一种基于地心无簧空转杠杆原理的新型锁芯设计

李朋林， 王 猛

(1.中国刑事警察学院痕迹检验技术系， 辽宁沈阳 110035； 2.丹东市公安局振兴分局， 辽宁丹东 118000； 3.痕迹检验鉴定技术公安部重点实验室， 辽宁沈阳 110035)

0 引言

随着几千年的发展，锁具已经演变成种类繁多、结构精密的产品，如弹子锁[1]、叶片锁等。如今，锁具与我们的生活息息相关，保护着公民的人身及财产安全。锁具按其基本结构原理可以分为机械锁和电子锁两大类。这两类锁在民用锁具的使用中占有很大的比例，也都有各自的普遍优缺点[2]。机械锁的密码等级因受到制锁原理限制，其密码等级要低于电子锁。但是，机械锁的开闭锁过程只与其结构和制造工艺有关，即使有对应的开锁工具[3,4]，其技术开启的难易程度也通常受到工具使用者操作技术的制约。电子锁密码等级是靠程序编排的，可以通过对密码位数的限制来控制密码等级，因此密码等级较高。但是，由于电子产品容易被相应设备干扰和攻击，对其进行技术开锁只需要使用相关设备产品。中低端的电子锁的技术开锁对操作人员的技术要求不高，只要简单操作设备即可。综上所述，目前民用锁具的安全性能普遍不高[5]。因此，设计一种安全性能较高的锁具对保护公民人身及财产安全意义重大[6]。

鉴于此，本研究设计了一种地心无簧空转杠杆锁芯及其锁止技术，用全新的机械设计原理和密码零件结构，突破了传统机械锁的密码等级极限，将密码等级达到亿甚至千亿，并针对以往的技术开锁和暴力破锁方式有了突破性设计，能有效防止技术开锁、降低暴力破锁的成功率[7]。

1 地心无簧空转杠杆锁芯的设计构造

地心无簧空转杠杆锁芯的结构拆分如图1所示，其锁芯的结构剖面如图2所示。地心无簧空转杠杆锁芯上设有左锁体1，左锁体1上设有轴杠杆轨道2，左锁体1内还设有锁芯凸起轨道3，左锁体1底部设有防暴槽4，左锁体1的中心靠上部设有轴杠杆通道5，轴杠杆通道5的一侧设有假轴杠杆通道6，左锁体1上设有锁体固定杆槽8，左锁体1配合设有右锁体7，右锁体7上设有轴杠杆轨道2，右锁体7内还设有锁芯凸起轨道3，右锁体底部设有防暴槽4，右锁体7的中心靠上部设有轴杠杆通道5，轴杠杆通道5的一侧设有假轴杠杆通道6，右锁体7上设有锁体固定杆槽8，锁体固定杆槽8内配合设有锁体固定杆9，左锁体1和右锁体7之内设有外锁芯下组件10，外锁芯下组件10上设有外锁芯内壁凹槽11，外锁芯下组件10上设有外锁芯固定杆槽13，外锁芯下组件10上配合设有外锁芯上组件12，外锁芯上组件12上设有外锁芯内壁凹槽11，外锁芯上组件12上设有外锁芯固定杆槽13，外锁芯固定杆槽13内配合设有外锁芯固定杆14，外锁芯上组件12的中心靠上处设有外锁芯轴杆15，外锁芯上组件的中心靠上处设有外锁芯轴杆槽16，外锁芯轴杆15与外锁芯轴杆槽16处配合设有轴杠杆17，轴杠杆17中外锁芯轴杆15所占的空间范围为外锁芯轴杆轨道18，外锁芯上组件12内配合设有内锁芯前挡板19，内锁芯前挡板19设有内锁芯凸起22，内锁芯前挡板19轴向设有钥匙轨道20，内锁芯前挡板19之后设有内锁芯21，内锁芯21设有内锁芯凸起22，内锁芯21轴向设有钥匙轨道20，内锁芯21轴向设有钥匙轨道20，内锁芯21后侧连接设有锁舌拨动件23，锁舌拨动件23前部设有识别器24，地心无簧空转杠杆锁芯还设有钥匙25，钥匙25上设有钥匙齿26，钥匙25前端部设有识别孔27，左右锁体基本结构一致。

