠回收汽車經過減速帶時損耗的能量并用于環(huán)境凈化。

3.實現(xiàn)環(huán)境凈化：該減速帶應具有環(huán)境凈化模塊，凈化汽車產生的制動粉塵。

4.可持續(xù)性使用：減速帶相關材料需要具有壽命長、環(huán)境友好，可持續(xù)性使用的特點，確保減速帶的可持續(xù)性工作。

5.技術簡單可行：在問題有效解決的前提下，設計實現(xiàn)成本應較低，使其便于推廣以獲得更大的社會效益和環(huán)境收益。

6.設計以人為本：減速帶既要滿足減速功能，又要減弱低速車用戶駛過減速帶時的顛簸感。

三、減速帶原理和結構的創(chuàng)新設計

為解決路面揚塵問題，目前主要是采用道路霧炮灑水車方式，通過定時灑水車噴灑水霧降低道路灰塵，但其時效性差、阻礙交通、高壓霧化降塵率低下。因此本文提出了一種實時降低汽車制動粉塵的設計思路，利用汽車下壓減速帶的能量為空氣凈化提供動力。當車輛經過時，就能立刻收集到汽車經過減速帶時所損失的能量，并將這部分能量直接轉化為空氣凈化裝置的動力，以達到實時凈化空氣的目的。

為解決目前改進式的饋能減速帶將能量轉化為電能，能量利用效率低且沖擊導致壽命下降的問題，本設計在結構上采用無電化的純機械結構，避免了機械能與電能之間相互轉化傳遞效率低的問題。借助于機械結構傳遞效率高的特點，本設計利用機械結構將汽車的機械能轉換為空氣凈化裝置機械能，提高了能量的利用效率。此外，本設計通過二級下沉機構與選擇性下沉機構結合方式，既能夠緩沖抵消汽車及減速帶受到的;中擊，提高減速帶和汽車零部件的壽命，也可以保留減速帶原有功能，對高速運行的車輛進行速度限制，如圖2所示。

結合上述分析，本裝置針對目前汽車制動粉塵問題進行添加或者改造現(xiàn)有減速帶機構。在總體結構上，本裝置主要包括選擇下沉模塊、傳動模塊和空氣凈化模塊，整體結構如圖3所示。

如圖4所示，本裝置的工作原理為：裝置設置于減速帶正下方，通過選擇性下沉模塊區(qū)分汽車快慢速情況，并利用二段下沉結構抵消汽車接觸減速帶時的瞬間沖擊。當汽車慢速通過時，通過傳動模塊傳送動力至環(huán)境凈化模塊。并設計單向儲能機構實現(xiàn)下沉模塊復位后傳動模塊繼續(xù)為環(huán)境凈化模塊提供動力;當車輛高速通過時下沉模塊中速差式鎖止機構快速鎖止，此時減速帶無法下沉，達到保留減速帶減速的原有功能。

四、減速帶各模塊設計分析

（一）選擇下沉模塊設計

選擇下沉模塊為本裝置的核心模塊，其設計目的在于保留減速帶基本功能的同時，回收汽車途徑減速帶的能量，保護低速汽車的汽車懸架，也能改善現(xiàn)行減速帶壽命問題。

對比現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，目前針對減速帶進行的改進種類很多，其對應都是將減速帶下沉的能量進行回收利用，但其方式僅是采用導軌與復位彈簧的方式實現(xiàn)。在結構和推進效率上存在著非常明顯的不足：

1.基本功能無法實現(xiàn)：目前改進式減速帶下沉模塊無論汽車高低速都能實現(xiàn)減速帶下壓，因此在改進后會喪失減速帶最基本的功能，無法確保在人群密集處汽車穩(wěn)定減速，因此改進式減速帶無法在交通上推廣應用。

2.無法保證壽命：由于汽車在經過減速帶時都會產生較大沖擊，以現(xiàn)有普通減速帶而言，由于結構簡單其壽命得以保證，而改進后的減速帶均會由于模塊的下沉沖擊影響其后面的傳動模塊。導致壽命無法保證，因而改進式減速帶不適合于工程化適用。

針對上述問題，設計方案添加了對裝置的選擇性與保護性，以保障減速帶的可持續(xù)性。可選擇性是針對慢速汽車實現(xiàn)懸架保護，而對快速汽車保留減速帶功能實現(xiàn)汽車降速。保護性體現(xiàn)在機構鎖止情況下避免現(xiàn)傳動軸承受扭轉沖擊現(xiàn)象，保護下沉模塊連接的傳動模塊?；谠撔Ч⒘吮狙b置的選擇下沉模塊，在結構上，該模塊由二段下沉傳動機構與選擇下沉機構組成，結構如圖5所示。二段下沉傳動機構分為一級、二級下沉機構，一級下沉機構由彈簧、復位導軌組成;二級下沉機構由減速帶、齒條連接支撐件組成。選擇下沉機構由速差式鎖止機構實現(xiàn)，其主要由敏感球、棘輪鎖止棘爪、復位彈簧組成，如圖6所示。

