李朋林， 王 猛

(1.中國刑事警察學(xué)院痕跡檢驗技術(shù)系， 遼寧沈陽 110035； 2.丹東市公安局振興分局， 遼寧丹東 118000； 3.痕跡檢驗鑒定技術(shù)公安部重點實驗室， 遼寧沈陽 110035)

0 引言

隨著幾千年的發(fā)展，鎖具已經(jīng)演變成種類繁多、結(jié)構(gòu)精密的產(chǎn)品，如彈子鎖[1]、葉片鎖等。如今，鎖具與我們的生活息息相關(guān)，保護著公民的人身及財產(chǎn)安全。鎖具按其基本結(jié)構(gòu)原理可以分為機械鎖和電子鎖兩大類。這兩類鎖在民用鎖具的使用中占有很大的比例，也都有各自的普遍優(yōu)缺點[2]。機械鎖的密碼等級因受到制鎖原理限制，其密碼等級要低于電子鎖。但是，機械鎖的開閉鎖過程只與其結(jié)構(gòu)和制造工藝有關(guān)，即使有對應(yīng)的開鎖工具[3,4]，其技術(shù)開啟的難易程度也通常受到工具使用者操作技術(shù)的制約。電子鎖密碼等級是靠程序編排的，可以通過對密碼位數(shù)的限制來控制密碼等級，因此密碼等級較高。但是，由于電子產(chǎn)品容易被相應(yīng)設(shè)備干擾和攻擊，對其進行技術(shù)開鎖只需要使用相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品。中低端的電子鎖的技術(shù)開鎖對操作人員的技術(shù)要求不高，只要簡單操作設(shè)備即可。綜上所述，目前民用鎖具的安全性能普遍不高[5]。因此，設(shè)計一種安全性能較高的鎖具對保護公民人身及財產(chǎn)安全意義重大[6]。

鑒于此，本研究設(shè)計了一種地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯及其鎖止技術(shù)，用全新的機械設(shè)計原理和密碼零件結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)機械鎖的密碼等級極限，將密碼等級達(dá)到億甚至千億，并針對以往的技術(shù)開鎖和暴力破鎖方式有了突破性設(shè)計，能有效防止技術(shù)開鎖、降低暴力破鎖的成功率[7]。

1 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的設(shè)計構(gòu)造

地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的結(jié)構(gòu)拆分如圖1所示，其鎖芯的結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯上設(shè)有左鎖體1，左鎖體1上設(shè)有軸杠桿軌道2，左鎖體1內(nèi)還設(shè)有鎖芯凸起軌道3，左鎖體1底部設(shè)有防暴槽4，左鎖體1的中心靠上部設(shè)有軸杠桿通道5，軸杠桿通道5的一側(cè)設(shè)有假軸杠桿通道6，左鎖體1上設(shè)有鎖體固定桿槽8，左鎖體1配合設(shè)有右鎖體7，右鎖體7上設(shè)有軸杠桿軌道2，右鎖體7內(nèi)還設(shè)有鎖芯凸起軌道3，右鎖體底部設(shè)有防暴槽4，右鎖體7的中心靠上部設(shè)有軸杠桿通道5，軸杠桿通道5的一側(cè)設(shè)有假軸杠桿通道6，右鎖體7上設(shè)有鎖體固定桿槽8，鎖體固定桿槽8內(nèi)配合設(shè)有鎖體固定桿9，左鎖體1和右鎖體7之內(nèi)設(shè)有外鎖芯下組件10，外鎖芯下組件10上設(shè)有外鎖芯內(nèi)壁凹槽11，外鎖芯下組件10上設(shè)有外鎖芯固定桿槽13，外鎖芯下組件10上配合設(shè)有外鎖芯上組件12，外鎖芯上組件12上設(shè)有外鎖芯內(nèi)壁凹槽11，外鎖芯上組件12上設(shè)有外鎖芯固定桿槽13，外鎖芯固定桿槽13內(nèi)配合設(shè)有外鎖芯固定桿14，外鎖芯上組件12的中心靠上處設(shè)有外鎖芯軸桿15，外鎖芯上組件的中心靠上處設(shè)有外鎖芯軸桿槽16，外鎖芯軸桿15與外鎖芯軸桿槽16處配合設(shè)有軸杠桿17，軸杠桿17中外鎖芯軸桿15所占的空間范圍為外鎖芯軸桿軌道18，外鎖芯上組件12內(nèi)配合設(shè)有內(nèi)鎖芯前擋板19，內(nèi)鎖芯前擋板19設(shè)有內(nèi)鎖芯凸起22，內(nèi)鎖芯前擋板19軸向設(shè)有鑰匙軌道20，內(nèi)鎖芯前擋板19之后設(shè)有內(nèi)鎖芯21，內(nèi)鎖芯21設(shè)有內(nèi)鎖芯凸起22，內(nèi)鎖芯21軸向設(shè)有鑰匙軌道20，內(nèi)鎖芯21軸向設(shè)有鑰匙軌道20，內(nèi)鎖芯21后側(cè)連接設(shè)有鎖舌撥動件23，鎖舌撥動件23前部設(shè)有識別器24，地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯還設(shè)有鑰匙25，鑰匙25上設(shè)有鑰匙齒26，鑰匙25前端部設(shè)有識別孔27，左右鎖體基本結(jié)構(gòu)一致。

