歡迎參加第十二屆產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國(guó)際峰會(huì) 12月1-2日 長(zhǎng)沙

1 前言

    機(jī)械彈子鎖從誕生以來由于結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)單就是市面上最常見的鎖具類型。初始狀態(tài)時(shí)鎖芯彈子與鎖芯體彈子的交界面和鎖芯與鎖芯體交界面錯(cuò)開，當(dāng)正確鑰匙完全插入時(shí)，鎖芯彈子陷入鑰匙上的彈子坑內(nèi)，使各鎖芯彈子與鎖芯體彈子的交界面和鎖芯與鎖芯體交界面齊平，通過鑰匙帶動(dòng)鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)方可開啟。

    傳統(tǒng)的彈子防盜鎖每個(gè)彈子的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)。這就造成非常容易用撞擊彈子法和柔性物填充法進(jìn)行技術(shù)破解。技術(shù)開鎖的原理是鎖芯彈子與鎖芯體彈子可以在鎖芯彈子孔中可以獨(dú)立自由移動(dòng)，借助技術(shù)工具使鎖芯彈子同鎖芯體彈子的交界面與鎖芯同鎖芯體的交界面一致，使得鎖芯體無法被閂住。例如單勾技術(shù)性開啟就是利用鎖具零件公差達(dá)到錯(cuò)位，將上彈子撥到分界線上，上彈子就失去了制栓作用, 再對(duì)彈子一個(gè)一個(gè)地“對(duì)位”，就成功技術(shù)性開啟鎖具，解鎖時(shí)間不超過5秒。

    針對(duì)這種現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種關(guān)聯(lián)彈子鎖芯。其結(jié)構(gòu)原理如圖1、圖2所示。初始時(shí)鎖芯彈子7-12均不動(dòng)，直到正確的鑰匙完全插入時(shí)，前后觸發(fā)彈子7、12上圓弧凸臺(tái)共同才會(huì)推動(dòng)鎖芯卡塊1克服弓形彈片3所給作用力而移動(dòng)，同時(shí)鎖芯卡塊1帶動(dòng)U型彈簧2移動(dòng)，U形彈簧被鎖芯中半圓凸臺(tái)4擋住而將會(huì)張開，中間4個(gè)鎖芯彈子才會(huì)落入鑰匙彈子坑中，進(jìn)而才能保證使用鑰匙開啟鎖芯。

圖1 鎖芯關(guān)聯(lián)性移動(dòng)原理圖
1-鎖芯卡塊2-U型彈簧3-弓形彈片4-半圓凸臺(tái)（鎖芯體）
5-鎖芯體6-下鎖芯7、12-觸發(fā)彈子8～11-鎖芯彈子

圖2 鑰匙逐步插入時(shí)1、3位置變化過程

    整個(gè)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵件為件3弓形彈片。其必須有足夠的剛度以抑制件1的運(yùn)動(dòng)，但又不能有非常大的軸向抗力，否者需要用非常大的氣力拉拔鑰匙，不方便使用且鎖芯易磨損。弓形彈片采用厚度b=0.25mm、深度h=1.4mm的65Mn彈簧片制成，經(jīng)淬火和中溫回火熱處理，技術(shù)要求：弓形彈片最大受力小于2N，且推動(dòng)觸發(fā)聯(lián)動(dòng)彈子的軸向抗力小于4N。

    本文通過理論計(jì)算、CAE仿真和試驗(yàn)測(cè)試三項(xiàng)對(duì)比研究，先得到弓形彈片的彈簧剛度，再用ADAMS軟件對(duì)鑰匙開鎖過程進(jìn)行計(jì)算，求得聯(lián)動(dòng)彈子和彈片共同作用下的鑰匙拉拔力，以對(duì)該防盜鎖進(jìn)行仿真評(píng)估。

2 弓形彈片的剛度研究

    2.1 理論計(jì)算

    考慮弓形彈片與其他零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，受力模型可簡(jiǎn)化為一端簡(jiǎn)支，一端有一個(gè)平移自由度，如圖3所示。

圖2 弓形彈片受力模型

    根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)推導(dǎo)出該模型的彎矩方程：

    由材料力學(xué)中，代入上式，求兩次積分得：

 
    再根據(jù)彈性力學(xué)確定邊界條件，可求得，并將代入整理得C點(diǎn)撓度：

 
    式中：E為楊氏模量；I為橫截面慣性矩；P為所受集中荷載；R為彎曲半徑；β為彎曲弧度余角

    在本設(shè)計(jì)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，其剛度為9.1N/mm。

    2.2 CAE仿真

    65Mn彈簧鋼取其密度、楊氏模量和泊松比分別為7.8g/cm3、1.986×1011Pa、0.288。在ANSYS Workbench建立包含兩個(gè)零件的靜力學(xué)分析，其中弓形彈片與鎖芯卡塊定義為不分離接觸，如圖3所示。邊界條件：在弓形彈片左端固定，右端遠(yuǎn)程位移約束，鎖芯卡塊中間施加1N的力載荷，方向垂直向下，如圖4所示。