工作原理為：為避免機構鎖止下出現(xiàn)傳動軸承受扭轉沖擊現(xiàn)象，在減速帶和二級下沉機構之間留有空隙。其實現(xiàn)原理為減速帶下沉先經過一級下沉機構，并視為機械式敏感元件，若出現(xiàn)車速過快現(xiàn)象，與一級下沉機構連接的速差式鎖止機構及時鎖止，且不將位移傳動至二級下沉機構;如果車速較慢，減速帶將位移傳導至二級下沉機構，即減速帶通過內導軌按壓彈簧并下壓齒條連接支撐件，實現(xiàn)二級下沉機構與傳動模塊接合運動。選擇下沉功能由速差式鎖止機構結構模型如圖5所示，其原理為在棘輪旋轉速度低時，鎖止棘爪不彈出，棘輪正常轉動，當棘輪旋轉速度快時，由于離心力的作用，當離心力大于鎖止棘爪的復位彈簧彈力時，棘爪彈出與棘輪接觸鎖死，由此實現(xiàn)不同速度下選擇下沉功能。

如表1所示，通過對比目前和改進后的現(xiàn)有設計，本次設計的減速帶可知的選擇下沉模塊具有以下創(chuàng)新點：

1.設計速差離合器實現(xiàn)了減速帶可選擇性下沉。相比傳統(tǒng)減速帶該方式能實現(xiàn)汽車低速時保護汽車懸架，減小行駛顛簸感，同時回收汽車能量用以空氣凈化;相比改進式減速帶該方式保留了汽車減速的功能，而改進式減速帶在汽車高低速時，減速帶均會下沉，缺失了減速帶的基本作用，如圖了所示。

2.設計了二段下沉機構保護減速帶。其中一級機構作為機械敏感元件可實現(xiàn)對汽車車速的可選擇性，且在一、二級下沉機構間留有安全距離，一級機構鎖止時不會將沖擊力傳導至傳動模塊，從而提高了整個裝置的壽命，解決了目前改進式減速帶的壽命通病問題，提升了改進式減速帶工程應用的可行性。

（二）傳動模塊設計

傳動模塊在設計上采用簡化設計，避免復雜的傳動機構，力求結構簡單以助于減速器的實際應用推廣。設計中僅包含必要的模塊，能量回收的導向機構齒輪和齒條，加速模塊—增速箱和能量儲存裝置—飛輪用于提高能量利用效率，單向軸承進行固定限位以及支撐減速帶等。下面進行詳細介紹：

傳動模塊為提高能量回收以及利用效率，在結構上加入了齒輪、齒條、單向軸承和慣性飛輪結構，并且采用雙側布置，共用一根輸出軸，將齒輪齒條輸入的能量輸送到位于輸出軸兩端的鼓風機以及機械蠕動水泵，如圖8、9所示。其中單向離合器布置于聯(lián)軸器中，由于飛輪需要在較大轉速下才能保證有較高的儲能效率，且行星增速器擁有體積小、重量輕，承載能力高，使用壽命長、運轉平穩(wěn)、噪聲低的特點，因此選擇增速比為1：30的行星增速齒輪箱。

其工作原理為：當汽車通過時，彈簧壓縮減速帶下沉使齒條下行，齒條帶動齒輪旋轉驅動兩側慣量飛輪旋轉，此時單向軸承可傳動，從而使飛輪帶動鼓風機以及水泵轉動。當汽車通過減速帶后，齒條復位，齒輪反向轉動，此時單向軸承不可傳動，兩側慣量飛輪繼續(xù)旋轉，帶動鼓風機以及水泵轉動，使空氣凈化系統(tǒng)持續(xù)工作，飛輪結構的設計較大提升了能量的利用效率。

現(xiàn)行減速帶傳動裝置一般采用液壓式、電磁式、壓電式、機械式，其中液壓式傳動利用油腔油液傳動，但其輸出轉速不穩(wěn)定、發(fā)電效率低;電磁式通過減速帶下沉使得永磁體運動產生電能，但其對環(huán)境要求高;壓電式利用裝置的質量塊振動轉化為電能，但目前處于理論階段。與一般機械式減速帶的傳動裝置相比，本減速帶利用增速箱提高了輸出轉速，采用單向離合器及飛輪可對減速帶下沉能量進行存儲，成本低，可行性高且采用純機械裝置，提高了能量傳動效率。

