一種智能電子鎖的離合裝置設計

廖海強

（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，電子鎖逐漸走入了大眾的視野[1]。電子智能鎖擺脫傳統開鎖方式，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記錄好錄入的數據，當有感應到外界有數據輸入時，程序會自動比對，如果比對正確則向智能鎖里的電機發送指令，開啟智能鎖。相比于傳統機械鎖具，智能電子鎖更加地安全和便捷[2]。

智能電子鎖的系統一般是由智能監控器和機械鎖具組成，智能監控器供給電子鎖具所需的電源并接收其發送的報警信息和狀態信息。機械鎖具則作為開鎖動作的具體執行單元[2]。在現有的智能電子鎖機械組成中，傳動裝置(電動離合裝置)大都是通過電機和傳動機構來實現的，為了將電機的轉動動作轉換成開鎖和解鎖的左右運動的動作，需要復雜的傳動機構來實現，并且，對于電機的正反轉的時間需要精確控制，不然容易造成傳動機構的損壞；由于很難對電機的正反轉時間進行精確的控制，所以如果采用螺桿傳動的話很容易就會傳動過位而形成空轉[3]。現有大部分智能電子鎖鎖芯的傳動裝置的使用壽命都受到了一定影響，對智能電子鎖的廣泛普及使用帶來了巨大地負面影響。

本文在對現有電子鎖裝置研究的基礎上，對離合裝置的機械結構進行了優化設計，采用螺桿傳動方式，加入了回位彈簧，有效提高電動離合裝置的穩定性和使用壽命。

1 現有解決方案的技術分析

為了解決上述由于控制精度不足造成的螺桿傳動過位導致形成空轉的問題，使得智能電子鎖的電機和傳動機構可以精密配合，除了不斷提高電機的控制精度，還可以通過優化電子鎖鎖芯離合裝置的機械傳動結構，從結構上實現本質安全型產品。現有技術中也出現了一些能夠解決上述問題的雙彈簧式電子鎖，如文獻[3]中采用的技術方案為：正反轉電機固定在電機外殼的安裝容腔內；轉牙軸的一端與正反轉電機的輸出軸固定連接實現連動，如圖1所示；轉牙套筒的外徑小于電機外殼的伸出口直徑，轉牙套筒通過通孔套設在轉牙軸上使得轉牙軸上的螺紋一和轉牙套筒內的螺紋二相互嚙合；內轉牙彈簧套在轉牙軸上，并且內轉牙彈簧的兩端位于正反轉電機和轉牙套筒之間；外轉牙彈簧套在轉牙套筒上，并且外轉牙彈簧的兩端位于轉牙套筒和電機外殼的內壁之間；通過內轉牙彈簧壓縮后反作用在轉牙套筒上，使轉牙套筒的螺紋二和轉牙軸上的螺紋一反向嚙合，一旦電機反轉，轉牙套筒馬上螺紋傳動向外伸出而不會形成空轉，同理，當鎖合時，通過外轉牙彈簧壓縮后反作用在轉牙套筒上，使轉牙套筒的螺紋二和轉牙軸上的螺紋一反向嚙合，一旦電機反轉，轉牙套筒馬上螺紋傳動向內伸進而不會形成空轉。

圖1 某種鎖傳動裝置分解結構立體示意圖

該技術方案雖然通過增加兩個彈簧就解決了傳統螺桿和螺套容易形成空轉的難題，使得電子鎖不需要過于精確控制電機正反轉的時間，但其存在一些技術問題。

（1）由于螺紋之間始終保持反向嚙合，不管電機正轉或反轉，轉牙軸始終帶動轉牙套筒一起轉動；但當轉牙套筒與鎖內其他機構出現機械卡死時，便會導致螺紋之間出現相對空轉滑絲等問題，嚴重時還會導致該傳動裝置損壞失效。

（2）該轉牙套筒的內端面向外延伸有環形凸緣，外轉牙彈簧套在轉牙套筒上，并且外轉牙彈簧的兩端位于該環形凸緣和電機外殼的伸出口的內端面之間；該結構的加工工藝較為復雜，且轉牙套筒的內端面向外延伸有環形凸緣，導致轉牙套筒的尺寸變大，無法滿足小型鎖具的要求。

（3）對于本領域的技術人員來說，該傳動裝置結構復雜，特別是電機外殼由上殼體和下殼體相扣連接而成，該傳動裝置無法廣泛應用于所有鎖具中，特別是無法應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、結構化設計不足等問題，對電子鎖的機械結構進行了重新設計調整，設計了新型的電子鎖芯的電動離合裝置。

2 智能電子鎖離合裝置

通過對現有技術方案的比較研究，本文所述智能電子鎖離合裝置將使用螺桿傳動，能夠有效簡化鎖具機械結構，避免空轉，延長鎖具的使用壽命。

2.1 整體結構設計

為方便整體鎖具的布局，離合裝置采用套筒型設計，如圖2所示，包括外轉軸與外轉鍵、蝸桿、電機、回位彈簧等部件。

圖2 離合裝置結構示意圖

電子鎖芯的電動離合裝置，包括設置在外轉軸上的外轉鍵和傳動電機，外轉鍵內設置有傳動腔，傳動電機的輸出軸連接有伸入傳動腔內的蝸桿，蝸桿上套裝有能夠與其螺紋連接的螺帽，蝸桿能夠帶動所述螺帽相對于外轉鍵軸向移動；蝸桿上還套裝有分別位于螺帽兩側的第一回位彈簧和第二回位彈簧，在傳動電機帶動所述蝸桿正轉或反轉時螺帽壓縮第一回位彈簧，第一回位彈簧推動外轉鍵沿螺桿的旋轉軸向外側移動；在傳動電機帶動蝸桿反轉或正轉時螺帽壓縮第二回位彈簧，所述第二回位彈簧推動所述外轉鍵沿螺桿的旋轉軸向內側移動。

