第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)欄桿機(jī),一般為了降低成本,往往采用蝸輪桿驅(qū)動(dòng)甚至皮帶驅(qū)動(dòng)。這些產(chǎn)品采用比較陳舊的技術(shù)、性能自然不能令人滿意,噪音大、起落慢、欄桿抖動(dòng)不平穩(wěn)以及使用壽命較短,不適應(yīng)較大型的停車場。

目前，一些企業(yè)生產(chǎn)的用于ETC的欄桿機(jī)技術(shù)如下：

1、DVF數(shù)碼變頻率驅(qū)動(dòng)

采用創(chuàng)新的數(shù)字變頻技術(shù)，通過改變頻率，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)欄桿低速啟動(dòng)、高速運(yùn)行、減速剎車、柔和?？俊Ｋ俣鹊倪B續(xù)控制使得高速欄桿機(jī)得以實(shí)現(xiàn)快速而平滑的動(dòng)作。

2、ESP終點(diǎn)穩(wěn)定程序

采用了全新的ESP終點(diǎn)穩(wěn)定程序，該技術(shù)使欄桿機(jī)大幅度提高了長期使用的穩(wěn)定性。不管欄桿接近終點(diǎn)時(shí)的速度如何變化，總是聰明地給予其一個(gè)可變的推力，使其低速而穩(wěn)定地?？?。使得欄桿停止過程非常優(yōu)雅，不再出現(xiàn)難看的彈跳。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

一、產(chǎn)品工藝特點(diǎn)

產(chǎn)品工藝特點(diǎn)表現(xiàn)在：外力不能改變欄桿機(jī)欄桿臂的停止位置卸荷裝置，以防止外力損壞；具有軟啟動(dòng)功能及過流、過熱保護(hù)，有效保護(hù)道閘的核心部位電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；設(shè)有一套平衡機(jī)構(gòu)，確保運(yùn)行輕快、平穩(wěn)、輸入功率?。辉鲈O(shè)緊急手動(dòng)裝置，以防止意外事件的發(fā)生；增設(shè)一套防砸車控制系統(tǒng)，確保車輛安全；色彩鮮明的國際標(biāo)準(zhǔn)化外形設(shè)計(jì)，較強(qiáng)的警示作用。

電動(dòng)欄桿機(jī)從結(jié)構(gòu)上可分為機(jī)箱、機(jī)芯、控制器、欄桿臂四個(gè)部分。

機(jī)箱：機(jī)箱整體采用上下兩件式設(shè)計(jì)，上邊是防雨機(jī)蓋，下部是主機(jī)箱機(jī)蓋。由主機(jī)箱內(nèi)部兩枚長螺栓緊定，防止機(jī)蓋被從外部隨意打開機(jī)箱。由2mm 厚冷軋鋼板制成，表面經(jīng)磷化噴塑處理可置于室內(nèi)外環(huán)境，全天候工作箱體標(biāo)準(zhǔn)顏色RAL2000(桔黃色)。

機(jī)芯：由機(jī)架主軸連桿式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，扭矩電機(jī)齒輪減速器和力平衡彈簧組成。其中電機(jī)和減速器采用一體化，免維護(hù)設(shè)計(jì)無須常注油除塵等維護(hù)過程。

控制系統(tǒng)：微電腦控制模塊化設(shè)計(jì)，簡化了用戶控制接口程序化驅(qū)動(dòng)算法，令電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠多種工作模式，適應(yīng)不同工作場所的用戶需求控制單元，安裝在機(jī)箱內(nèi)一塊鋁板上，必要時(shí)可以從機(jī)箱門翻轉(zhuǎn)出來方便調(diào)試和檢修。

欄桿臂：可安裝多種欄桿臂，生產(chǎn)商提供八角型鋁質(zhì)欄桿臂和圓管型碳素欄桿臂兩種，標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品供選用 通常也可以由用戶自己選擇定制合適的欄桿臂。欄桿臂的生產(chǎn)流程：工具和材料的準(zhǔn)備—在鋁材的一端平齊裝入木板后釘入小鐵釘—在鋁材的一端裝入鋁盒—清潔鋁材的表面—貼反光紙。

