一種智能電子鎖的離合裝置設(shè)計(jì)

廖海強(qiáng)

（中山市基信鎖芯有限公司，廣東中山 528400）

0 引言

隨著生活水平的提高，家用鎖具也迎來了逐步的換代升級(jí)，電子鎖逐漸走入了大眾的視野[1]。電子智能鎖擺脫傳統(tǒng)開鎖方式，使用刷卡、指紋、刷臉、輸入密碼等方式開門，智能鎖安裝好以后只需要錄入指紋、人臉及密碼，家用智能鎖里面的程序會(huì)記錄好錄入的數(shù)據(jù)，當(dāng)有感應(yīng)到外界有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)比對(duì)，如果比對(duì)正確則向智能鎖里的電機(jī)發(fā)送指令，開啟智能鎖。相比于傳統(tǒng)機(jī)械鎖具，智能電子鎖更加地安全和便捷[2]。

智能電子鎖的系統(tǒng)一般是由智能監(jiān)控器和機(jī)械鎖具組成，智能監(jiān)控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發(fā)送的報(bào)警信息和狀態(tài)信息。機(jī)械鎖具則作為開鎖動(dòng)作的具體執(zhí)行單元[2]。在現(xiàn)有的智能電子鎖機(jī)械組成中，傳動(dòng)裝置(電動(dòng)離合裝置)大都是通過電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，為了將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作轉(zhuǎn)換成開鎖和解鎖的左右運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，需要復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，并且，對(duì)于電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的時(shí)間需要精確控制，不然容易造成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損壞；由于很難對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行精確的控制，所以如果采用螺桿傳動(dòng)的話很容易就會(huì)傳動(dòng)過位而形成空轉(zhuǎn)[3]?，F(xiàn)有大部分智能電子鎖鎖芯的傳動(dòng)裝置的使用壽命都受到了一定影響，對(duì)智能電子鎖的廣泛普及使用帶來了巨大地負(fù)面影響。

本文在對(duì)現(xiàn)有電子鎖裝置研究的基礎(chǔ)上，對(duì)離合裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用螺桿傳動(dòng)方式，加入了回位彈簧，有效提高電動(dòng)離合裝置的穩(wěn)定性和使用壽命。

1 現(xiàn)有解決方案的技術(shù)分析

為了解決上述由于控制精度不足造成的螺桿傳動(dòng)過位導(dǎo)致形成空轉(zhuǎn)的問題，使得智能電子鎖的電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以精密配合，除了不斷提高電機(jī)的控制精度，還可以通過優(yōu)化電子鎖鎖芯離合裝置的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全型產(chǎn)品?，F(xiàn)有技術(shù)中也出現(xiàn)了一些能夠解決上述問題的雙彈簧式電子鎖，如文獻(xiàn)[3]中采用的技術(shù)方案為：正反轉(zhuǎn)電機(jī)固定在電機(jī)外殼的安裝容腔內(nèi)；轉(zhuǎn)牙軸的一端與正反轉(zhuǎn)電機(jī)的輸出軸固定連接實(shí)現(xiàn)連動(dòng)，如圖1所示；轉(zhuǎn)牙套筒的外徑小于電機(jī)外殼的伸出口直徑，轉(zhuǎn)牙套筒通過通孔套設(shè)在轉(zhuǎn)牙軸上使得轉(zhuǎn)牙軸上的螺紋一和轉(zhuǎn)牙套筒內(nèi)的螺紋二相互嚙合；內(nèi)轉(zhuǎn)牙彈簧套在轉(zhuǎn)牙軸上，并且內(nèi)轉(zhuǎn)牙彈簧的兩端位于正反轉(zhuǎn)電機(jī)和轉(zhuǎn)牙套筒之間；外轉(zhuǎn)牙彈簧套在轉(zhuǎn)牙套筒上，并且外轉(zhuǎn)牙彈簧的兩端位于轉(zhuǎn)牙套筒和電機(jī)外殼的內(nèi)壁之間；通過內(nèi)轉(zhuǎn)牙彈簧壓縮后反作用在轉(zhuǎn)牙套筒上，使轉(zhuǎn)牙套筒的螺紋二和轉(zhuǎn)牙軸上的螺紋一反向嚙合，一旦電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)牙套筒馬上螺紋傳動(dòng)向外伸出而不會(huì)形成空轉(zhuǎn)，同理，當(dāng)鎖合時(shí)，通過外轉(zhuǎn)牙彈簧壓縮后反作用在轉(zhuǎn)牙套筒上，使轉(zhuǎn)牙套筒的螺紋二和轉(zhuǎn)牙軸上的螺紋一反向嚙合，一旦電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)牙套筒馬上螺紋傳動(dòng)向內(nèi)伸進(jìn)而不會(huì)形成空轉(zhuǎn)。

圖1 某種鎖傳動(dòng)裝置分解結(jié)構(gòu)立體示意圖

該技術(shù)方案雖然通過增加兩個(gè)彈簧就解決了傳統(tǒng)螺桿和螺套容易形成空轉(zhuǎn)的難題，使得電子鎖不需要過于精確控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的時(shí)間，但其存在一些技術(shù)問題。