图1 地心无簧空转杠杆锁芯结构拆分图

图2 地心无簧空转杠杆锁芯结构剖面图

整个锁体外观如图3所示。

图3 地心无簧空转杠杆锁芯整体外观图

1.2 部件功能

轴杠杆轨道(如图1中部件2所示)是轴杠杆进行旋转时占用的空间轨道，从前至后分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六轴杠杆轨道。在未达成密码进行内推锁芯前，该锁芯的5个轴杠杆只占用前5个轴杠杆轨道，达成密码内推后，轴杠杆随同锁芯一起向后移动一个轨道单元，此时占用的是后5个轨道。

锁芯外凸起轨道(如图1中部件3所示)配合锁芯外凸起平衡轨道运动。

防暴槽(如图1中部件4所示)是防止通过外力进行暴力破锁破坏锁内机械零件的沟槽结构。当锁体或锁芯受到电钻钻打等暴力破锁时，锁体和锁芯中被破坏的零件碎块会掉落到槽内。从而在锁芯与锁体之间起到抱死锁芯并防止其轴向运动的作用，从而使暴力破锁不能仅凭一次破坏完成开锁。

轴杠杆通道(如图2中部件5所示)从前至后分别为第一、第二、第三、第四、第五轴杠杆通道。当钥匙插入锁芯并旋转，达成轴杠杆密码对应的角度时，轴杠杆会与此轴杠杆通道达成一致角度并与之平行，从而使锁芯内推后能让轴杠杆通过其通道而不受锁体阻拦。

假轴杠杆通道(如图2中部件6所示)是一个带有某角度的缺槽，并不是完全穿透锁体挡板的通道。该缺槽角度与轴柱杆通道角度不同，作用是防止在用工具内推锁芯施加应力时，用某种工具伸进钥匙轨道，在轴杠杆轨道内推动轴杠杆使其旋转，并通过应力变化找到轴杠杆通道位置从而实现技术开锁的目的。在面对技术开锁时能起到与轴杠杆通道混淆的作用。

锁体固定杆(如图1中部件9所示)可以是螺丝结构、榫卯结构金属杆、焊接等方式对左右锁体固定的连接杆。

外锁芯下组件(如图1中部件10所示)其每个与内锁芯对应位置的部位都有与内锁芯凸起对应的槽位，起到配合外锁芯上组件固定内锁芯的作用。

外锁芯凹槽(如图1中部件11所示)与内锁芯凸起位置对应。

外锁芯上组件(如图1中部件12所示)从前至后分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六外锁芯上组件。其内部有与内锁芯凸起相匹配的凹槽，能使内锁芯在外锁芯内进行空转，同时起到固定内锁芯与外锁芯相对位置的作用。

外锁芯固定杆(如图1中部件14所示)是螺丝结构、榫卯结构金属杆、焊接等方式对上下外锁芯组件固定的连接杆。

外锁芯轴杆(如图1中部件15所示)是轴杠杆进行转动和运动的转动轴。

外锁芯轴杆槽(如图1中部件16所示)起到固定外锁芯轴杆以及拼接相邻外锁芯上组件的作用。外锁芯轴杆垫状凸起(位于外锁芯轴杆槽孔周围)，能起到限制轴杠杆前后移动的距离，保证轴杠杆移动误差减小到可控范围的作用。并且可以在外力强推锁芯时，给轴杠杆一个轴向阻力，防止轴杠杆偏移量过大而扭断轴杆，起到保护外锁芯轴杆的作用。

轴杠杆(如图1中部件17所示)与钥匙齿长度之间有对应的旋转角度关系。钥匙齿越长，钥匙旋转同样角度(在可达成密码角度范围内)轴杠杆旋转角度越大，从而达成特定的密码组合，是达成密码的特定组件，同时也起到在未达成密码状态下阻拦锁芯内推的作用。轴杠杆以轴杆轨道为界上短下长，能在重力作用下自然下垂到竖直状态以达到乱码闭锁。其楞边可以做切角处理，使其通过轴杠杆通道时更加顺畅。

外锁芯轴杆轨道(如图1中部件18所示)使轴杠杆能在外锁芯轴杆上完成转动，为增加其转动性可以将此结构配合轴承使用。

内锁芯前挡板(如图1中部件19所示)独立于内锁芯，其凸起与内锁芯第一凸起共处于一个槽内。内锁芯的旋转不影响其旋转，可为完成解锁后外拉锁芯提供应力。其自身也能独立空转，从而使技术开锁扭动杆无法借力，同时也能起到保护锁芯的作用。