二、電動(dòng)欄桿機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)欄桿的工作原理：欄桿控制系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再靠減速系統(tǒng)或機(jī)構(gòu)把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)闄跅U在垂直與水平之間的循環(huán)擺動(dòng)。電動(dòng)欄桿應(yīng)具備自鎖、反饋、防護(hù)等功能，并有與多項(xiàng)附屬設(shè)備的接口。

電動(dòng)欄桿機(jī)系統(tǒng)組成表

電動(dòng)欄桿機(jī)從機(jī)電一體化考慮分解為如上圖所示系統(tǒng)。抓住各系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并考慮各系統(tǒng)的整體性、相關(guān)性、環(huán)境適應(yīng)性，才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高性能、高效率、高可靠、低成本、柔性化、智能化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

國外先進(jìn)技術(shù)水平電動(dòng)欄桿的主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸人電源AC220V，50Hz；電機(jī)額定功率60w；有效扭矩20N；欄桿長度范圍3—6m；起落時(shí)間(可調(diào))1—3s；壽命次數(shù)500萬次；運(yùn)行噪聲≤30dB。

目前，國內(nèi)外同類產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)相差很遠(yuǎn)，國內(nèi)自行設(shè)計(jì)的電動(dòng)欄桿產(chǎn)品電機(jī)功率一般在120—300W，壽命次數(shù)100—300萬次，噪聲和可靠性更差。有些國內(nèi)廠家僅就局部實(shí)現(xiàn)了仿制，而未找到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論 分析 計(jì)算，所以整體指標(biāo)不穩(wěn)定，更找不到改進(jìn)方向和依據(jù)。

電動(dòng)欄桿產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)計(jì)：內(nèi)部彈簧平衡系系統(tǒng)的優(yōu)化、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度特性、電機(jī)及減速系統(tǒng)選型、系統(tǒng)自鎖方案、高可靠高智能防護(hù)功能。

1、內(nèi)部彈簧平衡系統(tǒng)的優(yōu)化

彈簧平衡系統(tǒng)是在內(nèi)部輸出軸上設(shè)計(jì)彈簧儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)——擺臂和彈簧裝置，靠內(nèi)部平衡機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)平衡欄桿升降時(shí)的阻力矩，使任意位置系統(tǒng)總力矩近似為零，充分利用動(dòng)能和勢能的轉(zhuǎn)換，最大限度地減小驅(qū)動(dòng)功率、滿足系統(tǒng)抗外加干擾載荷、延長機(jī)體壽命。

因?yàn)闄跅U阻力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的垂直轉(zhuǎn)角成正弦比例變化，所以，彈簧平衡系統(tǒng)也應(yīng)跟蹤產(chǎn)生近似正弦比例的力矩。由于拉簧隨欄桿轉(zhuǎn)角變化，其拉力和力臂的大小方向都在變化，故力矩的動(dòng)態(tài)變化無簡單規(guī)律可循。因而設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了多個(gè)連續(xù)變量的理論計(jì)算，必須采用有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路。

如下圖所示，起始位置時(shí)擺臂OA與彈簧原長PA的夾角為a；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于擺臂與欄桿同固定在輸出軸上始終成7夾角，所以擺臂從伽轉(zhuǎn)到OB時(shí)，欄桿由OC轉(zhuǎn)到DC’位置，擺臂轉(zhuǎn)角和欄桿轉(zhuǎn)角均為0， 0的取值范圍是0—900。擺臂OA=OB=R、彈簧原長PA=L、彈簧伸長后長船=L。，彈簧K、欄桿OC=L0為定值。

欄桿內(nèi)部機(jī)構(gòu)示意圖

彈簧平衡系統(tǒng)簡化示意圖

平衡力矩曲線與阻力矩曲線的比較如圖所示：

衡力矩曲線與阻力矩曲線比較圖

利用優(yōu)化后的L、α可以確定彈簧相對(duì)于擺臂的始固定位置，彈簧平衡機(jī)構(gòu)的幾何尺寸就精確得出。再通過L、K、δLmax一就可確定彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用中適當(dāng)預(yù)緊彈簧使其有一定初拉力，服機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦阻力很有必要，從理論上簧的力矩曲線形狀沒有影響，為整體動(dòng)態(tài)平力矩提供了一定余度。根據(jù)欄桿材質(zhì)長度調(diào)整彈并聯(lián)根數(shù)以適應(yīng)平衡效果。