圖1 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯結(jié)構(gòu)拆分圖

圖2 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯結(jié)構(gòu)剖面圖

整個鎖體外觀如圖3所示。

圖3 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯整體外觀圖

1.2 部件功能

軸杠桿軌道(如圖1中部件2所示)是軸杠桿進行旋轉(zhuǎn)時占用的空間軌道，從前至后分別為第一、第二、第三、第四、第五、第六軸杠桿軌道。在未達(dá)成密碼進行內(nèi)推鎖芯前，該鎖芯的5個軸杠桿只占用前5個軸杠桿軌道，達(dá)成密碼內(nèi)推后，軸杠桿隨同鎖芯一起向后移動一個軌道單元，此時占用的是后5個軌道。

鎖芯外凸起軌道(如圖1中部件3所示)配合鎖芯外凸起平衡軌道運動。

防暴槽(如圖1中部件4所示)是防止通過外力進行暴力破鎖破壞鎖內(nèi)機械零件的溝槽結(jié)構(gòu)。當(dāng)鎖體或鎖芯受到電鉆鉆打等暴力破鎖時，鎖體和鎖芯中被破壞的零件碎塊會掉落到槽內(nèi)。從而在鎖芯與鎖體之間起到抱死鎖芯并防止其軸向運動的作用，從而使暴力破鎖不能僅憑一次破壞完成開鎖。

軸杠桿通道(如圖2中部件5所示)從前至后分別為第一、第二、第三、第四、第五軸杠桿通道。當(dāng)鑰匙插入鎖芯并旋轉(zhuǎn)，達(dá)成軸杠桿密碼對應(yīng)的角度時，軸杠桿會與此軸杠桿通道達(dá)成一致角度并與之平行，從而使鎖芯內(nèi)推后能讓軸杠桿通過其通道而不受鎖體阻攔。

假軸杠桿通道(如圖2中部件6所示)是一個帶有某角度的缺槽，并不是完全穿透鎖體擋板的通道。該缺槽角度與軸柱桿通道角度不同，作用是防止在用工具內(nèi)推鎖芯施加應(yīng)力時，用某種工具伸進鑰匙軌道，在軸杠桿軌道內(nèi)推動軸杠桿使其旋轉(zhuǎn)，并通過應(yīng)力變化找到軸杠桿通道位置從而實現(xiàn)技術(shù)開鎖的目的。在面對技術(shù)開鎖時能起到與軸杠桿通道混淆的作用。

鎖體固定桿(如圖1中部件9所示)可以是螺絲結(jié)構(gòu)、榫卯結(jié)構(gòu)金屬桿、焊接等方式對左右鎖體固定的連接桿。

外鎖芯下組件(如圖1中部件10所示)其每個與內(nèi)鎖芯對應(yīng)位置的部位都有與內(nèi)鎖芯凸起對應(yīng)的槽位，起到配合外鎖芯上組件固定內(nèi)鎖芯的作用。

外鎖芯凹槽(如圖1中部件11所示)與內(nèi)鎖芯凸起位置對應(yīng)。

外鎖芯上組件(如圖1中部件12所示)從前至后分別為第一、第二、第三、第四、第五、第六外鎖芯上組件。其內(nèi)部有與內(nèi)鎖芯凸起相匹配的凹槽，能使內(nèi)鎖芯在外鎖芯內(nèi)進行空轉(zhuǎn)，同時起到固定內(nèi)鎖芯與外鎖芯相對位置的作用。

