曹 偉，李 超，魏秋雨，夏宇彬，徐智敏，姜 珊，尤煙煙

(南京師范大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210042)

抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的設(shè)計與校核

曹 偉，李 超，魏秋雨，夏宇彬，徐智敏，姜 珊，尤煙煙

(南京師范大學(xué) 能源與機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210042)

介紹了一種抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的設(shè)計方案，包括設(shè)計背景、設(shè)計要求、結(jié)構(gòu)組成、工作原理等。通過建立抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的三維實體模型和有限元模型，對該車鎖鉚釘連接部分和抱閘外殼進行了強度分析，得出了鉚釘和抱閘外殼被破壞時能夠承受的最大載荷。分析表明，當(dāng)偷車者強行破壞鎖體時，必然會破壞整個抱閘系統(tǒng)，造成自行車不能正常使用，能大大提高自行車的防盜性能。

抱閘；自行車鎖；有限元法；強度校核

中國是自行車大國。據(jù)統(tǒng)計，截止2010年底，全國自行車保有量接近4.5億輛，而且現(xiàn)在還在不斷增加。伴隨著這巨大的自行車保有量的是猖獗的自行車盜竊行為，根據(jù)公安部公布的數(shù)據(jù)，全國每年發(fā)生自行車盜竊案400多萬起，造成經(jīng)濟損失20多億元[1]。某高校的一項調(diào)查顯示：有97%的同學(xué)在校內(nèi)有丟自行車的經(jīng)歷；有70%的同學(xué)有過丟失2輛自行車的經(jīng)歷[2]。

現(xiàn)有的自行車鎖主要是鏈條鎖和環(huán)形鎖[3]。此類鎖具由鎖頭和鎖身組成，鎖身由鏈條或者鋼絲制成，外包一層塑料外皮。使用時將鎖身繞過前輪或者后輪輻條間隙后鎖住鎖頭，使車輪和車身保持相對靜止以達到防盜的目的。鏈條鎖和環(huán)形鎖是應(yīng)用最為廣泛的一種鎖具，但由于其鎖身材料的強度問題極易遭到破壞，大力鉗即可輕松剪斷此種類型的鎖具。還有的車鎖運用到了電子產(chǎn)品，具有報警功能[4]，當(dāng)偷盜者偷自行車時，會發(fā)出報警聲音，引起別人的注意，但其成本較高，只在少數(shù)的高檔自行車中使用。

1 自行車鎖設(shè)計要求

自行車在防盜功能設(shè)計上的欠缺是自行車被偷的主要原因[3]?？梢詮囊韵聝蓚€方面進行說明：第一，自行車無論在設(shè)計上還是制造上，很少考慮到它的防盜功能，用于防盜的車鎖也只是在購買自行車后添加的。因此，增強自行車的防盜性能，通常只限于增強自行車鎖具的強度，但受到體積、質(zhì)量、材料以及成本的限制，這種強度的增加是有限的，所以“撬、剪、敲”等粗野的偷盜方式仍然占有主要部分。第二，防盜功能定義不準確。市場上常見的自行車鎖，其功能是保證自行車不被移走，而不是保護自行車自身的價值。而盜竊的根本目的是為了自行車的使用價值，只有防盜功能定義深入到保護自行車的使用價值時，使盜竊自行車與失去使用價值聯(lián)系在一起，盜竊行為才有可能從根本上被解決。

在具體的方案設(shè)計中，應(yīng)該考慮自行車的設(shè)計、制造和使用3方面以及鎖具制造業(yè)對新設(shè)計的接受能力問題。理想的設(shè)計方案應(yīng)有以下幾個特點[3]：(1)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉；(2)不影響原有自行車使用功能，不對原有結(jié)構(gòu)、外觀做較大調(diào)整；(3)自行車鎖被破壞后，自行車失去原有使用性能；(4)增加的工序適合大批量生產(chǎn)。

2 抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的組成結(jié)構(gòu)與工作原理

為了確保自行車鎖能夠達到上述目的，經(jīng)過仔細研究和實驗，選擇自行車抱閘這一零件進行鎖具功能的改進設(shè)計，采用的技術(shù)方案如下。

2.1抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的組成結(jié)構(gòu)