本平衡優(yōu)化的最大偏差值作為電機(jī)選型時(shí)的負(fù)阻力矩條件為：

2、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的速度和加速度特性

對(duì)電動(dòng)欄桿的負(fù)載特性進(jìn)行細(xì)致 分析 ，如果靠內(nèi)部彈簧把欄桿阻力矩平衡后，末級(jí)傳動(dòng)的輸出軸上負(fù)載阻力矩將很小。但欄桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不可忽視。因?yàn)闄跅U轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為1．5—3m，其慣量對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)性和停止時(shí)的沖擊影響很大。所以一些在末級(jí)傳動(dòng)中使用齒輪傳動(dòng)的欄桿機(jī)，內(nèi)部都要在接近停位時(shí)預(yù)先斷電，靠慣性運(yùn)行到終點(diǎn)位置，且設(shè)計(jì)了吸收沖擊能量的橡膠彈簧。這就使欄桿運(yùn)行到停位時(shí)抖動(dòng)、沖擊不可避免，從而影響系統(tǒng)可靠性和使用壽命。不如采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。而采用曲柄搖桿為末級(jí)傳動(dòng)的設(shè)計(jì)中，能利用連桿系統(tǒng)本身的速度特性使在停位速度接近為零，使系統(tǒng)慣性沖擊作用到內(nèi)部機(jī)座中，而外部欄桿在末位沖擊顫動(dòng)明顯改善。

在啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)慣量必須考慮搖桿加速度變化，使電機(jī)克服負(fù)載加速轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的功率成為主要因素。通過對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的速度 分析 和加速度 分析 ，確定啟動(dòng)時(shí)負(fù)載軸上的最大角速度和最大角加速度。如圖所示：

連桿機(jī)構(gòu)圖

設(shè)曲柄欄桿機(jī)構(gòu)的主動(dòng)件L₁的角位移φ₁，角速度φ₂。和角加速度φ₃。。

擺桿L₃的速度 分析 公式：

根據(jù)以上公式可求出輸出軸角速度和角加速度，為電機(jī)選型提供理論參考。

3、電機(jī)及減速系統(tǒng)選型

電機(jī)功率計(jì)算不僅要滿足克服負(fù)載阻力矩，還要有足夠的功率使負(fù)載作加速運(yùn)動(dòng)。選型時(shí)電機(jī)功率計(jì)算公式為：

如果電機(jī)選用的不是減速力矩電機(jī)，那么，減速器應(yīng)選擇傳動(dòng)效率高、噪聲低、溫升小、體積緊湊型。建議選用圓弧齒圓柱蝸桿減速器，其特點(diǎn)為：①由于蝸輪和蝸桿凸凹齒合，降低了齒面應(yīng)力，增強(qiáng)了齒面強(qiáng)度；②接觸線與圓周速度夾角大部分在40～900度之間。容易形成液體潤滑，齒面摩擦系數(shù)小，所以效率高、溫升低；③該齒形合理減薄了蝸桿齒厚，增強(qiáng)了蝸輪齒根厚，因此蝸輪抗彎強(qiáng)度大。

4、系統(tǒng)自鎖方案

在電動(dòng)欄桿的使用中，欄桿水平封閉位置時(shí)必須有自鎖功能防止人為抬升欄桿。

國外先進(jìn)的Magnetic欄桿產(chǎn)品采用的是單相可堵轉(zhuǎn)力矩電機(jī)，電機(jī)可在任意位置堵轉(zhuǎn)工作不會(huì)損壞電機(jī)，而且內(nèi)有導(dǎo)熱良好的導(dǎo)熱脂，既可以把熱很快傳到外殼散熱，又能保證電機(jī)線圈不生銹。靠此核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其堵轉(zhuǎn)下持續(xù)工作鎖緊欄桿。原理是：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)欄桿轉(zhuǎn)到水平位置后，電機(jī)繼續(xù)延時(shí)加電l-2s，使連桿在水平鎖緊位置充分到位，而電機(jī)在此時(shí)輸出額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)堵轉(zhuǎn)，之后控制電機(jī)輸入電流減小為額定電流的1／2，繼續(xù)維持?jǐn)[桿向下的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，電機(jī)還是堵轉(zhuǎn)工作只是功率減小，其力矩足以鎖定欄桿不被輕易抬起，其發(fā)熱量會(huì)通過電機(jī)殼散熱達(dá)到平衡，不會(huì)燒壞電機(jī)和影響壽命。