外鎖芯固定桿(如圖1中部件14所示)是螺絲結(jié)構(gòu)、榫卯結(jié)構(gòu)金屬桿、焊接等方式對上下外鎖芯組件固定的連接桿。

外鎖芯軸桿(如圖1中部件15所示)是軸杠桿進行轉(zhuǎn)動和運動的轉(zhuǎn)動軸。

外鎖芯軸桿槽(如圖1中部件16所示)起到固定外鎖芯軸桿以及拼接相鄰?fù)怄i芯上組件的作用。外鎖芯軸桿墊狀凸起(位于外鎖芯軸桿槽孔周圍)，能起到限制軸杠桿前后移動的距離，保證軸杠桿移動誤差減小到可控范圍的作用。并且可以在外力強推鎖芯時，給軸杠桿一個軸向阻力，防止軸杠桿偏移量過大而扭斷軸桿，起到保護外鎖芯軸桿的作用。

軸杠桿(如圖1中部件17所示)與鑰匙齒長度之間有對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系。鑰匙齒越長，鑰匙旋轉(zhuǎn)同樣角度(在可達(dá)成密碼角度范圍內(nèi))軸杠桿旋轉(zhuǎn)角度越大，從而達(dá)成特定的密碼組合，是達(dá)成密碼的特定組件，同時也起到在未達(dá)成密碼狀態(tài)下阻攔鎖芯內(nèi)推的作用。軸杠桿以軸桿軌道為界上短下長，能在重力作用下自然下垂到豎直狀態(tài)以達(dá)到亂碼閉鎖。其楞邊可以做切角處理，使其通過軸杠桿通道時更加順暢。

外鎖芯軸桿軌道(如圖1中部件18所示)使軸杠桿能在外鎖芯軸桿上完成轉(zhuǎn)動，為增加其轉(zhuǎn)動性可以將此結(jié)構(gòu)配合軸承使用。

內(nèi)鎖芯前擋板(如圖1中部件19所示)獨立于內(nèi)鎖芯，其凸起與內(nèi)鎖芯第一凸起共處于一個槽內(nèi)。內(nèi)鎖芯的旋轉(zhuǎn)不影響其旋轉(zhuǎn)，可為完成解鎖后外拉鎖芯提供應(yīng)力。其自身也能獨立空轉(zhuǎn)，從而使技術(shù)開鎖扭動桿無法借力，同時也能起到保護鎖芯的作用。

鑰匙(齒)軌道(如圖1中部件20所示)同內(nèi)鎖芯鑰匙軌道，供鑰匙插入和拔出以及在內(nèi)鎖芯中旋轉(zhuǎn)的空間。

內(nèi)鎖芯(如圖1中部件21所示)在鑰匙旋轉(zhuǎn)帶動下旋轉(zhuǎn)，從而帶動其后的鎖舌撥動件(與內(nèi)鎖芯一體設(shè)計，為方便結(jié)構(gòu)展示拆分為兩部分)進行旋轉(zhuǎn)，完成解鎖后鎖舌撥動件外推并從鎖體后方露出，從而伸進鎖舌轉(zhuǎn)動裝置完成最后的解鎖。

內(nèi)鎖芯凸起(如圖1中部件22所示)使內(nèi)鎖芯與外鎖芯之間的相對位置固定。

鎖舌撥動件(如圖1中部件23所示)在未達(dá)成密碼內(nèi)推前，可以與內(nèi)鎖芯一起空轉(zhuǎn)，但由于其此時處在鎖體內(nèi)部，其轉(zhuǎn)動并不能影響鎖舌轉(zhuǎn)動裝置，不能完成最終解鎖。在達(dá)成密碼內(nèi)推后，鎖舌撥動件從鎖體后方露出，此時鎖舌撥動件伸入鎖舌轉(zhuǎn)動裝置影響其裝置旋轉(zhuǎn)，從而完成最終解鎖。

識別器(如圖1中部件24所示)具有自己的形狀和角度，并且與鑰匙前端的識別孔相對應(yīng)。每把鑰匙與鎖具識別器匹配的形狀和角度概不相同，當(dāng)不匹配的鑰匙插入后，識別器不能進入鑰匙前端的識別孔，造成鑰匙無法插入到底，進而無法對最內(nèi)部的第五軸杠桿施加外力，因此不能完成解鎖。同時此識別器的長度與第五軸杠桿軌道的軸向距離相等，能阻止技術(shù)開鎖工具伸入到第五軸杠桿軌道對第五軸杠桿進行操作，從而防止技術(shù)開鎖。

