抱闸结构式自行车锁的设计与校核

曹 伟，李 超，魏秋雨，夏宇彬，徐智敏，姜 珊，尤烟烟

(南京师范大学 能源与机械工程学院，江苏 南京 210042)

抱闸结构式自行车锁的设计与校核

曹 伟，李 超，魏秋雨，夏宇彬，徐智敏，姜 珊，尤烟烟

(南京师范大学 能源与机械工程学院，江苏 南京 210042)

介绍了一种抱闸结构式自行车锁的设计方案，包括设计背景、设计要求、结构组成、工作原理等。通过建立抱闸结构式自行车锁的三维实体模型和有限元模型，对该车锁铆钉连接部分和抱闸外壳进行了强度分析，得出了铆钉和抱闸外壳被破坏时能够承受的最大载荷。分析表明，当偷车者强行破坏锁体时，必然会破坏整个抱闸系统，造成自行车不能正常使用，能大大提高自行车的防盗性能。

抱闸；自行车锁；有限元法；强度校核

中国是自行车大国。据统计，截止2010年底，全国自行车保有量接近4.5亿辆，而且现在还在不断增加。伴随着这巨大的自行车保有量的是猖獗的自行车盗窃行为，根据公安部公布的数据，全国每年发生自行车盗窃案400多万起，造成经济损失20多亿元[1]。某高校的一项调查显示：有97%的同学在校内有丢自行车的经历；有70%的同学有过丢失2辆自行车的经历[2]。

现有的自行车锁主要是链条锁和环形锁[3]。此类锁具由锁头和锁身组成，锁身由链条或者钢丝制成，外包一层塑料外皮。使用时将锁身绕过前轮或者后轮辐条间隙后锁住锁头，使车轮和车身保持相对静止以达到防盗的目的。链条锁和环形锁是应用最为广泛的一种锁具，但由于其锁身材料的强度问题极易遭到破坏，大力钳即可轻松剪断此种类型的锁具。还有的车锁运用到了电子产品，具有报警功能[4]，当偷盗者偷自行车时，会发出报警声音，引起别人的注意，但其成本较高，只在少数的高档自行车中使用。

1 自行车锁设计要求

自行车在防盗功能设计上的欠缺是自行车被偷的主要原因[3]。可以从以下两个方面进行说明：第一，自行车无论在设计上还是制造上，很少考虑到它的防盗功能，用于防盗的车锁也只是在购买自行车后添加的。因此，增强自行车的防盗性能，通常只限于增强自行车锁具的强度，但受到体积、质量、材料以及成本的限制，这种强度的增加是有限的，所以“撬、剪、敲”等粗野的偷盗方式仍然占有主要部分。第二，防盗功能定义不准确。市场上常见的自行车锁，其功能是保证自行车不被移走，而不是保护自行车自身的价值。而盗窃的根本目的是为了自行车的使用价值，只有防盗功能定义深入到保护自行车的使用价值时，使盗窃自行车与失去使用价值联系在一起，盗窃行为才有可能从根本上被解决。

在具体的方案设计中，应该考虑自行车的设计、制造和使用3方面以及锁具制造业对新设计的接受能力问题。理想的设计方案应有以下几个特点[3]：(1)结构简单，成本低廉；(2)不影响原有自行车使用功能，不对原有结构、外观做较大调整；(3)自行车锁被破坏后，自行车失去原有使用性能；(4)增加的工序适合大批量生产。

2 抱闸结构式自行车锁的组成结构与工作原理

为了确保自行车锁能够达到上述目的，经过仔细研究和实验，选择自行车抱闸这一零件进行锁具功能的改进设计，采用的技术方案如下。

2.1抱闸结构式自行车锁的组成结构

如图1、图2、图3所示，本结构包括外芯1、橡胶2、抱闸摩擦轮3、连杆4、刹车铁皮5、内芯6、锁壳7、铆钉8、垫片9、锁扣10、槽11、大弹簧12、小弹簧13、凸台14。其中，外芯1、内芯6、锁壳7、锁扣10、槽11、大弹簧12、小弹簧13、凸台14共同组成了如图3所示的锁体。