（1）由于螺紋之間始終保持反向嚙合，不管電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)牙軸始終帶動(dòng)轉(zhuǎn)牙套筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)；但當(dāng)轉(zhuǎn)牙套筒與鎖內(nèi)其他機(jī)構(gòu)出現(xiàn)機(jī)械卡死時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致螺紋之間出現(xiàn)相對(duì)空轉(zhuǎn)滑絲等問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致該傳動(dòng)裝置損壞失效。

（2）該轉(zhuǎn)牙套筒的內(nèi)端面向外延伸有環(huán)形凸緣，外轉(zhuǎn)牙彈簧套在轉(zhuǎn)牙套筒上，并且外轉(zhuǎn)牙彈簧的兩端位于該環(huán)形凸緣和電機(jī)外殼的伸出口的內(nèi)端面之間；該結(jié)構(gòu)的加工工藝較為復(fù)雜，且轉(zhuǎn)牙套筒的內(nèi)端面向外延伸有環(huán)形凸緣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)牙套筒的尺寸變大，無法滿足小型鎖具的要求。

（3）對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，該傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是電機(jī)外殼由上殼體和下殼體相扣連接而成，該傳動(dòng)裝置無法廣泛應(yīng)用于所有鎖具中，特別是無法應(yīng)用于采用彈子鎖鎖殼或葉片鎖鎖殼的電子鎖中。

為了改善上述情況，解決諸如螺紋滑絲、鎖具難以小型化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)不足等問題，對(duì)電子鎖的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)調(diào)整，設(shè)計(jì)了新型的電子鎖芯的電動(dòng)離合裝置。

2 智能電子鎖離合裝置

通過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)方案的比較研究，本文所述智能電子鎖離合裝置將使用螺桿傳動(dòng)，能夠有效簡(jiǎn)化鎖具機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免空轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)鎖具的使用壽命。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便整體鎖具的布局，離合裝置采用套筒型設(shè)計(jì)，如圖2所示，包括外轉(zhuǎn)軸與外轉(zhuǎn)鍵、蝸桿、電機(jī)、回位彈簧等部件。

圖2 離合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

電子鎖芯的電動(dòng)離合裝置，包括設(shè)置在外轉(zhuǎn)軸上的外轉(zhuǎn)鍵和傳動(dòng)電機(jī)，外轉(zhuǎn)鍵內(nèi)設(shè)置有傳動(dòng)腔，傳動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接有伸入傳動(dòng)腔內(nèi)的蝸桿，蝸桿上套裝有能夠與其螺紋連接的螺帽，蝸桿能夠帶動(dòng)所述螺帽相對(duì)于外轉(zhuǎn)鍵軸向移動(dòng)；蝸桿上還套裝有分別位于螺帽兩側(cè)的第一回位彈簧和第二回位彈簧，在傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)所述蝸桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)螺帽壓縮第一回位彈簧，第一回位彈簧推動(dòng)外轉(zhuǎn)鍵沿螺桿的旋轉(zhuǎn)軸向外側(cè)移動(dòng)；在傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)時(shí)螺帽壓縮第二回位彈簧，所述第二回位彈簧推動(dòng)所述外轉(zhuǎn)鍵沿螺桿的旋轉(zhuǎn)軸向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。

2.2 優(yōu)化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

2.2.1 傳動(dòng)電機(jī)

該裝置的傳動(dòng)電機(jī)選擇DCU10017系列有刷空心杯電機(jī)，空心杯電動(dòng)機(jī)屬于直流永磁的伺服控制電動(dòng)機(jī)，響應(yīng)離合極快，也可以將其歸類為微特電機(jī)[5]?？招谋妱?dòng)機(jī)具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，技術(shù)先進(jìn)性十分明顯。作為高效率的能量轉(zhuǎn)換裝置，在很多領(lǐng)域代表了電動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向?？招谋妱?dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，采用的是無鐵心轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。這種新穎的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徹底消除了由于鐵心形成渦流而造成的電能損耗。同時(shí)其重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大幅降低，從而減少了轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械能損耗。由于轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變化而使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性得到了極大改善，不但具有突出的節(jié)能特點(diǎn)，更為重要的是具備了鐵心電動(dòng)機(jī)所無法達(dá)到的控制和拖動(dòng)特性。能夠滿足鎖具要求的精密、安全、耐用等特性[5]。而且傳動(dòng)電機(jī)可與現(xiàn)有技術(shù)中電子鎖芯的指紋識(shí)別器、NFC識(shí)別器、密碼識(shí)別器等電子鎖的驅(qū)動(dòng)電路連接。可以根據(jù)實(shí)際情況，滿足各類定制化開鎖方案的需要。

2.2.2 傳動(dòng)部件

外轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有位于傳動(dòng)電機(jī)后端的防鉆銷。能夠防止電子鎖的外置識(shí)別器被破壞后，不法分子對(duì)電動(dòng)離合裝置進(jìn)行鉆破，有效提高電子鎖芯的安全性[6]。

