欢迎参加第十二届产品创新数字化国际峰会 12月1-2日 长沙
1 前言
机械弹子锁从诞生以来由于结构、原理简单就是市面上最常见的锁具类型。初始状态时锁芯弹子与锁芯体弹子的交界面和锁芯与锁芯体交界面错开，当正确钥匙完全插入时，锁芯弹子陷入钥匙上的弹子坑内，使各锁芯弹子与锁芯体弹子的交界面和锁芯与锁芯体交界面齐平，通过钥匙带动锁芯转动方可开启。
传统的弹子防盗锁每个弹子的运动相互独立、互不关联。这就造成非常容易用撞击弹子法和柔性物填充法进行技术破解。技术开锁的原理是锁芯弹子与锁芯体弹子可以在锁芯弹子孔中可以独立自由移动，借助技术工具使锁芯弹子同锁芯体弹子的交界面与锁芯同锁芯体的交界面一致，使得锁芯体无法被闩住。例如单勾技术性开启就是利用锁具零件公差达到错位，将上弹子拨到分界线上，上弹子就失去了制栓作用, 再对弹子一个一个地“对位”，就成功技术性开启锁具，解锁时间不超过5秒。
针对这种现状，设计出一种关联弹子锁芯。其结构原理如图1、图2所示。初始时锁芯弹子7-12均不动，直到正确的钥匙完全插入时，前后触发弹子7、12上圆弧凸台共同才会推动锁芯卡块1克服弓形弹片3所给作用力而移动，同时锁芯卡块1带动U型弹簧2移动，U形弹簧被锁芯中半圆凸台4挡住而将会张开，中间4个锁芯弹子才会落入钥匙弹子坑中，进而才能保证使用钥匙开启锁芯。
图1 锁芯关联性移动原理图
1-锁芯卡块2-U型弹簧3-弓形弹片4-半圆凸台（锁芯体）
5-锁芯体6-下锁芯7、12-触发弹子8～11-锁芯弹子
图2 钥匙逐步插入时1、3位置变化过程
整个设计中关键件为件3弓形弹片。其必须有足够的刚度以抑制件1的运动，但又不能有非常大的轴向抗力，否者需要用非常大的气力拉拔钥匙，不方便使用且锁芯易磨损。弓形弹片采用厚度b=0.25mm、深度h=1.4mm的65Mn弹簧片制成，经淬火和中温回火热处理，技术要求：弓形弹片最大受力小于2N，且推动触发联动弹子的轴向抗力小于4N。
本文通过理论计算、CAE仿真和试验测试三项对比研究，先得到弓形弹片的弹簧刚度，再用ADAMS软件对钥匙开锁过程进行计算，求得联动弹子和弹片共同作用下的钥匙拉拔力，以对该防盗锁进行仿真评估。
2 弓形弹片的刚度研究
2.1 理论计算
考虑弓形弹片与其他零件之间的运动关系，受力模型可简化为一端简支，一端有一个平移自由度，如图3所示。
图2 弓形弹片受力模型
根据结构力学推导出该模型的弯矩方程：
由材料力学中，代入上式，求两次积分得：
再根据弹性力学确定边界条件，可求得，并将代入整理得C点挠度：
式中：E为杨氏模量；I为横截面惯性矩；P为所受集中荷载；R为弯曲半径；β为弯曲弧度余角
在本设计中，R=55mm，E=1.986×1011Pa，I=bh3/12=1.823×10-15m4，β=1.393rad。取P=1N，代入上式得W =0.11mm，其刚度为9.1N/mm。
2.2 CAE仿真
65Mn弹簧钢取其密度、杨氏模量和泊松比分别为7.8g/cm3、1.986×1011Pa、0.288。在ANSYS Workbench建立包含两个零件的静力学分析，其中弓形弹片与锁芯卡块定义为不分离接触，如图3所示。边界条件：在弓形弹片左端固定，右端远程位移约束，锁芯卡块中间施加1N的力载荷，方向垂直向下，如图4所示。
图3 有限元模型
图4 边界条件
在不同的载荷（1N-15N）下，可得到弓形弹片总体最大变形和左右两竖直段的最大变形（由路径定义），如图5、6所示（以1N载荷为例）。弓形弹片弧形最大变形量则由两者相减得到，不同载荷下弓形弹片弧形最大变形如表1所示，计算弓形弹片的刚度约为9.47N/mm。
图5 竖直方向总体最大变形图
图6 弓形弹片竖直段在竖直方向最大变形图
表1 workbench中不同载荷下弓形弹片弧形最大变形量
2.3 样品试验
选取320×1.4×0.25的65Mn材料，并平均截成10段（每段长32mm），再3D打印出具有弓形弹片形状的靠模，并将将截成的材料靠在上面压成所需形状，如图7所示。再对试样加热到830℃放入油中淬火，随后加热到450℃并保温25分钟进行回火处理，如图8所示，由于热处理后有些少许变形，然后在靠模上再进行校核。最后在弹簧拉压试验机上做实验，测出未发生塑性变形时的载荷和变形量，如表2所示。算出9个试样的刚度值后求其刚度平均值为14.46N/mm。
图7 制作试样
图8 对试样热处理实验
表2 试样拉压实验数据
由于材料65Mn来源不易控制，且热处理试验也存在偏差，但整体弹簧刚度相差不大，因此取刚度值为12N/mm作为弓形弹片的制造参考。
3 利用ADAMS进行钥匙开锁计算
将整套锁芯三维模型导入到ADAMS中，如图9所示。
图9 ADAMS中锁芯结构视图
锁芯构件之间定义约束关系和接触，约束关系如表3所示，接触如表4所示。
表3 锁芯各构件之间的约束关系表
表4 锁芯各构件接触关系
完成物理模型的建立后，进行虚拟样机仿真。定义钥匙移动副为驱动，其平移函数为IF(time-3:step(time,0,0,1.53,24),24,24)；同时定义一个传感器，即钥匙完全插入至锁芯钥匙孔中，创建ADAMS/Solver命令仿真脚本，再利用上述综合分析得出的弓形弹片刚度定义值（12N/mm），求解得到各弹子（触发弹子1、2和诱导弹子和关联弹子1、2、3）在Y方向的位移曲线，如图9所示，以及得到钥匙在插入过程中受到触发弹子1、诱导弹子、触发弹子2的接触反力，分别如图10、11、12所示。
图9 各弹子在Y方向的位移图
图10 钥匙插入过程中受到触发弹子1的接触反力
图11钥匙插入过程中受到诱导弹子的接触反力
图12 钥匙插入过程中受到触发弹子2的接触反力
由此可知，当钥匙完全插入锁芯钥匙孔中后，关联弹子方可落下，最终与触发弹子1、诱导弹子、触发弹子2上端面齐平，从而开启锁芯，到达了关联弹子的目的，克服了传统弹子锁芯弹子独立运动的缺点，增强了锁的防盗性能。同时得到弹子对钥匙的拉拔力均在0.5N以下，在满足较高防盗的条件下，钥匙插拔操作方便，保证锁系统的可靠性。
4 总结
由于防盗关联弹子锁芯属于全新产品，其中最重要零件之一的弓形弹片也无生产经验和测试数据，本文通过理论计算、CAE仿真以及试验共同来求取其刚度值，再利用ADAMS对开锁过程进行了仿真计算，确保了联动防盗锁芯的设计满足结构功能、使用性能和可靠性要求。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
相关文章