如圖1、圖2、圖3所示，本結(jié)構(gòu)包括外芯1、橡膠2、抱閘摩擦輪3、連桿4、剎車鐵皮5、內(nèi)芯6、鎖殼7、鉚釘8、墊片9、鎖扣10、槽11、大彈簧12、小彈簧13、凸臺14。其中，外芯1、內(nèi)芯6、鎖殼7、鎖扣10、槽11、大彈簧12、小彈簧13、凸臺14共同組成了如圖3所示的鎖體。

圖1 抱閘裝配內(nèi)側(cè)示意圖 圖2 抱閘裝配外側(cè)示意圖

圖3 未鎖定狀態(tài)下鎖體的全剖視圖

如圖2所示，鎖體通過兩個鉚釘8安裝在抱閘外殼上，在鎖體與抱閘中間是一個月牙形墊片(如圖4所示)，墊片的月牙形形狀是為了防止鎖體與抱閘外殼之間發(fā)生干涉，這樣可以滿足鎖體安裝在抱閘外殼上平穩(wěn)性的要求，以增強鉚釘連接的強度。

圖4 墊片外形圖

如圖2所示，鎖體中心位置到抱閘外殼中心的距離是根據(jù)圖1所示抱閘摩擦輪上兩個小孔圓心到大孔圓心的距離而確定的，兩者大小相等，鎖體中心軸與抱閘外殼中心軸所組成的平面與垂直平面所夾角度為35°，以防止鎖體與自行車支架之間發(fā)生干涉，保證鎖體的安裝性能。

2.2抱閘結(jié)構(gòu)式自行車鎖的工作原理

如圖3所示，內(nèi)芯6和外芯1只能相對轉(zhuǎn)動，不能相對移動，鎖定時，按下鎖芯(由內(nèi)芯6和外芯1組成)，鎖芯便會在鎖殼中移動，當(dāng)移動到圖3所示的槽11時，鎖扣10便會在小彈簧13的作用下彈出，卡在槽11中，鎖定狀態(tài)時的鎖體外形如圖2所示。鎖體與抱閘摩擦輪6的相對位置關(guān)系如圖1所示。解鎖時，用鑰匙插到內(nèi)芯6中，旋轉(zhuǎn)一定的角度，此時內(nèi)芯6將會帶動鎖扣10向下移動，鎖扣相對槽也向下移動，在大彈簧12的作用下，鎖芯向外彈出，凸臺14滑到滑槽的極限位置時被卡住，完成解鎖。解鎖時的外形圖如圖5所示。鎖體的爆炸圖如圖6所示。抱閘外殼上面有3個小孔，一個孔用于安裝鎖體中外芯1，另外兩個供鉚釘連接所用。抱閘摩擦輪3是與自行車后軸相連接的，與后軸保持相對靜止，即隨著自行車運動而運動，隨著自行車靜止而靜止。當(dāng)自行車停止后，轉(zhuǎn)動后輪到合適位置，此時便可按下鎖芯，使得鎖芯插入抱閘摩擦輪3上的孔中，完成鎖定。

圖5 未鎖狀態(tài)下的鎖體的俯視圖

如圖1所示，鎖體外芯1在抱閘外殼和抱閘摩擦輪之間，由于里面的空間很小，偷車者沒有足夠的空間使用扳手，使得偷車者很難通過剪斷鎖體外芯1來偷取自行車。若是強行破壞外面的鎖體，一方面會引起很大的噪聲，引起別人的注意；另一方面也會使得抱閘變形嚴重，導(dǎo)致車輪卡死或轉(zhuǎn)動阻力增大使自行車不能正常使用。

圖6 鎖體的爆炸圖

3 基于有限元法的強度校核

強度校核的目的在于判斷在外載荷作用下，是鉚釘連接的鎖體先破壞，還是自行車抱閘外殼先破壞，若是抱閘外殼先破壞，則可以認為，偷車者用錘子等工具強行破壞鎖體時，必然會破壞自行車的抱閘系統(tǒng)，使得自行車的使用性能遭到破壞。下面是基于有限元法的具體分析過程。