如圖3所示，在傳動(dòng)腔內(nèi)，設(shè)置有定位槽，螺帽的外側(cè)外凸形成與定位槽相適應(yīng)的定位部，在螺帽沿螺桿的旋轉(zhuǎn)軸軸向移動(dòng)時(shí)定位部沿定位槽滑動(dòng)，螺帽的運(yùn)動(dòng)自由度將被嚴(yán)格地限制在傳動(dòng)腔的定位槽內(nèi)，定位部與定位槽的配合使得螺帽只能沿所述螺桿的旋轉(zhuǎn)軸軸向移動(dòng)，而不能發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)螺帽起到限位作用。防止螺桿發(fā)生打滑和空轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。

圖3 外轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 外轉(zhuǎn)鍵結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 回位彈簧

第一回位彈簧的一端與傳動(dòng)腔的腔底相抵，另一端抵在螺帽上；傳動(dòng)腔的腔口設(shè)置有能供蝸桿貫穿的回位彈簧擋板，第二回位彈簧的一端與回位彈簧擋板相抵，另一端抵在螺帽上。外轉(zhuǎn)鍵結(jié)構(gòu)如圖4所示。外轉(zhuǎn)鍵內(nèi)設(shè)置有傳動(dòng)腔，傳動(dòng)電機(jī)的輸出軸連接有伸入傳動(dòng)腔內(nèi)的蝸桿，蝸桿上套裝有能夠與其螺紋連接的螺帽，蝸桿能夠帶動(dòng)螺帽相對(duì)于外轉(zhuǎn)鍵軸向移動(dòng)；蝸桿上還套裝有分別位于螺帽兩側(cè)的第一回位彈簧和第二回位彈簧，在傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)螺帽壓縮第一回位彈簧，第一回位彈簧推動(dòng)外轉(zhuǎn)鍵沿螺桿的旋轉(zhuǎn)軸向外側(cè)移動(dòng)；在傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)時(shí)螺帽壓縮第二回位彈簧，第二回位彈簧推動(dòng)外轉(zhuǎn)鍵沿螺桿的旋轉(zhuǎn)軸向內(nèi)側(cè)移動(dòng)。第一回位彈簧和第二回位彈簧均設(shè)置在外轉(zhuǎn)鍵內(nèi)，能夠降低產(chǎn)品空間要求，大大縮小產(chǎn)品尺寸，使得該電動(dòng)離合裝置更加小巧，便于與各種裝配在各種電子鎖中進(jìn)行應(yīng)用。第一回位彈簧的一端與傳動(dòng)腔的腔底相抵，另一端抵在螺帽上；蝸桿上設(shè)置有與螺帽螺紋連接的螺紋部，當(dāng)螺帽位于螺紋部的外側(cè)時(shí)，第一回位彈簧被壓縮的行程大于螺帽移動(dòng)的行程，此時(shí)第一回位彈簧能夠推動(dòng)螺帽的一側(cè)與蝸桿保持嚙合。傳動(dòng)腔的腔口設(shè)置有能供蝸桿貫穿的回位彈簧擋板，第二回位彈簧的一端與回位彈簧擋板相抵，另一端抵在螺帽上；當(dāng)螺帽位于螺紋部的內(nèi)側(cè)時(shí)，第二回位彈簧被壓縮的行程大于螺帽移動(dòng)的行程，此時(shí)第二回位彈簧能夠推動(dòng)螺帽的另一側(cè)與蝸桿保持嚙合。

在智能鎖離合裝置的工作過程中，傳動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺帽在螺桿內(nèi)軸向移動(dòng)，使其能夠借助第一回位彈簧或第二回位彈簧的彈性推動(dòng)外轉(zhuǎn)鍵與內(nèi)轉(zhuǎn)鍵發(fā)生接合聯(lián)動(dòng)或分離，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。第一回位彈簧或第二回位彈簧能夠在外轉(zhuǎn)鍵與內(nèi)轉(zhuǎn)鍵出現(xiàn)機(jī)械卡死時(shí)，起到緩沖作用，防止螺帽與螺桿之間出現(xiàn)相對(duì)空轉(zhuǎn)滑絲等問題，設(shè)計(jì)巧妙，有效提高電動(dòng)離合裝置的使用壽命。另外，第一回位彈簧和第二回位彈簧能夠促使螺帽與螺桿嚙合，提高工作的穩(wěn)定性。離合裝置側(cè)面剖視圖如圖5所示。

圖5 離合裝置側(cè)面剖視圖

3 結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有電子鎖傳動(dòng)裝置不足之處的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了電子鎖離合裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于現(xiàn)有技術(shù)中多種電子鎖內(nèi)，加入的第一回位彈簧或第二回位彈簧能夠在外轉(zhuǎn)鍵與內(nèi)轉(zhuǎn)鍵出現(xiàn)機(jī)械卡死時(shí)，起到緩沖作用，防止螺帽與螺桿之間出現(xiàn)相對(duì)空轉(zhuǎn)滑絲等問題，設(shè)計(jì)巧妙，有效提高電動(dòng)離合裝置的使用壽命。另外，第一回位彈簧和第二回位彈簧能夠促使螺帽與螺桿保持嚙合，提高電動(dòng)離合裝置的穩(wěn)定性。