圖3 有限元模型

圖4 邊界條件

    在不同的載荷（1N-15N）下，可得到弓形彈片總體最大變形和左右兩豎直段的最大變形（由路徑定義），如圖5、6所示（以1N載荷為例）。弓形彈片弧形最大變形量則由兩者相減得到，不同載荷下弓形彈片弧形最大變形如表1所示，計(jì)算弓形彈片的剛度約為9.47N/mm。

圖5 豎直方向總體最大變形圖

圖6 弓形彈片豎直段在豎直方向最大變形圖 

表1  workbench中不同載荷下弓形彈片弧形最大變形量

    2.3 樣品試驗(yàn)

    選取320×1.4×0.25的65Mn材料，并平均截成10段（每段長(zhǎng)32mm），再3D打印出具有弓形彈片形狀的靠模，并將將截成的材料靠在上面壓成所需形狀，如圖7所示。再對(duì)試樣加熱到830℃放入油中淬火，隨后加熱到450℃并保溫25分鐘進(jìn)行回火處理，如圖8所示，由于熱處理后有些少許變形，然后在靠模上再進(jìn)行校核。最后在彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，測(cè)出未發(fā)生塑性變形時(shí)的載荷和變形量，如表2所示。算出9個(gè)試樣的剛度值后求其剛度平均值為14.46N/mm。

圖7 制作試樣

圖8 對(duì)試樣熱處理實(shí)驗(yàn) 

表2 試樣拉壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    由于材料65Mn來源不易控制，且熱處理試驗(yàn)也存在偏差，但整體彈簧剛度相差不大，因此取剛度值為12N/mm作為弓形彈片的制造參考。

3 利用ADAMS進(jìn)行鑰匙開鎖計(jì)算

    將整套鎖芯三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，如圖9所示。

圖9 ADAMS中鎖芯結(jié)構(gòu)視圖

    鎖芯構(gòu)件之間定義約束關(guān)系和接觸，約束關(guān)系如表3所示，接觸如表4所示。

表3 鎖芯各構(gòu)件之間的約束關(guān)系表

表4 鎖芯各構(gòu)件接觸關(guān)系

    完成物理模型的建立后，進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真。定義鑰匙移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)，其平移函數(shù)為IF(time-3:step(time,0,0,1.53,24),24,24)；同時(shí)定義一個(gè)傳感器，即鑰匙完全插入至鎖芯鑰匙孔中，創(chuàng)建ADAMS/Solver命令仿真腳本，再利用上述綜合分析得出的弓形彈片剛度定義值（12N/mm），求解得到各彈子（觸發(fā)彈子1、2和誘導(dǎo)彈子和關(guān)聯(lián)彈子1、2、3）在Y方向的位移曲線，如圖9所示，以及得到鑰匙在插入過程中受到觸發(fā)彈子1、誘導(dǎo)彈子、觸發(fā)彈子2的接觸反力，分別如圖10、11、12所示。

圖9 各彈子在Y方向的位移圖

圖10 鑰匙插入過程中受到觸發(fā)彈子1的接觸反力

圖11鑰匙插入過程中受到誘導(dǎo)彈子的接觸反力

圖12 鑰匙插入過程中受到觸發(fā)彈子2的接觸反力 

    由此可知，當(dāng)鑰匙完全插入鎖芯鑰匙孔中后，關(guān)聯(lián)彈子方可落下，最終與觸發(fā)彈子1、誘導(dǎo)彈子、觸發(fā)彈子2上端面齊平，從而開啟鎖芯，到達(dá)了關(guān)聯(lián)彈子的目的，克服了傳統(tǒng)彈子鎖芯彈子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了鎖的防盜性能。同時(shí)得到彈子對(duì)鑰匙的拉拔力均在0.5N以下，在滿足較高防盜的條件下，鑰匙插拔操作方便，保證鎖系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

    由于防盜關(guān)聯(lián)彈子鎖芯屬于全新產(chǎn)品，其中最重要零件之一的弓形彈片也無生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)，本文通過理論計(jì)算、CAE仿真以及試驗(yàn)共同來求取其剛度值，再利用ADAMS對(duì)開鎖過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，確保了聯(lián)動(dòng)防盜鎖芯的設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)功能、使用性能和可靠性要求。

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本文標(biāo)題：2016產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：基于CAE的新型防盜鎖中關(guān)聯(lián)彈子和彈片仿真

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