杨依坤　周开来　王冠懿

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）08-0018-04

引言

随着经济的发展，汽车保有量逐年增长，随之而来的交通安全问题、能源消耗问题以及汽车排放问题逐渐受到重视。汽车排放不仅是指汽车的尾气排放，还指汽车的制动排放。制动排放主要是指制动粉尘，它的来源主要是刹车片，特别是具有较好散热特性的盘式制动器使制动粉尘产生的悬浮粒子、重金属粒子及有毒粒子直接进入空气。

为减轻驶过减速带时的颠簸感，汽车的频繁制动减速会产生大量制动粉尘。据调查，目前在汽车制动系统约60%的摩擦材料因刹车被磨损而进入环境中，将产生102万吨的摩擦颗粒物排放。特别是校园及景区园区等人员密集地区，行车制动粉尘尚未自然沉降就会被吸入人体，严重危害人員肺部健康。随着可持续发展战略的不断推进，人民对健康环保有了更加严格的要求，汽车制动排放问题因此亟待解决。

针对以上的背景和问题，本文基于可持续思维，提出了一种具备空气净化功能的可选择性下沉能量自供给减速带设计，能够提高车辆低速通过减速带的舒适度，并实时产生水雾以快速沉降制动粉尘，减低对附近人员肺部健康损害。

一、研究背景及意义

减速带是一种大量安装在公路道口、学校等路段的，用于车辆减速的设施。传统的减速带通过在地面上安装梯形橡胶使地面微拱，给予过往车辆一个垂直加速度，使得司机舒适感降低，从而逼迫司机减速。

（一）目前常用减速带存在的问题

1.无选择性减速：对于高低速车辆均会造成冲击，使驾车体验感下降。

2.使用寿命较低：减速带在减缓汽车速度时，自身也会受到冲击影响，使得使用寿命降低，需要定期更换。

3.能量利用率低：通过减速带时一部分动能会转化成重力势能，另一部分则会被悬架阻尼所消耗，这些能量往往会被浪费。

4.瞬间排放量高：经过减速带时车辆会经历先减速再加速的瞬态工况，研究表明，车辆运行工况对尾气排放率的影响较为显著，车辆有害排放物的40%-80%来自加速、减速、怠速等情况，如图1所示。

5.制动排放量高：制动减速时刹车片与刹车碟（鼓）及轮胎与地面的摩擦，将车辆行进的动能转换成摩擦后的热能减低车速，而此过程中将会产生大量制动粉尘。

6.损伤汽车部件：尽管低速通过减速带能降低其对车辆的伤害，但是实际上，不论是以多慢的速度通过减速带，都有可能对车辆的悬挂系统和轮胎造成伤害。所以长期通过减速带，对车具有一定的负面影响。

为改进以上问题，现行方案是利用非牛顿流体填充于减速带的下部。而现有的基于减速带的能量回收方案，大多将减速带设计为可下沉结构，将下沉的势能及动能通过发电机来实现机械能到电能的装换，但发电效率低、电力储存困难、成本高，得不偿失。因此本文基于可持续性思维，提出一种具备空气净化功能的可选择性下沉能量自供给减速带设计思路，能够提高车辆低速通过减速带的舒适度、回收汽车能量，同时净化马路上的空气。

（二）设计意义

（1）对汽车的减速具有选择性，汽车低速通过时减速带下沉，汽车高速通过时减速带不下沉以完成对汽车的减速，提高驾驶者通过减速带的舒适度：

（2）独创的高效能量回收与传动装置，使汽车通过减速带的能量得到回收利用;

（3）传动系统末端连接空气净化系统，能够有效降低扬尘和颗粒物浓度，从而减少汽车经过减速带的排放，提高空气质量。

二、可持续设计思维下的减速带设计定位

（一）设计理念、目标和功能需求

可持续设计来源于可持续发展的理念，是以良好、稳定的自然资源、生态环境为前提和基础，有能力使其持续开发下去，既满足当代需要，又不损及后代满足其发展的能力，也就是当下减少对未来的损害是可持续设计的目标。

因此减速带的设计不仅要满足原本的减速功能，更应满足环境友好的要求，力求减少资源消耗，并能充分利用各种资源，实现污染物自净和资源的循环利用。具体来说，是在能量和资源利用率最高的前提下，将汽车排放污染物转化为可利用资源，同时采用人性化设计的方法，有效满足人们对于车辆行驶的舒适需求，最终实现良性循环。

（二）设计思想和原理指导

本次设计采用系统论的设计思想进行减速带的设计，将可持续发展作为目的性，在该核心系统论的基础上进行多层次、多维度地探讨分析，通过综合高效的系统原理指导设计，对设计的产品进行不断优化。在诸多合理设计中寻求一个动态、平衡、持续发展的设计方案。