（三）空氣凈化模塊

為提高空氣凈化效果，空氣凈化模塊主要分為空氣過濾和氣霧降塵兩個模塊，共同作用以解決環(huán)境中大顆粒揚塵與小顆粒制動粉塵問題，如圖10所示。

在結構上，空氣凈化模塊主要由鼓風機和布置于鼓風機進風口位置的初過濾層、冷觸媒過濾層、HEPA高效濾層組成，如圖11所示。鼓風機將外界空氣吸入風道，由不銹鋼濾網(wǎng)制成的初效過濾器篩掉粒徑較大的顆粒物，再將過濾后的空氣鼓入三通管其中一個入口。冷觸媒過濾層和HEPA濾層能夠清除經過初效過濾后氣體中絕大部分的有害氣體和粉塵顆粒物。其中HEPA高效過濾網(wǎng)層在最低級的工作狀態(tài)下仍具有對99.9%的0.1微米大小污染物的過濾功效，足夠吸附和凈化絕大部分的細菌、粉塵污染及植物花粉等空氣中的有害物質。

在材料上，空氣凈化模塊采用的初過濾層采用棉織布主要用于過濾空氣中的顆粒物。冷觸媒過濾層采用一種新型空氣凈化材料，能在常溫條件下起催化反應分解多種有害氣體及有害物質。在反應過程中，冷觸媒過濾層在中的冷觸媒本身并不直接參與反應，反應后冷觸媒不變化不丟失，長期發(fā)揮作用。此外冷觸媒本身無毒、無腐蝕性、不燃燒，反應生成物為水和二氧化碳，不產生二次污染，大大延長了吸附材料的使用壽命。HEPA高效濾層主要由化學纖維或者玻璃纖維制作而成，其制作生產過程不也會對環(huán)境造成影響?？諝鈨艋K的初過濾層和HEPA高效濾層材料均可以定期清洗重復使用，冷觸媒過濾層對人體健康無害，可以持續(xù)使用符合可持續(xù)發(fā)展理念。

本套裝置對于微小PM2.5凈化效率高達95%，同時冷觸媒能凈化大部分的有害氣體如SO2、CO，且無二次污染。相較于光觸媒，本裝置無需紫外線的照射，可以降低能源消耗。

在結構上，氣霧降塵模塊主要由水泵、鼓風機和三通管組成。水泵增壓并將水箱存儲的水泵入到三通管另一個輸入端口，基于伯努利原理可知水會自動從高壓流向低壓。在三通管的交界處，水泵泵入的水會流向高速流動的空氣，與過濾后的空氣混合且被切割成霧狀，最終形成氣霧從三通管噴出到減速帶周圍，實現(xiàn)氣霧降塵。

為提高水的循環(huán)利用，本裝置設計了儲水箱和雨水收集裝置。儲水箱放置在減速帶底部為氣霧降塵模塊提供水源;而針對降雨充沛的地區(qū)則在減速帶周圍另外設置雨水收集裝置并連接至儲水箱，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，提升裝置的可持續(xù)性。

傳統(tǒng)霧炮灑水車的噴口高，由于重力加速度，隨著水滴下落，水霧顆粒會在下落過程中逐漸變大，降低了對小顆?；覊m的凈化效果。相較于霧炮灑水車霧化降塵，本裝置回收了汽車經過減速帶損耗的能量，噴口離地面近、氣霧顆粒小，對微小粉塵降塵效率好;同時本裝置對雨水資源進行了利用，環(huán)?？煽?。

結語

本研究提出一種具備環(huán)境凈化功能的可選擇性下沉的能量自供給減速帶設計，將減速帶、傳動裝置、空氣凈化器巧妙連接，可回收能量并同步降低制動粉塵的濃度。減速帶能夠根據(jù)車輛行駛速度選擇是否下沉，達到在低速通過時下沉以減輕顛簸感、高速通過時保持高度以減速的目的。同時裝置能夠回收能量并通過傳動裝置傳遞至空氣凈化器對空氣進行多層凈化，減少尾氣的擴散。

本研究符合可持續(xù)發(fā)展理念，積極響應了國家對環(huán)境保護的倡導，減少資源浪費與環(huán)境危害。該減速帶擁有較長的使用壽命，可持續(xù)性工作，非常利于本設計方案中減速帶的工程化應用和商業(yè)化推廣，立足市場需求，助力經濟可持續(xù)發(fā)展。