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1 前言
機械彈子鎖從誕生以來由于結構、原理簡單就是市面上最常見的鎖具類型。初始狀態時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開，當正確鑰匙完全插入時，鎖芯彈子陷入鑰匙上的彈子坑內，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，通過鑰匙帶動鎖芯轉動方可開啟。
傳統的彈子防盜鎖每個彈子的運動相互獨立、互不關聯。這就造成非常容易用撞擊彈子法和柔性物填充法進行技術破解。技術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立自由移動，借助技術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。例如單勾技術性開啟就是利用鎖具零件公差達到錯位，將上彈子撥到分界線上，上彈子就失去了制栓作用, 再對彈子一個一個地“對位”，就成功技術性開啟鎖具，解鎖時間不超過5秒。
針對這種現狀，設計出一種關聯彈子鎖芯。其結構原理如圖1、圖2所示。初始時鎖芯彈子7-12均不動，直到正確的鑰匙完全插入時，前后觸發彈子7、12上圓弧凸臺共同才會推動鎖芯卡塊1克服弓形彈片3所給作用力而移動，同時鎖芯卡塊1帶動U型彈簧2移動，U形彈簧被鎖芯中半圓凸臺4擋住而將會張開，中間4個鎖芯彈子才會落入鑰匙彈子坑中，進而才能保證使用鑰匙開啟鎖芯。
圖1 鎖芯關聯性移動原理圖
1-鎖芯卡塊2-U型彈簧3-弓形彈片4-半圓凸臺（鎖芯體）
5-鎖芯體6-下鎖芯7、12-觸發彈子8～11-鎖芯彈子
圖2 鑰匙逐步插入時1、3位置變化過程
整個設計中關鍵件為件3弓形彈片。其必須有足夠的剛度以抑制件1的運動，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，經淬火和中溫回火熱處理，技術要求：弓形彈片最大受力小于2N，且推動觸發聯動彈子的軸向抗力小于4N。
本文通過理論計算、CAE仿真和試驗測試三項對比研究，先得到弓形彈片的彈簧剛度，再用ADAMS軟件對鑰匙開鎖過程進行計算，求得聯動彈子和彈片共同作用下的鑰匙拉拔力，以對該防盜鎖進行仿真評估。
2 弓形彈片的剛度研究
2.1 理論計算
考慮弓形彈片與其他零件之間的運動關系，受力模型可簡化為一端簡支，一端有一個平移自由度，如圖3所示。
圖2 弓形彈片受力模型
根據結構力學推導出該模型的彎矩方程：
由材料力學中，代入上式，求兩次積分得：
再根據彈性力學確定邊界條件，可求得，并將代入整理得C點撓度：
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
在本設計中，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建立包含兩個零件的靜力學分析，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
選取320×1.4×0.25的65Mn材料，并平均截成10段（每段長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，然后在靠模上再進行校核。最后在彈簧拉壓試驗機上做實驗，測出未發生塑性變形時的載荷和變形量，如表2所示。算出9個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 對試樣熱處理實驗
表2 試樣拉壓實驗數據
由于材料65Mn來源不易控制，且熱處理試驗也存在偏差，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進行鑰匙開鎖計算
將整套鎖芯三維模型導入到ADAMS中，如圖9所示。
圖9 ADAMS中鎖芯結構視圖
鎖芯構件之間定義約束關系和接觸，約束關系如表3所示，接觸如表4所示。
表3 鎖芯各構件之間的約束關系表
表4 鎖芯各構件接觸關系
完成物理模型的建立后，進行虛擬樣機仿真。定義鑰匙移動副為驅動，其平移函數為IF(time-3:step(time,0,0,1.53,24),24,24)；同時定義一個傳感器，即鑰匙完全插入至鎖芯鑰匙孔中，創建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（觸發彈子1、2和誘導彈子和關聯彈子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彈子1、誘導彈子、觸發彈子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彈子1的接觸反力
圖11鑰匙插入過程中受到誘導彈子的接觸反力
圖12 鑰匙插入過程中受到觸發彈子2的接觸反力
由此可知，當鑰匙完全插入鎖芯鑰匙孔中后，關聯彈子方可落下，最終與觸發彈子1、誘導彈子、觸發彈子2上端面齊平，從而開啟鎖芯，到達了關聯彈子的目的，克服了傳統彈子鎖芯彈子獨立運動的缺點，增強了鎖的防盜性能。同時得到彈子對鑰匙的拉拔力均在0.5N以下，在滿足較高防盜的條件下，鑰匙插拔操作方便，保證鎖系統的可靠性。
4 總結
由于防盜關聯彈子鎖芯屬于全新產品，其中最重要零件之一的弓形彈片也無生產經驗和測試數據，本文通過理論計算、CAE仿真以及試驗共同來求取其剛度值，再利用ADAMS對開鎖過程進行了仿真計算，確保了聯動防盜鎖芯的設計滿足結構功能、使用性能和可靠性要求。
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