（三）目标实现的方法设计及技术保障

本次设计在结构上采用可选择性下沉式结构，需要对汽车速度进行选择。根据不同的车速进行不同模式的工作。当汽车高速运行通过减速带时，减速带不会下沉以保障减速带正常功能。当汽车低速运行通过时，减速带会选择性下沉，在提高汽车乘坐舒适性的同时，降低减速带以及汽车受到的冲击载荷，提高悬架及减速带的使用寿命，保障减速带的可持续运行及工作。

（四）能量回收利用

在能量回收及利用方面，相较于传统的减速带实现不同能量类型之间（如机械能转化为电能）的转换，本次设计的能量利用效率需要达到更高。因此本次设计采用无电化的纯机械结构，将汽车的机械能通过机械结构传递直接转化为空气净化模块的动能，由于机械结构之间的传递效率较高，减速带整体的能量损失会较小。此外采用对减速带设计储能机构，在提高能量利用效率的同时，还可以维持空气净化模块持续性工作。

（五）材料选取分析

在材料方面，本次设计需要采用绿色环保的可持续性材料。外部的减速带模块相较传统的塑料、橡胶材料，本次设计采用铸铁和铸钢的减速带材料。由于塑料和橡胶材料的减速带易损坏，寿命较短不符合本次设计理念。传统减速带也有使用铸钢和铸铁材料的，虽然提升了减速带的使用寿命，但是金属材料的减速带对汽车产生的冲击载荷较大，对汽车零部件有较大损伤，因此金属减速带不适合大范围使用。而本次设计的结构需要克服了金属材料冲击载荷较大的不足，在保障合理的冲击载荷的同时，提高了减速带的使用寿命，保障减速带的可持续性。对于空气净化模块内部的过滤膜，本次设计均采用可持续性使用以及绿色环保型的材料，确保减速带的可持续性运行及工作。

结合上述分析，本方案中减速带的整体设计需满足以下几个原则：

1.减少资源损耗：汽车撞击减速带时消耗机械能并对汽车悬架造成不可逆的损伤，同时还会磨损减速带，减少其使用寿命，因此设计方案应尽量减弱减速带与车辆的撞击。

2.资源重复利用：应设计一种结构使减速带能够回收汽车经过减速带时损耗的能量并用于环境净化。

3.实现环境净化：该减速带应具有环境净化模块，净化汽车产生的制动粉尘。

4.可持续性使用：减速带相关材料需要具有寿命长、环境友好，可持续性使用的特点，确保减速带的可持续性工作。

5.技术简单可行：在问题有效解决的前提下，设计实现成本应较低，使其便于推广以获得更大的社会效益和环境收益。

6.設计以人为本：减速带既要满足减速功能，又要减弱低速车用户驶过减速带时的颠簸感。

三、减速带原理和结构的创新设计

为解决路面扬尘问题，目前主要是采用道路雾炮洒水车方式，通过定时洒水车喷洒水雾降低道路灰尘，但其时效性差、阻碍交通、高压雾化降尘率低下。因此本文提出了一种实时降低汽车制动粉尘的设计思路，利用汽车下压减速带的能量为空气净化提供动力。当车辆经过时，就能立刻收集到汽车经过减速带时所损失的能量，并将这部分能量直接转化为空气净化装置的动力，以达到实时净化空气的目的。

为解决目前改进式的馈能减速带将能量转化为电能，能量利用效率低且冲击导致寿命下降的问题，本设计在结构上采用无电化的纯机械结构，避免了机械能与电能之间相互转化传递效率低的问题。借助于机械结构传递效率高的特点，本设计利用机械结构将汽车的机械能转换为空气净化装置机械能，提高了能量的利用效率。此外，本设计通过二级下沉机构与选择性下沉机构结合方式，既能够缓冲抵消汽车及减速带受到的;中击，提高减速带和汽车零部件的寿命，也可以保留减速带原有功能，对高速运行的车辆进行速度限制，如图2所示。

结合上述分析，本装置针对目前汽车制动粉尘问题进行添加或者改造现有减速带机构。在总体结构上，本装置主要包括选择下沉模块、传动模块和空气净化模块，整体结构如图3所示。

如图4所示，本装置的工作原理为：装置设置于减速带正下方，通过选择性下沉模块区分汽车快慢速情况，并利用二段下沉结构抵消汽车接触减速带时的瞬间冲击。当汽车慢速通过时，通过传动模块传送动力至环境净化模块。并设计单向储能机构实现下沉模块复位后传动模块继续为环境净化模块提供动力;当车辆高速通过时下沉模块中速差式锁止机构快速锁止，此时减速带无法下沉，达到保留减速带减速的原有功能。