图1 抱闸装配内侧示意图 图2 抱闸装配外侧示意图

图3 未锁定状态下锁体的全剖视图

如图2所示，锁体通过两个铆钉8安装在抱闸外壳上，在锁体与抱闸中间是一个月牙形垫片(如图4所示)，垫片的月牙形形状是为了防止锁体与抱闸外壳之间发生干涉，这样可以满足锁体安装在抱闸外壳上平稳性的要求，以增强铆钉连接的强度。

图4 垫片外形图

如图2所示，锁体中心位置到抱闸外壳中心的距离是根据图1所示抱闸摩擦轮上两个小孔圆心到大孔圆心的距离而确定的，两者大小相等，锁体中心轴与抱闸外壳中心轴所组成的平面与垂直平面所夹角度为35°，以防止锁体与自行车支架之间发生干涉，保证锁体的安装性能。

2.2抱闸结构式自行车锁的工作原理

如图3所示，内芯6和外芯1只能相对转动，不能相对移动，锁定时，按下锁芯(由内芯6和外芯1组成)，锁芯便会在锁壳中移动，当移动到图3所示的槽11时，锁扣10便会在小弹簧13的作用下弹出，卡在槽11中，锁定状态时的锁体外形如图2所示。锁体与抱闸摩擦轮6的相对位置关系如图1所示。解锁时，用钥匙插到内芯6中，旋转一定的角度，此时内芯6将会带动锁扣10向下移动，锁扣相对槽也向下移动，在大弹簧12的作用下，锁芯向外弹出，凸台14滑到滑槽的极限位置时被卡住，完成解锁。解锁时的外形图如图5所示。锁体的爆炸图如图6所示。抱闸外壳上面有3个小孔，一个孔用于安装锁体中外芯1，另外两个供铆钉连接所用。抱闸摩擦轮3是与自行车后轴相连接的，与后轴保持相对静止，即随着自行车运动而运动，随着自行车静止而静止。当自行车停止后，转动后轮到合适位置，此时便可按下锁芯，使得锁芯插入抱闸摩擦轮3上的孔中，完成锁定。

图5 未锁状态下的锁体的俯视图

如图1所示，锁体外芯1在抱闸外壳和抱闸摩擦轮之间，由于里面的空间很小，偷车者没有足够的空间使用扳手，使得偷车者很难通过剪断锁体外芯1来偷取自行车。若是强行破坏外面的锁体，一方面会引起很大的噪声，引起别人的注意；另一方面也会使得抱闸变形严重，导致车轮卡死或转动阻力增大使自行车不能正常使用。

图6 锁体的爆炸图

3 基于有限元法的强度校核

强度校核的目的在于判断在外载荷作用下，是铆钉连接的锁体先破坏，还是自行车抱闸外壳先破坏，若是抱闸外壳先破坏，则可以认为，偷车者用锤子等工具强行破坏锁体时，必然会破坏自行车的抱闸系统，使得自行车的使用性能遭到破坏。下面是基于有限元法的具体分析过程。

3.1网格的划分

利用Pro/E建立模型，并导入到hypermesh内进行网格划分。在网格划分之前，对模型进行了预处理。首先进行2D网格的划分，利用修改后的几何模型进行面网格的划分。对于重点分析的部分进行了加密的处理，利用划分好的2D网格生成3D网格，最终网格图如图7所示。

图7 网格划分模型图

a.外壳模型。外壳模型对重点分析部位进行了加密处理以提高精确度，最小网格尺寸为1mm，最终网格数量12 041。

b.锁壳模型。该部分存在重点分析区域，故对于铆钉接触区域进行了washer处理，以提高网格的精确度，最小网格尺寸为2mm，网格数为6 230。

c.铆钉模型。该部分为重点分析零件，故对该部分进行了整体网格加密，最小网格尺寸为1mm，网格数为3 371。

d.垫片模型。最小网格尺寸为2mm，网格数为2 014。

3.2属性的添加

铆钉的直径选择为8mm，材料选择不锈钢0Cr18Ni9(新牌号06Cr19Ni10)，查阅相关资料，其杨氏弹性模量E=197GPa，泊松比μ=0.27，抗拉强度Rm=520MPa；抱闸外壳的材料为Q235，其杨氏弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.3，抗拉强度Rm=370～500MPa。