3.1網(wǎng)格的劃分

利用Pro/E建立模型，并導(dǎo)入到hypermesh內(nèi)進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分之前，對模型進行了預(yù)處理。首先進行2D網(wǎng)格的劃分，利用修改后的幾何模型進行面網(wǎng)格的劃分。對于重點分析的部分進行了加密的處理，利用劃分好的2D網(wǎng)格生成3D網(wǎng)格，最終網(wǎng)格圖如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格劃分模型圖

a.外殼模型。外殼模型對重點分析部位進行了加密處理以提高精確度，最小網(wǎng)格尺寸為1mm，最終網(wǎng)格數(shù)量12 041。

b.鎖殼模型。該部分存在重點分析區(qū)域，故對于鉚釘接觸區(qū)域進行了washer處理，以提高網(wǎng)格的精確度，最小網(wǎng)格尺寸為2mm，網(wǎng)格數(shù)為6 230。

c.鉚釘模型。該部分為重點分析零件，故對該部分進行了整體網(wǎng)格加密，最小網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格數(shù)為3 371。

d.墊片模型。最小網(wǎng)格尺寸為2mm，網(wǎng)格數(shù)為2 014。

3.2屬性的添加

鉚釘?shù)闹睆竭x擇為8mm，材料選擇不銹鋼0Cr18Ni9(新牌號06Cr19Ni10)，查閱相關(guān)資料，其楊氏彈性模量E=197GPa，泊松比μ=0.27，抗拉強度Rm=520MPa；抱閘外殼的材料為Q235，其楊氏彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，抗拉強度Rm=370～500MPa。

在ABAQUS中選擇property模塊，設(shè)置材料參數(shù)，并將材料屬性添加到零件上，完成材料屬性的創(chuàng)建和材料的賦予。

3.3零件的裝配

在ABAQUS中選擇assembly模塊，利用零件間的裝配關(guān)系及軟件中的約束條件來完成最終的裝配。最終裝配結(jié)果如圖8所示。

3.4零件的相互關(guān)系

在模型間建立相互關(guān)系以完成力的傳遞，鎖殼與墊片之間、墊片與外殼之間的關(guān)系為tie約束；鉚釘與鎖殼之間、鉚釘和外殼之間的關(guān)系為硬接觸。

圖8 零件裝配圖

3.5位移約束

實際應(yīng)用中，正確的約束關(guān)系為外殼被固定，鎖殼和墊片被鉚釘約束在外殼上。

3.6力的加載

從花饃的制作工藝及流程來看，花饃制作需要復(fù)雜的工序，長期以來，聞喜花饃都是由當(dāng)?shù)貗D女親手一個一個捏出來的，各種捏形都沒有教材可以參照，每逢有人家中辦事，都是全村婦女集體到一家來蒸饃，這樣主要由人來操作造成花饃的規(guī)模化生產(chǎn)很有難度，機器花生產(chǎn)有難度，而要想獲得經(jīng)濟利益，必須要擴大生產(chǎn)規(guī)模，聞喜花饃的制作非常講究。這就面臨了一個特別實際的問題，在這個過程中如何處理好花饃的生產(chǎn)數(shù)量和口感質(zhì)量的關(guān)系，這個也是在確定市場定位時，需要考慮的，是側(cè)重花饃的食用性還是它的觀賞性，這個是急需解決的問題。

由于本次校核的目的為預(yù)測鉚釘在何時會達到屈服條件，故采用試取法，分別在邊緣加載5MPa、10MPa、12MPa、20MPa、25MPa，再利用插值法得到最終的屈服極限。力的加載方向豎直向下，結(jié)果如圖9所示。

圖9 力的加載示意圖

接下來設(shè)立一個分析步，選擇默認值，進行計算。

3.7結(jié)果分析

3.7.1鉚釘強度結(jié)果分析

通過上述建模、劃分網(wǎng)格及力的加載，最終的計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 鉚釘應(yīng)力分布云圖