四、减速带各模块设计分析

（一）选择下沉模块设计

选择下沉模块为本装置的核心模块，其设计目的在于保留减速带基本功能的同时，回收汽车途径减速带的能量，保护低速汽车的汽车悬架，也能改善现行减速带寿命问题。

对比现有的研究发现，目前针对减速带进行的改进种类很多，其对应都是将减速带下沉的能量进行回收利用，但其方式仅是采用导轨与复位弹簧的方式实现。在结构和推进效率上存在着非常明显的不足：

1.基本功能无法实现：目前改进式减速带下沉模块无论汽车高低速都能实现减速带下压，因此在改进后会丧失减速带最基本的功能，无法确保在人群密集处汽车稳定减速，因此改进式减速带无法在交通上推广应用。

2.无法保证寿命：由于汽车在经过减速带时都会产生较大冲击，以现有普通减速带而言，由于结构简单其寿命得以保证，而改进后的减速带均会由于模块的下沉冲击影响其后面的传动模块。导致寿命无法保证，因而改进式减速带不适合于工程化适用。

针对上述问题，设计方案添加了对装置的选择性与保护性，以保障减速带的可持续性。可选择性是针对慢速汽车实现悬架保护，而对快速汽车保留减速带功能实现汽车降速。保护性体现在机构锁止情况下避免现传动轴承受扭转冲击现象，保护下沉模块连接的传动模块。基于该效果建立了本装置的选择下沉模块，在结构上，该模块由二段下沉传动机构与选择下沉机构组成，结构如图5所示。二段下沉传动机构分为一级、二级下沉机构，一级下沉机构由弹簧、复位导轨组成;二级下沉机构由减速带、齿条连接支撑件组成。选择下沉机构由速差式锁止机构实现，其主要由敏感球、棘轮锁止棘爪、复位弹簧组成，如图6所示。

工作原理为：为避免机构锁止下出现传动轴承受扭转冲击现象，在减速带和二级下沉机构之间留有空隙。其实现原理为减速带下沉先经过一级下沉机构，并视为机械式敏感元件，若出现车速过快现象，与一级下沉机构连接的速差式锁止机构及时锁止，且不将位移传动至二级下沉机构;如果车速较慢，减速带将位移传导至二级下沉机构，即减速带通过内导轨按压弹簧并下压齿条连接支撑件，实现二级下沉机构与传动模块接合运动。选择下沉功能由速差式锁止机构结构模型如图5所示，其原理为在棘轮旋转速度低时，锁止棘爪不弹出，棘轮正常转动，当棘轮旋转速度快时，由于离心力的作用，当离心力大于锁止棘爪的复位弹簧弹力时，棘爪弹出与棘轮接触锁死，由此实现不同速度下选择下沉功能。

如表1所示，通过对比目前和改进后的现有设计，本次设计的减速带可知的选择下沉模块具有以下创新点：

1.设计速差离合器实现了减速带可选择性下沉。相比传统减速带该方式能实现汽车低速时保护汽车悬架，减小行驶颠簸感，同时回收汽车能量用以空气净化;相比改进式减速带该方式保留了汽车减速的功能，而改进式减速带在汽车高低速时，减速带均会下沉，缺失了减速带的基本作用，如图了所示。

2.设计了二段下沉机构保护减速带。其中一级机构作为机械敏感元件可实现对汽车车速的可选择性，且在一、二级下沉机构间留有安全距离，一级机构锁止时不会将冲击力传导至传动模块，从而提高了整个装置的寿命，解决了目前改进式减速带的寿命通病问题，提升了改进式减速带工程应用的可行性。

（二）传动模块设计

传动模块在设计上采用简化设计，避免复杂的传动机构，力求结构简单以助于减速器的实际应用推广。设计中仅包含必要的模块，能量回收的导向机构齿轮和齿条，加速模块—增速箱和能量储存装置—飞轮用于提高能量利用效率，单向轴承进行固定限位以及支撑减速带等。下面进行详细介绍：

传动模块为提高能量回收以及利用效率，在结构上加入了齿轮、齿条、单向轴承和惯性飞轮结构，并且采用双侧布置，共用一根输出轴，将齿轮齿条输入的能量输送到位于输出轴两端的鼓风机以及机械蠕动水泵，如图8、9所示。其中单向离合器布置于联轴器中，由于飞轮需要在较大转速下才能保证有较高的储能效率，且行星增速器拥有体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、运转平稳、噪声低的特点，因此选择增速比为1：30的行星增速齿轮箱。