在ABAQUS中选择property模块，设置材料参数，并将材料属性添加到零件上，完成材料属性的创建和材料的赋予。

3.3零件的装配

在ABAQUS中选择assembly模块，利用零件间的装配关系及软件中的约束条件来完成最终的装配。最终装配结果如图8所示。

3.4零件的相互关系

在模型间建立相互关系以完成力的传递，锁壳与垫片之间、垫片与外壳之间的关系为tie约束；铆钉与锁壳之间、铆钉和外壳之间的关系为硬接触。

图8 零件装配图

3.5位移约束

实际应用中，正确的约束关系为外壳被固定，锁壳和垫片被铆钉约束在外壳上。

3.6力的加载

从花馍的制作工艺及流程来看，花馍制作需要复杂的工序，长期以来，闻喜花馍都是由当地妇女亲手一个一个捏出来的，各种捏形都没有教材可以参照，每逢有人家中办事，都是全村妇女集体到一家来蒸馍，这样主要由人来操作造成花馍的规模化生产很有难度，机器花生产有难度，而要想获得经济利益，必须要扩大生产规模，闻喜花馍的制作非常讲究。这就面临了一个特别实际的问题，在这个过程中如何处理好花馍的生产数量和口感质量的关系，这个也是在确定市场定位时，需要考虑的，是侧重花馍的食用性还是它的观赏性，这个是急需解决的问题。

由于本次校核的目的为预测铆钉在何时会达到屈服条件，故采用试取法，分别在边缘加载5MPa、10MPa、12MPa、20MPa、25MPa，再利用插值法得到最终的屈服极限。力的加载方向竖直向下，结果如图9所示。

图9 力的加载示意图

接下来设立一个分析步，选择默认值，进行计算。

3.7结果分析

3.7.1铆钉强度结果分析

通过上述建模、划分网格及力的加载，最终的计算结果如图10所示。

图10 铆钉应力分布云图

不锈钢材料具有较强的抗压能力，但抗拉能力较弱，因此在分析中采取第一强度理论即最大拉应力理论，当材料达到屈服强度后，默认材料发生疲劳破坏。5个压力值情况下的最大mise应力绘制曲线如图11所示。

采用线性插值方法，获得最大应力值为抗拉强度极大值520MPa时，锁体上承受的载荷为23.9MPa。

3.7.2外壳强度结果分析

图11 铆钉压力-最大应力值曲线图

图12 抱闸外壳应力分布云图

根据上述结果绘制的压力-最大应力值曲线如图13所示。

通过线性插值法可得知，当压力值在15.8MPa时会在局部开始发生断裂。

3.7.3比较分析

通过上面的计算和分析可知，当外载荷为15.8MPa时，抱闸外壳即发生局部断裂，而此时自行车锁锁体与抱闸外壳连接的铆钉还未破坏。因此，如果偷车者采取用榔头等工具强行将锁体破坏的手段偷取自行车时，一方面必然会造成抱闸系统的破坏，自行车的使用性就无法得到保证；另一方面，会产生大量的噪声，引起别人的注意,从而能从根源上大大提高自行车的防盗性能。

图13 抱闸外壳压力-最大应力值曲线图

4 结束语

根据自行车抱闸系统设计的结构锁，该车锁结构简单合理，成本低廉，不影响原有抱闸功能，不对原有结构、外观做较大改变，占用空间小。其最大的优点是锁芯在抱闸内部，很难被剪断。通过有限元法校核其强度，由结果可知，若强行破坏锁具，则整个抱闸系统就会遭到破坏，抱闸将产生变形卡死摩擦轮，自行车很难正常使用，能大大提高自行车防盗能力，具有广阔的市场前景。同时，由于机构简单实用，可短期实现批量化生产。

[1] 王婧．盗窃自行车犯罪特点及预防对策[J]．西安社会科学，2011(2)：45-46.

[2] 李佳莉，陈彦彰，张舒予，等．佛山市城区自行车被盗的调查分析——如何选择自行车防盗锁[J]．网络科技时代，2003(10)：28-30.

[3] 夏进军，李洋．卡扣辐条盘式自行车锁的设计[J]．机械设计，2013(1)：110-112.

[4] 楚雄．装有特殊报警装置的自行车车锁[J]．中国自行车，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

曹伟(1992—)，男，江苏南京人，南京师范大学本科生，主要研究方向为机械工程及自动化。

TB472

A

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