2.2 優化細節設計

2.2.1 傳動電機

該裝置的傳動電機選擇DCU10017系列有刷空心杯電機，空心杯電動機屬于直流永磁的伺服控制電動機，響應離合極快，也可以將其歸類為微特電機[5]。空心杯電動機具有突出的節能特性、靈敏方便的控制特性和穩定的運行特性，技術先進性十分明顯。作為高效率的能量轉換裝置，在很多領域代表了電動機的發展方向。空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，采用的是無鐵心轉子，也叫空心杯型轉子。這種新穎的轉子結構徹底消除了由于鐵心形成渦流而造成的電能損耗。同時其重量和轉動慣量大幅降低，從而減少了轉子自身的機械能損耗。由于轉子的結構變化而使電動機的運轉特性得到了極大改善，不但具有突出的節能特點，更為重要的是具備了鐵心電動機所無法達到的控制和拖動特性。能夠滿足鎖具要求的精密、安全、耐用等特性[5]。而且傳動電機可與現有技術中電子鎖芯的指紋識別器、NFC識別器、密碼識別器等電子鎖的驅動電路連接。可以根據實際情況，滿足各類定制化開鎖方案的需要。

2.2.2 傳動部件

外轉軸上設置有位于傳動電機后端的防鉆銷。能夠防止電子鎖的外置識別器被破壞后，不法分子對電動離合裝置進行鉆破，有效提高電子鎖芯的安全性[6]。

如圖3所示，在傳動腔內，設置有定位槽，螺帽的外側外凸形成與定位槽相適應的定位部，在螺帽沿螺桿的旋轉軸軸向移動時定位部沿定位槽滑動，螺帽的運動自由度將被嚴格地限制在傳動腔的定位槽內，定位部與定位槽的配合使得螺帽只能沿所述螺桿的旋轉軸軸向移動，而不能發生周向轉動，對螺帽起到限位作用。防止螺桿發生打滑和空轉等現象。

圖3 外轉軸結構示意圖

圖4 外轉鍵結構示意圖

2.2.3 回位彈簧

第一回位彈簧的一端與傳動腔的腔底相抵，另一端抵在螺帽上；傳動腔的腔口設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。外轉鍵結構如圖4所示。外轉鍵內設置有傳動腔，傳動電機的輸出軸連接有伸入傳動腔內的蝸桿，蝸桿上套裝有能夠與其螺紋連接的螺帽，蝸桿能夠帶動螺帽相對于外轉鍵軸向移動；蝸桿上還套裝有分別位于螺帽兩側的第一回位彈簧和第二回位彈簧，在傳動電機帶動蝸桿正轉或反轉時螺帽壓縮第一回位彈簧，第一回位彈簧推動外轉鍵沿螺桿的旋轉軸向外側移動；在傳動電機帶動蝸桿反轉或正轉時螺帽壓縮第二回位彈簧，第二回位彈簧推動外轉鍵沿螺桿的旋轉軸向內側移動。第一回位彈簧和第二回位彈簧均設置在外轉鍵內，能夠降低產品空間要求，大大縮小產品尺寸，使得該電動離合裝置更加小巧，便于與各種裝配在各種電子鎖中進行應用。第一回位彈簧的一端與傳動腔的腔底相抵，另一端抵在螺帽上；蝸桿上設置有與螺帽螺紋連接的螺紋部，當螺帽位于螺紋部的外側時，第一回位彈簧被壓縮的行程大于螺帽移動的行程，此時第一回位彈簧能夠推動螺帽的一側與蝸桿保持嚙合。傳動腔的腔口設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；當螺帽位于螺紋部的內側時，第二回位彈簧被壓縮的行程大于螺帽移動的行程，此時第二回位彈簧能夠推動螺帽的另一側與蝸桿保持嚙合。

在智能鎖離合裝置的工作過程中，傳動電機帶動螺帽在螺桿內軸向移動，使其能夠借助第一回位彈簧或第二回位彈簧的彈性推動外轉鍵與內轉鍵發生接合聯動或分離，結構簡單。第一回位彈簧或第二回位彈簧能夠在外轉鍵與內轉鍵出現機械卡死時，起到緩沖作用，防止螺帽與螺桿之間出現相對空轉滑絲等問題，設計巧妙，有效提高電動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，提高工作的穩定性。離合裝置側面剖視圖如圖5所示。

圖5 離合裝置側面剖視圖

3 結束語

本文在分析現有電子鎖傳動裝置不足之處的基礎上，改進了電子鎖離合裝置的機械結構，可應用于現有技術中多種電子鎖內，加入的第一回位彈簧或第二回位彈簧能夠在外轉鍵與內轉鍵出現機械卡死時，起到緩沖作用，防止螺帽與螺桿之間出現相對空轉滑絲等問題，設計巧妙，有效提高電動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，提高電動離合裝置的穩定性。