钥匙(齿)轨道(如图1中部件20所示)同内锁芯钥匙轨道，供钥匙插入和拔出以及在内锁芯中旋转的空间。

内锁芯(如图1中部件21所示)在钥匙旋转带动下旋转，从而带动其后的锁舌拨动件(与内锁芯一体设计，为方便结构展示拆分为两部分)进行旋转，完成解锁后锁舌拨动件外推并从锁体后方露出，从而伸进锁舌转动装置完成最后的解锁。

内锁芯凸起(如图1中部件22所示)使内锁芯与外锁芯之间的相对位置固定。

锁舌拨动件(如图1中部件23所示)在未达成密码内推前，可以与内锁芯一起空转，但由于其此时处在锁体内部，其转动并不能影响锁舌转动装置，不能完成最终解锁。在达成密码内推后，锁舌拨动件从锁体后方露出，此时锁舌拨动件伸入锁舌转动装置影响其装置旋转，从而完成最终解锁。

识别器(如图1中部件24所示)具有自己的形状和角度，并且与钥匙前端的识别孔相对应。每把钥匙与锁具识别器匹配的形状和角度概不相同，当不匹配的钥匙插入后，识别器不能进入钥匙前端的识别孔，造成钥匙无法插入到底，进而无法对最内部的第五轴杠杆施加外力，因此不能完成解锁。同时此识别器的长度与第五轴杠杆轨道的轴向距离相等，能阻止技术开锁工具伸入到第五轴杠杆轨道对第五轴杠杆进行操作，从而防止技术开锁。

钥匙齿(如图1中部件26所示)的每一个钥匙齿尖端楞边都有切角，以使得钥匙齿与轴杠杆之间的机械运动更为顺畅。

识别孔(如图2中部件27所示)与锁舌拨动件上的识别器相匹配。

2 地心无簧空转杠杆锁芯的锁止原理

地心无簧空转杠杆锁芯可适用于保险箱、保险柜、防盗门等防盗产品。因其制作精度要求偏高，仅适用于对安全性要求较高的防盗设备中。该锁芯利用轴杠杆完成锁止，而非沿用以前的叶片、弹子等锁止技术，完全脱离弹簧结构，无自身应力，因此使技术开锁不能根据其自身簧力借力判断。轴杠杆依靠重力使其达到闭锁乱码，且仅利用配对钥匙施加的外力完成解锁。锁芯的复进是依靠人为施加的外力，而非锁舌拨动件位置弹簧的弹力，且锁芯能在任何状态下完成360°空转，有效防止技术开锁。左右锁体内侧底部位置设有防暴槽，当锁芯零部件受到暴力破坏而发生断裂时，其零件碎块会掉入槽中并间接起到阻止锁芯复进的作用，同时实现防止技术开锁和暴力破锁这两种开锁方式。并将传统锁具的密码以高度界定的方式，变为以高度影响旋转角度，最终以旋转角度为界定密码的方式。由于该锁芯将二维密码机构扩展到多维密码机构，故该锁芯密码等级量巨大，如本文附图展示的五轴杠杆锁为例，其密码数量就达到千万种，六轴杠杆锁密码数量可过亿。在工艺精度足够的情况下，可以避免类似于弹子锁匙齿受工业技术制约而减少排列种数的情况，从而在地心无簧空转锁芯本身密码种数量巨大的情况下，提高密码利用率。

2.1 闭锁原理

如图4所示，在闭锁状态下，地心无簧空转锁芯的轴杠杆在自身重力的影响下都处于竖直向下的状态以达到闭锁乱码。内锁芯可以在外锁芯的束缚下完成空转，而锁舌拨动件处于锁体内部，对锁舌转动装置不会产生影响。此时轴杠杆与轴杠杆通道没有处于同一位置的平行状态，因此内推锁芯时，轴杠杆会受到锁体挡板的阻碍，在锁芯和锁体中间起到束缚作用，限制两者的相对运动。

图4 地心无簧空转杠杆锁芯闭锁状态

2.2 开锁原理

如图5所示，在开锁状态下，其轴杠杆在钥匙的旋转带动下旋转到相应位置，此时轴杠杆与轴杠杆通道处于同一位置的平行状态。因此，内推锁芯时，轴杠杆会通过锁体挡板上的轴杠杆通道。当每个轴杠杆都后移到下一位的轴杠杆轨道位置时，锁芯即在锁体中前进一个轨道单元的距离，使得锁舌拨动件在锁芯的带动下向外推出锁芯，伸入锁舌转动装置，带动锁舌完成解锁。

