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(jī)構(gòu)元件較大的彈性變形進(jìn)行鎖緊，便于裝配。裝配后機(jī)構(gòu)的形變可以得到部分恢復(fù)，產(chǎn)生較小的應(yīng)力和變形。這種聯(lián)接配合的搭接強(qiáng)度來(lái)自于機(jī)械搭接機(jī)構(gòu)及其摩擦力，能夠保證搭接機(jī)構(gòu)的拔脫力遠(yuǎn)大于扣入力，被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，車輛的箱蓋，自動(dòng)售販機(jī)、物流柜、儲(chǔ)物柜、信報(bào)箱、寄存柜、文件柜、電表箱、衣柜、手機(jī)柜、鞋柜等集中控制箱柜。廣泛應(yīng)用于學(xué)校、小區(qū)物流、酒店、工廠、洗浴中心、部隊(duì)、銀行、超市等場(chǎng)所。搭扣的形式多樣，因使用場(chǎng)景不同，賦能不同。目前，搭扣聯(lián)接因加工簡(jiǎn)易、裝配方便，廣泛應(yīng)用于臨時(shí)性和永久性的聯(lián)接，在塑料制品中應(yīng)用較為廣泛。本文首先回顧了目前搭扣機(jī)構(gòu)的應(yīng)用案例，分析現(xiàn)有電磁搭扣鎖搭接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，其次，以搭接位置的特征參數(shù)為突破口，對(duì)搭扣的材質(zhì)工藝和搭接位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，進(jìn)一步提高電子搭扣鎖的承載強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

1 文獻(xiàn)回顧與問(wèn)題分析

1.1 文獻(xiàn)回顧

文獻(xiàn)[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(duì)懸臂形搭扣進(jìn)行建模（如圖1所示），并對(duì)搭扣聯(lián)接設(shè)計(jì)的合理性和精確度進(jìn)行理論分析，科學(xué)地計(jì)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(yīng)力、應(yīng)變及凸起高度值，為搭扣聯(lián)接的強(qiáng)度提供了理論依據(jù)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，更具實(shí)用性。如箱包上的拉鏈聯(lián)接，小型半導(dǎo)體的夾扣聯(lián)接，導(dǎo)線困扎用的棘齒、鋸齒、球珠聯(lián)接結(jié)構(gòu)，聚烯烴類塑料盒上的合頁(yè)聯(lián)接等。材料選用在彈性范圍內(nèi)具有合適的彈性模量和較大應(yīng)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(xiàn)[2]從快速鎖閉機(jī)構(gòu)的應(yīng)用方面，介紹了推拉式快鎖機(jī)構(gòu)、彈性?shī)A式快鎖機(jī)構(gòu)、搭扣鎖等機(jī)構(gòu)。在推拉式快鎖機(jī)構(gòu)中，滾輪碰鎖機(jī)構(gòu)巧妙地利用了門體開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將鋼栓插入滾輪擺桿機(jī)構(gòu)中，如圖2所示，支架、滾輪、卡腳、扭簧安裝在機(jī)柜上，鋼栓裝于機(jī)門上。當(dāng)把機(jī)門推向機(jī)柜時(shí)，鋼栓推開(kāi)帶滾輪的卡腳機(jī)構(gòu)，在扭簧的作用下兩滾輪將鋼栓頸部夾緊實(shí)現(xiàn)機(jī)門鎖閉。這種機(jī)構(gòu)類似現(xiàn)在儲(chǔ)物柜的搭扣鎖原理，運(yùn)用開(kāi)關(guān)門的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖閉。

圖2 滾珠碰鎖機(jī)構(gòu)

文獻(xiàn)[3]介紹了搭扣固定聯(lián)接中，因?yàn)楫a(chǎn)品尺寸工藝問(wèn)題導(dǎo)致聯(lián)接縫隙大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好密封效果。設(shè)計(jì)了一種壓邊模具，采用低成本的方式成功地實(shí)現(xiàn)了搭扣壓邊鎖緊。文獻(xiàn)[4]介紹了機(jī)械鎖/搭扣配合用的Elastocon TPE技術(shù)公司新推出硬質(zhì)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(guò)ULV0級(jí)。文獻(xiàn)[5]介紹了德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究人員開(kāi)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(qiáng)度等特點(diǎn)，是制作這種金屬搭扣的理想材料。研究人員通過(guò)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(xué)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(dá)到每平方米7噸重。

文獻(xiàn)[6]分析了攝像機(jī)球芯和機(jī)殼搭扣聯(lián)接機(jī)構(gòu)的缺陷，針對(duì)機(jī)構(gòu)的薄弱點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和材質(zhì)優(yōu)化，提升了搭接機(jī)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度和抗震效果。文獻(xiàn)[7]介紹了一種全自動(dòng)四連桿搭扣機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)打包、轉(zhuǎn)箱的操作，降低了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了打包效率。