欄桿處于水平鎖定位置時(shí)，如果設(shè)備斷電電機(jī)鎖緊力矩失去，欄桿被內(nèi)部預(yù)先調(diào)緊的平衡彈簧拉起。國內(nèi)一般水平的欄桿采用曲柄在連桿機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置自鎖欄桿抬起，由于受機(jī)構(gòu)精度和穩(wěn)定性影響，有時(shí)不可靠；而采用蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能是很有效的方案。但缺點(diǎn)是停電后要靠人工回轉(zhuǎn)復(fù)位。如采用電機(jī)的制動(dòng)裝置鎖緊，其體積大且可靠性、穩(wěn)定性要求高，一般較少采用。

所以，可堵轉(zhuǎn)力矩電機(jī)的技術(shù)應(yīng)用決定了欄桿自鎖技術(shù)水平，而這種電機(jī)設(shè)計(jì)尤為特殊且技術(shù)難度大。

5、高可靠高智能的防護(hù)功能

為防止車輛水平?jīng)_撞欄桿時(shí)，破壞沖力傳遞到設(shè)備內(nèi)的主要部件，損壞欄桿機(jī)主體，欄桿本身應(yīng)有抗撞緩沖裝置，目前常用緩沖裝置如圖所示。

緩沖裝置分為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)形式及應(yīng)力剪切欄桿壁形式

為防止欄桿誤動(dòng)作后砸車或下落過程中傷人，在欄桿臂上安裝超聲波測距傳感器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)中緊?；蚍崔D(zhuǎn)來保護(hù)車輛或行人。也可采用高密聚氨脂材料做欄桿，既減輕了欄桿阻力和慣量，也緩沖了砸擊力量。

6、結(jié)論

電動(dòng)欄桿雖然是小型機(jī)電一體化產(chǎn)品，但要求運(yùn)行平穩(wěn)、可靠、壽命長，并對(duì)野外環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，所以必須重視產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算，為產(chǎn)品改進(jìn)優(yōu)化提供必要的參考依據(jù)。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

新產(chǎn)品技術(shù)路線：

欄桿機(jī)的的技術(shù)路線就是向智能型的發(fā)展。具體表現(xiàn)在：智能型電動(dòng)欄桿機(jī)可與公路收費(fèi)系統(tǒng)、城市停車場收費(fèi)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制欄桿起落也可人工手動(dòng)或遙控控制欄桿起落；控制部分預(yù)留脈沖輸出接點(diǎn)；電機(jī)為電動(dòng)欄桿機(jī)專用扭矩電機(jī)；桿臂可選；桿臂腹部設(shè)計(jì)防砸車減震膠囊。

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(Electronic Toll Collection,簡稱ETC)是國際上正在努力開發(fā)并推廣普及的一種用于公路、大橋和隧道的電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。它通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的專用短程通訊,在不需要司機(jī)停車和其他收費(fèi)人員采取任何操作的情況下,自動(dòng)完成收費(fèi)處理全過程。處理系統(tǒng)在車道入口處放置一個(gè)線圈判斷車輛是否進(jìn)入車道，如果是正常車輛則抬桿放行，通過車道后欄桿自動(dòng)落下。如有誤入車輛，則需要操作員手動(dòng)清除誤入車輛。系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)、計(jì)費(fèi)，服務(wù)快捷高效，信息顯示屏同時(shí)可顯示應(yīng)收費(fèi)用，并以文明語言問候致意，使用戶心情舒暢，提高使用效益。系統(tǒng)配套的欄桿機(jī)具有防砸車功能；系統(tǒng)的車輛檢測裝置采用先進(jìn)抗干擾功能，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

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