不銹鋼材料具有較強的抗壓能力，但抗拉能力較弱，因此在分析中采取第一強度理論即最大拉應(yīng)力理論，當(dāng)材料達到屈服強度后，默認材料發(fā)生疲勞破壞。5個壓力值情況下的最大mise應(yīng)力繪制曲線如圖11所示。

采用線性插值方法，獲得最大應(yīng)力值為抗拉強度極大值520MPa時，鎖體上承受的載荷為23.9MPa。

3.7.2外殼強度結(jié)果分析

圖11 鉚釘壓力-最大應(yīng)力值曲線圖

圖12 抱閘外殼應(yīng)力分布云圖

根據(jù)上述結(jié)果繪制的壓力-最大應(yīng)力值曲線如圖13所示。

通過線性插值法可得知，當(dāng)壓力值在15.8MPa時會在局部開始發(fā)生斷裂。

3.7.3比較分析

通過上面的計算和分析可知，當(dāng)外載荷為15.8MPa時，抱閘外殼即發(fā)生局部斷裂，而此時自行車鎖鎖體與抱閘外殼連接的鉚釘還未破壞。因此，如果偷車者采取用榔頭等工具強行將鎖體破壞的手段偷取自行車時，一方面必然會造成抱閘系統(tǒng)的破壞，自行車的使用性就無法得到保證；另一方面，會產(chǎn)生大量的噪聲，引起別人的注意,從而能從根源上大大提高自行車的防盜性能。

圖13 抱閘外殼壓力-最大應(yīng)力值曲線圖

4 結(jié)束語

根據(jù)自行車抱閘系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)鎖，該車鎖結(jié)構(gòu)簡單合理，成本低廉，不影響原有抱閘功能，不對原有結(jié)構(gòu)、外觀做較大改變，占用空間小。其最大的優(yōu)點是鎖芯在抱閘內(nèi)部，很難被剪斷。通過有限元法校核其強度，由結(jié)果可知，若強行破壞鎖具，則整個抱閘系統(tǒng)就會遭到破壞，抱閘將產(chǎn)生變形卡死摩擦輪，自行車很難正常使用，能大大提高自行車防盜能力，具有廣闊的市場前景。同時，由于機構(gòu)簡單實用，可短期實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。

[1] 王婧．盜竊自行車犯罪特點及預(yù)防對策[J]．西安社會科學(xué)，2011(2)：45-46.

[2] 李佳莉，陳彥彰，張舒予，等．佛山市城區(qū)自行車被盜的調(diào)查分析——如何選擇自行車防盜鎖[J]．網(wǎng)絡(luò)科技時代，2003(10)：28-30.

[3] 夏進軍，李洋．卡扣輻條盤式自行車鎖的設(shè)計[J]．機械設(shè)計，2013(1)：110-112.

[4] 楚雄．裝有特殊報警裝置的自行車車鎖[J]．中國自行車，2008(5)：40.

TheDesignandCheckingofBrake-structuredBicycleLock

CAO Wei, LI Chao, WEI Qiuyu, XIA Yubin, XU Zhimin, JIANG Shan, YOU Yanyan

(Nanjing Normal University, Jiangsu Nanjing, 210042, China)

It introduces a design of brake-structured bicycle lock, including its background, design requirements, structure, working principle and so on. Through the establishment of the 3D model and finite element model of the brake-structured bicycle lock, it conducts analysis on the strength of the bicycle lock's rivet-connected part and its brake housing. It shows the peak load of the rivets and the brake housing when being destroyed. The numerical results demonstrate that when the lock body is destroyed by thieves, the entire brake system will inevitably be destroyed at the same time and thus the bicycle will not be working. Therefore, this kind of new lock can greatly improve the theft-proof performance of the bike and have broad market prospects.

Brake; Bicycle Lock; Finite Element Method; Strength Checking

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.010

2014-07-10

曹偉(1992—)，男，江蘇南京人，南京師范大學(xué)本科生，主要研究方向為機械工程及自動化。

TB472

A

2095-509X(2014)08-0042-05