其工作原理为：当汽车通过时，弹簧压缩减速带下沉使齿条下行，齿条带动齿轮旋转驱动两侧惯量飞轮旋转，此时单向轴承可传动，从而使飞轮带动鼓风机以及水泵转动。当汽车通过减速带后，齿条复位，齿轮反向转动，此时单向轴承不可传动，两侧惯量飞轮继续旋转，带动鼓风机以及水泵转动，使空气净化系统持续工作，飞轮结构的设计较大提升了能量的利用效率。

现行减速带传动装置一般采用液压式、电磁式、压电式、机械式，其中液压式传动利用油腔油液传动，但其输出转速不稳定、发电效率低;电磁式通过减速带下沉使得永磁体运动产生电能，但其对环境要求高;压电式利用装置的质量块振动转化为电能，但目前处于理论阶段。与一般机械式减速带的传动装置相比，本减速带利用增速箱提高了输出转速，采用单向离合器及飞轮可对减速带下沉能量进行存储，成本低，可行性高且采用纯机械装置，提高了能量传动效率。

（三）空气净化模块

为提高空气净化效果，空气净化模块主要分为空气过滤和气雾降尘两个模块，共同作用以解决环境中大颗粒扬尘与小颗粒制动粉尘问题，如图10所示。

在结构上，空气净化模块主要由鼓风机和布置于鼓风机进风口位置的初过滤层、冷触媒过滤层、HEPA高效滤层组成，如图11所示。鼓风机将外界空气吸入风道，由不锈钢滤网制成的初效过滤器筛掉粒径较大的颗粒物，再将过滤后的空气鼓入三通管其中一个入口。冷触媒过滤层和HEPA滤层能够清除经过初效过滤后气体中绝大部分的有害气体和粉尘颗粒物。其中HEPA高效过滤网层在最低级的工作状态下仍具有对99.9%的0.1微米大小污染物的过滤功效，足够吸附和净化绝大部分的细菌、粉尘污染及植物花粉等空气中的有害物质。

在材料上，空气净化模块采用的初过滤层采用棉织布主要用于过滤空气中的颗粒物。冷触媒过滤层采用一种新型空气净化材料，能在常温条件下起催化反应分解多种有害气体及有害物质。在反应过程中，冷触媒过滤层在中的冷触媒本身并不直接参与反应，反应后冷触媒不变化不丢失，长期发挥作用。此外冷触媒本身无毒、无腐蚀性、不燃烧，反应生成物为水和二氧化碳，不产生二次污染，大大延长了吸附材料的使用寿命。HEPA高效滤层主要由化学纤维或者玻璃纤维制作而成，其制作生产过程不也会对环境造成影响。空气净化模块的初过滤层和HEPA高效滤层材料均可以定期清洗重复使用，冷触媒过滤层对人体健康无害，可以持续使用符合可持续发展理念。

本套装置对于微小PM2.5净化效率高达95%，同时冷触媒能净化大部分的有害气体如SO2、CO，且无二次污染。相较于光触媒，本装置无需紫外线的照射，可以降低能源消耗。

在结构上，气雾降尘模块主要由水泵、鼓风机和三通管组成。水泵增压并将水箱存储的水泵入到三通管另一个输入端口，基于伯努利原理可知水会自动从高压流向低压。在三通管的交界处，水泵泵入的水会流向高速流动的空气，与过滤后的空气混合且被切割成雾状，最终形成气雾从三通管喷出到减速带周围，实现气雾降尘。

为提高水的循环利用，本装置设计了储水箱和雨水收集装置。储水箱放置在减速带底部为气雾降尘模块提供水源;而针对降雨充沛的地区则在减速带周围另外设置雨水收集装置并连接至储水箱，实现水资源的循环利用，提升装置的可持续性。

传统雾炮洒水车的喷口高，由于重力加速度，随着水滴下落，水雾颗粒会在下落过程中逐渐变大，降低了对小颗粒灰尘的净化效果。相较于雾炮洒水车雾化降尘，本装置回收了汽车经过减速带损耗的能量，喷口离地面近、气雾颗粒小，对微小粉尘降尘效率好;同時本装置对雨水资源进行了利用，环保可靠。

结语

本研究提出一种具备环境净化功能的可选择性下沉的能量自供给减速带设计，将减速带、传动装置、空气净化器巧妙连接，可回收能量并同步降低制动粉尘的浓度。减速带能够根据车辆行驶速度选择是否下沉，达到在低速通过时下沉以减轻颠簸感、高速通过时保持高度以减速的目的。同时装置能够回收能量并通过传动装置传递至空气净化器对空气进行多层净化，减少尾气的扩散。

本研究符合可持续发展理念，积极响应了国家对环境保护的倡导，减少资源浪费与环境危害。该减速带拥有较长的使用寿命，可持续性工作，非常利于本设计方案中减速带的工程化应用和商业化推广，立足市场需求，助力经济可持续发展。