[发明专利]一种基于纳米流控系统的缓冲减速带

权利要求书

1.一种基于纳米流控系统的缓冲减速带，其特征在于，包括减速带外壳(1)、减速带功能区(2)和实心基座(3)，所述减速带外壳(1)为半椭圆柱状空心结构，减速带外壳(1)内部包覆有减速带功能区(2)，所述减速带外壳(1)底部为实心基座(3)，所述实心基座(3)厚度由半椭圆柱体中心向两边逐渐减薄，实心基座(3)中心厚度占外壳(1)半椭圆柱状空心结构总高度的1/5，实心基座(3)安装在道路上；

所述减速带功能区(2)包括前区(4)，后区(5)和中区(6)，前中后三区之间由隔层(7)分隔开，隔层(7)采用高弹橡胶材料，厚度3～5mm；

所述前区(4)，后区(5)和中区(6)均由若干相互独立的空心蜂窝结构(8)组成，空心蜂窝结构(8)中填充纳米流控系统缓冲液(9)；

所述纳米流控系统缓冲液(9)为纳米多孔介质与液体的混合液，纳米多孔介质为憎水性多孔材料，所述液体为水或甘油，纳米流控系统缓冲液(9)的混合比例的确定方法为：纳米多孔介质的有效孔体积与液体体积的比在1:3～1:5之间；

纳米流控系统缓冲液的配方是根据减速带功能区(2)在减速带功能区的不同区域在汽车行驶过时受到的力结合杨氏方程得出。

2.根据权利要求1所述的一种基于纳米流控系统的缓冲减速带，其特征在于，所述减速带外壳(1)选用高弹、耐磨性橡胶材料，外壳厚度为5～10mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于纳米流控系统的缓冲减速带，其特征在于，减速带功能区(2)不同区域填充的纳米流控系统缓冲液(9)配方选取方法分为以下三步：

第一步：计算汽车驶过减速带时，减速带所受到的力F，需要区分减速带前区(4)和后区(5)所受到的力F₁，以及中区(6)所受到的力F₂两种情况来计算；

情况一：减速带前区(4)和后区(5)所受到的力F₁

对所述减速带前区(4)和后区(5)而言，减速带所受力F₁为汽车轮胎碰撞减速带产生的冲击力F_冲与汽车重力对减速带产生的分力F_重分之和；

汽车初上减速带时，汽车轮胎碰撞减速带产生的冲击力F_冲计算公式如下：

式中：

m—车辆的总质量，kg；

ω—激励频率，s^-1；

B—振幅，m；

A—减速带高度，m；

k—系统固有频率；

v—减速带安装区域内所规定的车辆行驶的最高速度，m/s；

b—减速带宽度，m；

考虑到汽车重心位置，减速带承受的垂直方向的力取汽车重量的四分之一，因此汽车重力对减速带产生的分力F_重分计算公式如下：

F_重分＝1/4mgsinθ              (2)

式中：

m—车辆的总质量，kg；

g—重力加速度，N/kg；

θ—汽车重力分力与水平方向夹角，°，0°θ90°；

减速带所受到的力F₁为汽车轮胎碰撞减速带产生的冲击力F_冲与汽车重力对减速带产生的分力F_重分之和：

F₁＝F_冲+F_重分                    (3)

情况二：减速带中区(6)所受到的力F₂

当汽车轮胎驶上减速带时，减速带所受压力为汽车自重，考虑到汽车重心位置，减速带承受的压力取汽车重量的四分之一，则减速带中区(6)所受到的力F₂为：

F₂＝1/4mg                     (4)

式中：

m—车辆的总质量，kg；

g—重力加速度，N/kg；

第二步：根据第一步中计算得到的减速带前区(4)、后区(5)与中区(6)所受到的力F，结合杨氏方程，计算出不同区域选用的纳米多孔介质的孔径值；

P_in＝KP                     (6)

综合式(5)-(8)，得到式(9)：

式中：

P_in—液体突破液固表面张力进入纳米多孔介质孔道的临渗透压，Pa；

P—减速带所承受的压力，Pa；

F—减速带所受到的力，N，当计算前区(4)、后区(5)的纳米流控系统配方时，带入F₁；当计算中区(6)的纳米流控系统配方时，带入F₂；

S—轮胎与减速带的接触面积，m²；

γ_1α—气液界面张力，N/m，该值根据纳米流控系统缓冲液中液体种类而来，采用水或甘油作为纳米流控系统缓冲液中的液体，20℃下，对于水γ_1α＝0.07275N/m，对于甘油γ_1α＝0.0633N/m；

α—液固相界面接触角，°，该值根据纳米流控系统缓冲液中液体与所选择的多孔介质种类而确定，对于水α＝99°，对于甘油α＝97°；

K—安全系数，1.5-2.0；

D—选择的纳米多孔介质的最佳孔径，m；

第三步：根据第二步中初步计算得到的减速带前区(4)、后区(5)与中区(6)的纳米多孔介质的最佳孔径D，选取合适的多孔材料，减速带中填充的纳米流控系统配方确定，如果所选取的多孔材料与所选取的液体的液固相界面间接触角α已知，则通过以下方法进一步提高计算精度：将该α再次带入第二步中，重新计算纳米多孔介质的最佳孔径D，直至所计算的最佳孔径与所选取的多孔材料有良好的匹配关系，即，在所选取的多孔材料中，可以得到所计算的最佳孔径，计算与选材结束，减速带中填充的纳米流控系统配方确定。

4.根据权利要求3所述的一种基于纳米流控系统的缓冲减速带，其特征在于，当车辆空载质量为1100kg-1500kg，车辆满载质量为1600kg-2000kg，限制最高车辆行驶速不超过20km/h时，前区(4)、后区(5)的纳米流控系统配方为：液体选择甘油，纳米多孔介质选择纳米多孔碳粉，孔径为50nm，中区的纳米流控系统配方为：液体选择水，纳米多孔介质选择纳米多孔碳粉，孔径为50nm。