对校园内减速带截面形状设计方法的建模和研究.pdfVIP

机械与动力工程学院 B0802094 班 卢家海 1080208172 闵行 10 班 47 号 对校园内减速带截面形状设计方法的建模和研究 一、问题的提出 在校园的各个十字路口，设置了很多的减速带。设置这些减速带的目的是降 低车辆，主要是机动车辆的速度，从而保护骑车和步行的人的安全。然而，每天 在经过十字路口时，我们不难发现，各种机动车辆仍然以很高的速度通过这些路 口。设置在路口的减速带形同虚设，根本没起到该起到的作用。这一方面是因为 开车的人对行人保护的意识较差；另一方面说明减速带的截面形状不合理，不能 有效的降低车速。仔细观察这些减速带不难发现，设置在学校各个十字路口的减 速带都普遍偏低。因此，什么样截面的减速带才能合理降低车速呢？本文便针对 这个问题，对减速带截面形状设计方法进行讨论。 二、问题的分析 2.1 减速带的减速原理 减速带是对速度控制较为有效的方法,其基本原理是主动在公路特殊路段设 置某种突起设施,当汽车以高速通过其上时,就会产生激烈的机械振动,使驾驶员 产生不舒服感,并意识到经过这种设施时会产生振动,对车辆的机械零件会造成损 坏,从而使驾驶员自觉、主动降低车速,达到此类路段行车安全性的目的。目前国 内外已采用的减速带主要有:道钉减速带、热塑振动减速带、水泥台减速带、路 面凹形槽减速带、驼峰式减速带和减速丘等。从 20 世纪 80 年代开始直至现在, 国内外有很多对减速带减速效果和几何设计的研究。 车辆在通过减速带时为什么会产生振动呢？下面通过对汽车的结构进行分 析解释该问题。 2.2 汽车结构分析 我们知道，汽车是由发动机，轮胎，悬架系统，车身等组成。轮胎一方面具 有弹性，另一方面还起到阻尼的作用。减震系统是由弹性元件与阻尼器组成。而 车身是由各种办件焊接而成的，起本身也是一个既有弹性又有阻尼的装配体。这 样，我们可以发现，汽车其实是一个带有阻尼的多级的弹簧质量系统。 1 数值试验小论文 由振动学知识，对于一个弹簧质量系统，在给定的初始条件的情况之下，系 统会以固定的频率振动。当有外界的激励作用于系统之上时，系统将产生相应的 响应。而汽车作为一个弹簧质量系统，当其在路面上行驶时，路面不平度和车速 形成了对汽车振动系统的激励——也即振动系统的“输入”，在此“输入”的作 用下，汽车振动系统将以一定的频率振动。振动产生的加速度经过悬架、座垫等 弹性、阻尼元件和悬挂和非悬挂质量等传递到乘员的身体。而系统振动的频率也 将作用于乘员。人体作为一个整体，也会受到机械振动的影响，而这种影响的敏 感程度又受到振动的频率、强度、作用方向和持续时间的影响。由于车辆的振动， 还将导致车轮与路面之间的载荷发生变化，产生动载荷，如果动载荷过大，将发 生车轮跳离路面的情况，产生安全隐患。 上面所介绍的是振动对汽车的不利影响，而振动对汽车影响最主要的方面是 振动的频率、振动的强度和持续时间，而这些都直接取决于路面的不平度和车速。 为了保证减速带起到合理降低车速的目的，也应该从这些方面考虑。 三、模型的建立 3.1 汽车振动模型的建立 由上面的分析知道汽车是一个复杂的多级的有阻尼的弹簧质量系统，因此应 根据所分析的具体问题建立相应的模型。由于本文主要研究在减速带作用下，车 身整体的振动情况，因此，不考虑车身自身的弹性和阻尼作用，即将这身简化为 刚体，由此建立的车身的立体振动模型如图 1 所示，在讨论汽车在路面激励下的 振动特性时，这一模型的车身质量主要考虑垂直、俯仰、侧倾 3 个自由度，4 个 车轮质量有 4 个垂直自由度，共 7 个自由度。 当汽车通过减速带时，其左右车轮所受的路面不平度函数是相同的，即 x(I ) y(I ) ，而且均取决于减速带截面的函数关系，此时汽车车身只有垂直振动 z 和俯仰振动ϕ ，在这种工况下，这两个自由度对车身的振动特性的影响最大。这 样，可以将汽车简化为 4 个自由度的平面模型，如图 2 所示。在这个模型中，又 因为轮胎的阻尼远远小于悬架系统中阻尼器的阻尼，同时轮胎的刚度又远远小于 悬架系统中弹性元件的刚度，因此又可以忽略轮胎的刚度和阻尼。 2 机械与动力工程学院