基于電磁搭扣搭接機構的分析與研究

丁凡，姚春良，毛立明

（寧波生久柜鎖有限公司，浙江 寧波 315423）

搭扣聯(lián)接作為一種快速便捷的聯(lián)接方式，可以利用機構元件較大的彈性變形進行鎖緊，便于裝配。裝配后機構的形變可以得到部分恢復，產生較小的應力和變形。這種聯(lián)接配合的搭接強度來自于機械搭接機構及其摩擦力，能夠保證搭接機構的拔脫力遠大于扣入力，被廣泛應用于各種電子設備，車輛的箱蓋，自動售販機、物流柜、儲物柜、信報箱、寄存柜、文件柜、電表箱、衣柜、手機柜、鞋柜等集中控制箱柜。廣泛應用于學校、小區(qū)物流、酒店、工廠、洗浴中心、部隊、銀行、超市等場所。搭扣的形式多樣，因使用場景不同，賦能不同。目前，搭扣聯(lián)接因加工簡易、裝配方便，廣泛應用于臨時性和永久性的聯(lián)接，在塑料制品中應用較為廣泛。本文首先回顧了目前搭扣機構的應用案例，分析現(xiàn)有電磁搭扣鎖搭接機構的設計缺陷，其次，以搭接位置的特征參數(shù)為突破口，對搭扣的材質工藝和搭接位置參數(shù)進行優(yōu)化分析，進一步提高電子搭扣鎖的承載強度和穩(wěn)定性。

1 文獻回顧與問題分析

1.1 文獻回顧

文獻[1]介紹了塑料制品中常用的搭扣聯(lián)接的基本類型：懸臂形搭扣聯(lián)接，球形搭扣聯(lián)接，空心圓柱形搭扣聯(lián)接，插扣聯(lián)接，鉤環(huán)聯(lián)接等。其中對懸臂形搭扣進行建模（如圖1所示），并對搭扣聯(lián)接設計的合理性和精確度進行理論分析，科學地計算出了彈性部件的彈性比K=FS/h(FS-彈性力，h凸起高度)、彎曲應力、應變及凸起高度值，為搭扣聯(lián)接的強度提供了理論依據使結構設計更合理，更具實用性。如箱包上的拉鏈聯(lián)接，小型半導體的夾扣聯(lián)接，導線困扎用的棘齒、鋸齒、球珠聯(lián)接結構，聚烯烴類塑料盒上的合頁聯(lián)接等。材料選用在彈性范圍內具有合適的彈性模量和較大應變的塑料為宜，例如，聚碳酸酯、高抗沖聚苯乙烯、ABS、尼龍、硬聚氯乙烯等。這些塑料成型收縮率小，容易控制凸起的制造精度。

圖1 懸臂形搭扣

文獻[2]從快速鎖閉機構的應用方面，介紹了推拉式快鎖機構、彈性夾式快鎖機構、搭扣鎖等機構。在推拉式快鎖機構中，滾輪碰鎖機構巧妙地利用了門體開關動作，將鋼栓插入滾輪擺桿機構中，如圖2所示，支架、滾輪、卡腳、扭簧安裝在機柜上，鋼栓裝于機門上。當把機門推向機柜時，鋼栓推開帶滾輪的卡腳機構，在扭簧的作用下兩滾輪將鋼栓頸部夾緊實現(xiàn)機門鎖閉。這種機構類似現(xiàn)在儲物柜的搭扣鎖原理，運用開關門的運動實現(xiàn)鎖閉。

圖2 滾珠碰鎖機構

文獻[3]介紹了搭扣固定聯(lián)接中，因為產品尺寸工藝問題導致聯(lián)接縫隙大，無法實現(xiàn)良好密封效果。設計了一種壓邊模具，采用低成本的方式成功地實現(xiàn)了搭扣壓邊鎖緊。文獻[4]介紹了機械鎖/搭扣配合用的Elastocon TPE技術公司新推出硬質TPE系列Elastocon 9050，邵氏D硬度50。在低溫天氣情況下，該材料具良好的抗沖擊性，阻燃性能可通過ULV0級。文獻[5]介紹了德國慕尼黑工業(yè)大學研究人員開發(fā)出一種彈簧鋼金屬搭扣——Metaklett。彈簧鋼兼具高柔韌性和高強度等特點，是制作這種金屬搭扣的理想材料。研究人員通過三維建模，優(yōu)化金屬搭扣各單元間的聯(lián)鎖性能。制得的金屬搭扣具有較好的耐化學腐蝕性，能夠在800攝氏度的高溫下承受每平方米35噸重的拉力。垂直作用在金屬搭扣表面的外力可以達到每平方米7噸重。

文獻[6]分析了攝像機球芯和機殼搭扣聯(lián)接機構的缺陷，針對機構的薄弱點進行結構改進和材質優(yōu)化，提升了搭接機構的抗疲勞強度和抗震效果。文獻[7]介紹了一種全自動四連桿搭扣機構，實現(xiàn)了自動打包、轉箱的操作，降低了操作工的勞動強度，提高了打包效率。

1.2 問題分析

目前，控制柜上用的電子搭扣鎖（如圖3所示）主要存在以下問題：

圖3 控制柜電子搭扣鎖控系統(tǒng)