1.2 問(wèn)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(wèn)題：

圖3 控制柜電子搭扣鎖控系統(tǒng)

（1）鎖扣實(shí)際承載力較小，最大只能承重20kg；

（2）鎖具使用過(guò)程中不穩(wěn)定，出現(xiàn)實(shí)際承載只有50%最大載荷時(shí)，搭扣機(jī)構(gòu)無(wú)法解鎖的現(xiàn)象；

（3）搭扣機(jī)構(gòu)采用沖壓工藝，易變形。搭接位置精度難以控制，嚴(yán)重影響搭接強(qiáng)度以及擺桿位置精度，在門體虛掩的情況下，錯(cuò)誤輸出鎖具狀態(tài)；

（4）搭扣鎖結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，鎖具的穩(wěn)定性和可靠性不高。

2 電子搭扣鎖搭接機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)目前電子搭扣鎖存在的問(wèn)題，首先，考慮采用電磁閥代替電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)搭扣機(jī)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)及機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)位置均需要檢測(cè)輸出，控制復(fù)雜。同時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精度很難控制。用電磁閥驅(qū)動(dòng)，控制邏輯簡(jiǎn)單，鎖具可靠性較高。原設(shè)計(jì)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(diǎn)與鎖舌的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)在豎直方向上共線，搭接接觸是直邊，鎖舌和固定扣的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)處均放有復(fù)位扭簧。

圖4 原設(shè)計(jì)的電子搭扣鎖

對(duì)搭扣機(jī)構(gòu)建模分析，如圖5所示。

圖5 搭扣機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)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(diǎn)特征進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)搭扣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡將原有的直邊更改為：以固定扣轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)為圓心的一段圓弧。

F2沿圓弧中點(diǎn)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(diǎn)不自動(dòng)脫扣，以及電磁閥閥芯驅(qū)動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)搭接位置解鎖，需滿足：u為搭接點(diǎn)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(shè)計(jì)的方案中，θ=0°，但由（1）式中，因?yàn)殒i鉤負(fù)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(duì)比

對(duì)固定扣的形狀特征進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)上述分析以及機(jī)構(gòu)布局尺寸，搭接接觸面做圓弧處理(如圖7所示)，測(cè)得θ≈25°，滿足要求。同時(shí)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(diǎn)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(fù)載。

圖7 搭接位置圓弧處理

門體防虛掩優(yōu)化：原設(shè)計(jì)的固定扣的檢測(cè)開(kāi)關(guān)觸發(fā)點(diǎn)距離位置開(kāi)關(guān)彈片太近，導(dǎo)致鎖鉤推壓鎖舌過(guò)程中，鎖舌沒(méi)有完全到位，位置開(kāi)關(guān)已被觸發(fā)，出現(xiàn)狀態(tài)誤報(bào)。將固定扣的開(kāi)關(guān)觸發(fā)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，保證鎖舌和固定扣完全鎖閉狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)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(jī)構(gòu)優(yōu)化后的電子搭扣鎖

3 討論

從第2章的搭接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)低功耗電磁閥吸合力實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖，必須注意以下兩點(diǎn)：

（1）對(duì)于鎖舌和固定扣的成型工藝控制，確保搭接點(diǎn)位置接觸面的形狀位置精度和粗糙度，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，接觸面表面粗糙度Ra控制在3.2μm。

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

4 搭接強(qiáng)度和振動(dòng)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的電子搭扣鎖進(jìn)行承載力測(cè)試，將試樣安裝在治具上，如圖9所示，用電子萬(wàn)能拉壓力機(jī)對(duì)試樣施加向下600N左右的拉力，經(jīng)測(cè)試鎖鉤承載力達(dá)到647N，如表1，遠(yuǎn)大于原來(lái)的200N。同時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行開(kāi)關(guān)鎖壽命測(cè)試，開(kāi)關(guān)次數(shù)30000次，可靠性明顯提高。優(yōu)化的電子搭扣鎖在負(fù)載348N作用下，通電能夠正常開(kāi)鎖。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2。5 結(jié)語(yǔ)

圖9 搭扣鎖鎖鉤承載力測(cè)試

表1 搭扣鎖承載力測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 搭扣鎖負(fù)載通電測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）通過(guò)對(duì)電子搭扣智能鎖搭接機(jī)構(gòu)的理論建模分析，對(duì)搭接接觸點(diǎn)的位置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)構(gòu)成型工藝的優(yōu)化，較好地解決了用戶使用過(guò)程中因機(jī)構(gòu)卡死無(wú)法開(kāi)鎖的難題，大大提高了鎖具的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)，避免了電磁閥功耗過(guò)高失效的問(wèn)題。

（2）通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)的建模優(yōu)化，解決了鎖具狀態(tài)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，解決了因門體虛掩出現(xiàn)狀態(tài)誤報(bào)的缺陷。