图5 地心无簧空转杠杆锁芯开锁状态

2.3 锁具操作

将钥匙插入至最深处，顺时针旋转钥匙135°(钥匙杆与第一外锁芯上组件前侧都有对应刻度线，将刻度线旋转至对齐即可，为不与锁具的结构混淆，故图中未标出刻度线)，使轴杠杆旋转对应角度，与其后侧锁体挡板上轴杠杆通道角度对应。内推钥匙，带动锁芯以及锁舌拨动件向后移动，锁舌拨动件被推出锁体后方而伸入锁舌转动装置。接着旋转钥匙(顺时针开锁，逆时针闭锁)，完成最终开锁(闭锁)。此后顺时针旋转钥匙至与刻度线对齐，外拉锁芯。此时内锁芯前挡板的钥匙齿轨道与内锁芯钥匙齿轨道不相同，因此，外拉时会给予应力使锁芯被拉回到原来位置，再次旋转钥匙至内锁芯与其前挡板钥匙齿轨道重合，此时方可拔出钥匙。

3 地心无簧空转杠杆锁芯的安全性能

3.1 密码等级

本文图中所示的均为五轴杠杆的地心无簧空转杠杆锁芯。根据其密码组合计算方式计算，每一个轴杠杆的有效旋转角度区间为18°～46°(可通过改变零件尺寸而扩大旋转角度区间范围)，仅旋转1.5°的差量就可使轴杠杆无法通过其后侧的轴杠杆通道，为排除误差取2°为密码差量，则在有效区间内每一个轴杠杆有至少14种密码。该锁芯有5个轴杠杆，故密码种数为145种。识别器的有效角度区间为0°到90 °，仅旋转1.5°的差量就可使钥匙无法完全插入，为排除误差取2°为密码差量，则在有效区间内至少有45种密码。故五轴杠杆的地心无簧空转杠杆锁芯的密码总数为45×145种(约2420万种)。5轴杠杆锁的锁体长度为33.5 mm。在市面上常见的民用锁芯中，中心叶片边柱锁，其锁芯一侧长度最长为52.5 mm，与其长度对应的8轴杠杆锁密码等级为45×148种(约664亿种)。而偏心叶片边柱锁，其锁芯一侧长度最长为87.5 mm，与其长度对应的15轴杠杆锁密码等级为45×1415种(约700亿亿种)，远超目前千万等级密码的锁具[8,9]。地心无簧空转杠杆锁芯的密码总数巨大，因此可以相应减少密码总数增加零件尺寸，提升其抗破坏性能。该结构设计，可制成单向杠杆锁(即附图所示仅上侧有轴杠杆的杠杆锁)、以及上下均有轴杠杆的双向杠杆锁(即上、下侧均有轴杠杆的杠杆锁，类似于保险柜双向叶片锁)这两种复合结构。

3.2 安全性能

(1)防暴槽设计：当零件受外力破坏掉落时，其碎块会落入防暴槽，再次阻止锁芯与锁体的相对位移，甚至完全抱死锁芯，可防止暴力破锁方式的开锁。

(2)假轴杠杆通道设计：在技术开锁时起到与轴杠杆通道混淆的作用。

(3)识别器设计：该结构能对钥匙进行识别，可防止由工业误差造成的相似钥匙互开的情况发生，同时亦可阻拦勾状物体伸入第五轴杠杆轨道，使技术开锁手段不能对第五轴杠杆造成影响，因此可防止技术开锁。

(4)整体无簧设计：使技术开锁无法借力，无法依靠弹力进行技术开锁。

(5)锁芯空转设计：使技术开锁无法借力，使电钻等破坏设备无法对其造成实质性破坏。

4 结论

本研究提出了一种基于地心无簧空转杠杆原理的锁芯设计，该锁芯由内锁芯组件、外锁芯组件、轴杠杆等主要部件构成。本研究深入讨论了该锁芯的开锁及闭锁原理，并细致分析了该锁芯的安全性能。本研究提出的基于地心无簧空转杠杆原理的锁芯具有以下诸多优势：(1)密码种数极大，密码利用率高，且互开率极低；(2)采取往复式推拉开锁方式，采用多维密码结构；(3)使用的内外锁芯空转设计、无簧设计、假轴杠杆通道设计、识别器设计，均可防止技术开锁；(4)防暴槽设计，可防范、拖延暴力破锁。

综上，本文所述的地心无簧空转杠杆锁芯，解决了目前民用锁具安全性能较低的现状。并提出了全新的锁止技术及结构原理，为锁具的发展提供了方向，也为锁具在保护公民人身财产安全方面提供了广阔的应用前景。