（1）鎖扣實際承載力較小，最大只能承重20kg；

（2）鎖具使用過程中不穩(wěn)定，出現(xiàn)實際承載只有50%最大載荷時，搭扣機構無法解鎖的現(xiàn)象；

（3）搭扣機構采用沖壓工藝，易變形。搭接位置精度難以控制，嚴重影響搭接強度以及擺桿位置精度，在門體虛掩的情況下，錯誤輸出鎖具狀態(tài)；

（4）搭扣鎖結構和控制復雜，鎖具的穩(wěn)定性和可靠性不高。

2 電子搭扣鎖搭接機構優(yōu)化設計

針對目前電子搭扣鎖存在的問題，首先，考慮采用電磁閥代替電機驅動。因為電機驅動搭扣機構，電機轉動狀態(tài)及機構開關位置均需要檢測輸出，控制復雜。同時，連桿機構的特點導致監(jiān)測點的精度很難控制。用電磁閥驅動，控制邏輯簡單，鎖具可靠性較高。原設計的電子搭扣鎖（如圖4所示），鎖舌和固定扣采用SUS304板材沖壓工藝成型，搭接點與鎖舌的轉動支點在豎直方向上共線，搭接接觸是直邊，鎖舌和固定扣的轉動支點處均放有復位扭簧。

圖4 原設計的電子搭扣鎖

對搭扣機構建模分析，如圖5所示。

圖5 搭扣機構數(shù)學模型

搭扣鎖鎖閉狀態(tài)下，鎖舌和固定扣處于平衡狀態(tài)，滿足下列條件，將搭接點特征進行優(yōu)化，根據搭扣機構的運動軌跡將原有的直邊更改為：以固定扣轉動支點為圓心的一段圓弧。

F2沿圓弧中點法線和切線方向上的分力為F4，F(xiàn)5；

F4=F2cosθ,F5=F2sinθ；

確保搭接點不自動脫扣，以及電磁閥閥芯驅動能夠實現(xiàn)搭接位置解鎖，需滿足：u為搭接點接觸摩擦系數(shù)，不銹鋼板材（圖6）切口刃摩擦較大，取0.3。F3L4+F5L3≥T+uF4L3（2）原設計的方案中，θ=0°，但由（1）式中，因為鎖鉤負載F1較大，T很小，F(xiàn)5L3≤uF4L3，得到θ≥16.7°。

圖6 不銹鋼沖壓板材與mimo工藝搭接面對比

對固定扣的形狀特征進行優(yōu)化，根據上述分析以及機構布局尺寸，搭接接觸面做圓弧處理(如圖7所示)，測得θ≈25°，滿足要求。同時考慮電磁閥功耗，保證較小的吸合力能夠解鎖搭扣，將鎖舌和固定扣的工藝優(yōu)化為mimo成型工藝，接觸點的摩擦系數(shù)約為0.15，u越小，同樣大小的吸合力可以解鎖較大負載。

圖7 搭接位置圓弧處理

門體防虛掩優(yōu)化：原設計的固定扣的檢測開關觸發(fā)點距離位置開關彈片太近，導致鎖鉤推壓鎖舌過程中，鎖舌沒有完全到位，位置開關已被觸發(fā)，出現(xiàn)狀態(tài)誤報。將固定扣的開關觸發(fā)點進行調整，保證鎖舌和固定扣完全鎖閉狀態(tài)下，開關被觸發(fā)，保證了鎖具狀態(tài)輸出的精確度。優(yōu)化后的電子搭扣鎖如圖8所示。

圖8 機構優(yōu)化后的電子搭扣鎖

3 討論

從第2章的搭接機構設計優(yōu)化來看，要實現(xiàn)低功耗電磁閥吸合力實現(xiàn)開鎖，必須注意以下兩點：

（1）對于鎖舌和固定扣的成型工藝控制，確保搭接點位置接觸面的形狀位置精度和粗糙度，經反復驗證，接觸面表面粗糙度Ra控制在3.2μm。

（2）固定扣的復位扭簧的扭矩選擇：根據常用的振動標準：X,Y,Z方向上1.1G的加速度振動，保證鎖閉狀態(tài)下搭接處不脫扣，放置在支點處的復位扭簧在搭接點處產生自鎖力F自鎖≥m鎖體×a加速度。

4 搭接強度和振動驗證

對優(yōu)化后的電子搭扣鎖進行承載力測試，將試樣安裝在治具上，如圖9所示，用電子萬能拉壓力機對試樣施加向下600N左右的拉力，經測試鎖鉤承載力達到647N，如表1，遠大于原來的200N。同時，對試樣進行開關鎖壽命測試，開關次數(shù)30000次，可靠性明顯提高。優(yōu)化的電子搭扣鎖在負載348N作用下，通電能夠正常開鎖。測試數(shù)據如表2。5 結語

圖9 搭扣鎖鎖鉤承載力測試

表1 搭扣鎖承載力測試數(shù)據

表2 搭扣鎖負載通電測試數(shù)據

（1）通過對電子搭扣智能鎖搭接機構的理論建模分析，對搭接接觸點的位置參數(shù)進行優(yōu)化設計，結合機構成型工藝的優(yōu)化，較好地解決了用戶使用過程中因機構卡死無法開鎖的難題，大大提高了鎖具的可靠性和穩(wěn)定性，同時，避免了電磁閥功耗過高失效的問題。

（2）通過對機構的建模優(yōu)化，解決了鎖具狀態(tài)監(jiān)測的準確性，解決了因門體虛掩出現(xiàn)狀態(tài)誤報的缺陷。