鑰匙齒(如圖1中部件26所示)的每一個鑰匙齒尖端楞邊都有切角，以使得鑰匙齒與軸杠桿之間的機械運動更為順暢。

識別孔(如圖2中部件27所示)與鎖舌撥動件上的識別器相匹配。

2 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的鎖止原理

地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯可適用于保險箱、保險柜、防盜門等防盜產(chǎn)品。因其制作精度要求偏高，僅適用于對安全性要求較高的防盜設(shè)備中。該鎖芯利用軸杠桿完成鎖止，而非沿用以前的葉片、彈子等鎖止技術(shù)，完全脫離彈簧結(jié)構(gòu)，無自身應(yīng)力，因此使技術(shù)開鎖不能根據(jù)其自身簧力借力判斷。軸杠桿依靠重力使其達(dá)到閉鎖亂碼，且僅利用配對鑰匙施加的外力完成解鎖。鎖芯的復(fù)進是依靠人為施加的外力，而非鎖舌撥動件位置彈簧的彈力，且鎖芯能在任何狀態(tài)下完成360°空轉(zhuǎn)，有效防止技術(shù)開鎖。左右鎖體內(nèi)側(cè)底部位置設(shè)有防暴槽，當(dāng)鎖芯零部件受到暴力破壞而發(fā)生斷裂時，其零件碎塊會掉入槽中并間接起到阻止鎖芯復(fù)進的作用，同時實現(xiàn)防止技術(shù)開鎖和暴力破鎖這兩種開鎖方式。并將傳統(tǒng)鎖具的密碼以高度界定的方式，變?yōu)橐愿叨扔绊懶D(zhuǎn)角度，最終以旋轉(zhuǎn)角度為界定密碼的方式。由于該鎖芯將二維密碼機構(gòu)擴展到多維密碼機構(gòu)，故該鎖芯密碼等級量巨大，如本文附圖展示的五軸杠桿鎖為例，其密碼數(shù)量就達(dá)到千萬種，六軸杠桿鎖密碼數(shù)量可過億。在工藝精度足夠的情況下，可以避免類似于彈子鎖匙齒受工業(yè)技術(shù)制約而減少排列種數(shù)的情況，從而在地心無簧空轉(zhuǎn)鎖芯本身密碼種數(shù)量巨大的情況下，提高密碼利用率。

2.1 閉鎖原理

如圖4所示，在閉鎖狀態(tài)下，地心無簧空轉(zhuǎn)鎖芯的軸杠桿在自身重力的影響下都處于豎直向下的狀態(tài)以達(dá)到閉鎖亂碼。內(nèi)鎖芯可以在外鎖芯的束縛下完成空轉(zhuǎn)，而鎖舌撥動件處于鎖體內(nèi)部，對鎖舌轉(zhuǎn)動裝置不會產(chǎn)生影響。此時軸杠桿與軸杠桿通道沒有處于同一位置的平行狀態(tài)，因此內(nèi)推鎖芯時，軸杠桿會受到鎖體擋板的阻礙，在鎖芯和鎖體中間起到束縛作用，限制兩者的相對運動。

圖4 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯閉鎖狀態(tài)

2.2 開鎖原理

如圖5所示，在開鎖狀態(tài)下，其軸杠桿在鑰匙的旋轉(zhuǎn)帶動下旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，此時軸杠桿與軸杠桿通道處于同一位置的平行狀態(tài)。因此，內(nèi)推鎖芯時，軸杠桿會通過鎖體擋板上的軸杠桿通道。當(dāng)每個軸杠桿都后移到下一位的軸杠桿軌道位置時，鎖芯即在鎖體中前進一個軌道單元的距離，使得鎖舌撥動件在鎖芯的帶動下向外推出鎖芯，伸入鎖舌轉(zhuǎn)動裝置，帶動鎖舌完成解鎖。

圖5 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯開鎖狀態(tài)

2.3 鎖具操作

將鑰匙插入至最深處，順時針旋轉(zhuǎn)鑰匙135°(鑰匙桿與第一外鎖芯上組件前側(cè)都有對應(yīng)刻度線，將刻度線旋轉(zhuǎn)至對齊即可，為不與鎖具的結(jié)構(gòu)混淆，故圖中未標(biāo)出刻度線)，使軸杠桿旋轉(zhuǎn)對應(yīng)角度，與其后側(cè)鎖體擋板上軸杠桿通道角度對應(yīng)。內(nèi)推鑰匙，帶動鎖芯以及鎖舌撥動件向后移動，鎖舌撥動件被推出鎖體后方而伸入鎖舌轉(zhuǎn)動裝置。接著旋轉(zhuǎn)鑰匙(順時針開鎖，逆時針閉鎖)，完成最終開鎖(閉鎖)。此后順時針旋轉(zhuǎn)鑰匙至與刻度線對齊，外拉鎖芯。此時內(nèi)鎖芯前擋板的鑰匙齒軌道與內(nèi)鎖芯鑰匙齒軌道不相同，因此，外拉時會給予應(yīng)力使鎖芯被拉回到原來位置，再次旋轉(zhuǎn)鑰匙至內(nèi)鎖芯與其前擋板鑰匙齒軌道重合，此時方可拔出鑰匙。

3 地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的安全性能

3.1 密碼等級

本文圖中所示的均為五軸杠桿的地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯。根據(jù)其密碼組合計算方式計算，每一個軸杠桿的有效旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間為18°～46°(可通過改變零件尺寸而擴大旋轉(zhuǎn)角度區(qū)間范圍)，僅旋轉(zhuǎn)1.5°的差量就可使軸杠桿無法通過其后側(cè)的軸杠桿通道，為排除誤差取2°為密碼差量，則在有效區(qū)間內(nèi)每一個軸杠桿有至少14種密碼。該鎖芯有5個軸杠桿，故密碼種數(shù)為145種。識別器的有效角度區(qū)間為0°到90 °，僅旋轉(zhuǎn)1.5°的差量就可使鑰匙無法完全插入，為排除誤差取2°為密碼差量，則在有效區(qū)間內(nèi)至少有45種密碼。故五軸杠桿的地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的密碼總數(shù)為45×145種(約2420萬種)。5軸杠桿鎖的鎖體長度為33.5 mm。在市面上常見的民用鎖芯中，中心葉片邊柱鎖，其鎖芯一側(cè)長度最長為52.5 mm，與其長度對應(yīng)的8軸杠桿鎖密碼等級為45×148種(約664億種)。而偏心葉片邊柱鎖，其鎖芯一側(cè)長度最長為87.5 mm，與其長度對應(yīng)的15軸杠桿鎖密碼等級為45×1415種(約700億億種)，遠(yuǎn)超目前千萬等級密碼的鎖具[8,9]。地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯的密碼總數(shù)巨大，因此可以相應(yīng)減少密碼總數(shù)增加零件尺寸，提升其抗破壞性能。該結(jié)構(gòu)設(shè)計，可制成單向杠桿鎖(即附圖所示僅上側(cè)有軸杠桿的杠桿鎖)、以及上下均有軸杠桿的雙向杠桿鎖(即上、下側(cè)均有軸杠桿的杠桿鎖，類似于保險柜雙向葉片鎖)這兩種復(fù)合結(jié)構(gòu)。

3.2 安全性能

(1)防暴槽設(shè)計：當(dāng)零件受外力破壞掉落時，其碎塊會落入防暴槽，再次阻止鎖芯與鎖體的相對位移，甚至完全抱死鎖芯，可防止暴力破鎖方式的開鎖。

(2)假軸杠桿通道設(shè)計：在技術(shù)開鎖時起到與軸杠桿通道混淆的作用。

(3)識別器設(shè)計：該結(jié)構(gòu)能對鑰匙進行識別，可防止由工業(yè)誤差造成的相似鑰匙互開的情況發(fā)生，同時亦可阻攔勾狀物體伸入第五軸杠桿軌道，使技術(shù)開鎖手段不能對第五軸杠桿造成影響，因此可防止技術(shù)開鎖。

(4)整體無簧設(shè)計：使技術(shù)開鎖無法借力，無法依靠彈力進行技術(shù)開鎖。

(5)鎖芯空轉(zhuǎn)設(shè)計：使技術(shù)開鎖無法借力，使電鉆等破壞設(shè)備無法對其造成實質(zhì)性破壞。

4 結(jié)論

本研究提出了一種基于地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿原理的鎖芯設(shè)計，該鎖芯由內(nèi)鎖芯組件、外鎖芯組件、軸杠桿等主要部件構(gòu)成。本研究深入討論了該鎖芯的開鎖及閉鎖原理，并細(xì)致分析了該鎖芯的安全性能。本研究提出的基于地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿原理的鎖芯具有以下諸多優(yōu)勢：(1)密碼種數(shù)極大，密碼利用率高，且互開率極低；(2)采取往復(fù)式推拉開鎖方式，采用多維密碼結(jié)構(gòu)；(3)使用的內(nèi)外鎖芯空轉(zhuǎn)設(shè)計、無簧設(shè)計、假軸杠桿通道設(shè)計、識別器設(shè)計，均可防止技術(shù)開鎖；(4)防暴槽設(shè)計，可防范、拖延暴力破鎖。

綜上，本文所述的地心無簧空轉(zhuǎn)杠桿鎖芯，解決了目前民用鎖具安全性能較低的現(xiàn)狀。并提出了全新的鎖止技術(shù)及結(jié)構(gòu)原理，為鎖具的發(fā)展提供了方向，也為鎖具在保護公民人身財產(chǎn)安全方面提供了廣闊的應(yīng)用前景。