СУВАЛЬДНЫЙ МЕХАНИЗМ
LEVER TUMBLER MECHANISM

Заявляемое изобретение относится к элементам запирающих устройств, а конкретно, к сувальдному механизму с качающимися сувальдами, и может быть использовано при разработке замков, к которым предъявляются требования высокой стойкости к криминальному открыванию, в том числе осуществляемому с применением оптоволоконных оптических систем типа эндоскопов или бороскопов.
Заявляемое изобретение предназначено для применения в замках, например, сейфовых, содержащих засов, поворачиваемый ключ и набор взаимодействующих с ним пластинчатых качающихся задержек (сувальд), перемещаемых под действием бородки ключа в угловом направлении для обеспечения возможности прохода засова внутрь корпуса замка, причем сувальды обладают «памятью положения», т.е. возможностью сохранения достигнутого углового положения при выходе ключа из взаимодействия с сувальдами.
min
max
Известны замки с качающимися сувальдами, представленные, например, в патентах: [1] - US 1935225, US C1. 70-75, 14.11.1933; [2] - US 3884058, E05B 21/00, 20.05.1975; [3] - US 4462230, E05B 25/00, 31.07.1984; [4] - US 5502990, E05B 25/00, 02.04.1996. Сувальдные механизмы в этих замках содержат установленный на соответствующей оси вращения ключ с бородкой и взаимодействующие с ним пластинчатые качающиеся сувальды, установленные в виде пакета на своей оси поворота с возможностью углового перемещения под действием бородки ключа. Сувальды подпружинены относительно корпуса замка индивидуальными прижимными пружинами и имеют рабочие закраины (контактные участки), предназначенные для взаимодействия с ключом. Сувальды имеют также кодовые прорези для прохождения через них кодового выступа засова в процессе открывания/закрывания замка. Положение сувальд, при котором обеспечивается проход кодового выступа засова, определяет код сувальдного механизма. Этому коду соответствует код ключа, задаваемый ступенчатым профилем его бородки, образованным совокупностью секретов - ступеней профиля, значения высот которых располагаются в диапазоне от h до h.
В закрытом замке сувальды под действием своих прижимных пружин находятся в начальном положении, блокируя возможность перемещения засова внутрь корпуса замка. Открывание и закрывание замка производится поворотом ключа. В процессе открывания и закрывания замка сувальды устанавливаются в рабочее положение, отвечающее коду замка, при котором обеспечивается возможность прохождения кодового выступа засова через сувальды, а к засову прикладывается усилие перемещения, под действием которого при открывании замка засов вдвигается внутрь корпуса замка, а при закрывании замка - выдвигается из корпуса. Установка сувальд в рабочее положение и перемещение засова происходят в рамках одного временного промежутка (временной фазы), при этом сувальды за счет своих прижимных пружин находятся в постоянном контакте с ключом, обеспечивая проход кодового выступа засова через сувальды. При вынутом ключе сувальды под действием прижимных пружин возвращаются в начальное положении, блокируя возможность перемещения засова.
Для замков, оснащенных такими сувальдными механизмами, характерна низкая стойкость по отношению к криминальному открыванию.
Во-первых, существует принципиальная возможность одновременного доступа к засову и сувальдам со стороны ключевого отверстия с возможностью одновременного их перемещения относительно друг друга, что позволяет открыть замок с помощью отмычек, действие которых основано на одновременном приложении усилий к засову и сувальдам. При этом процесс криминального открывания облегчается тем, что в таких механизмах имеет место практически прямо пропорциональное перемещение сувальд в зависимости от прилагаемого усилия, что обусловлено действием прижимных сувальдных пружин и что позволяет осуществлять контролируемое перемещение сувальд отмычками.
Во-вторых, при современном развитии техники появилась возможность визуального осмотра следов, оставляемых ключом на рабочих закраинах сувальд. Осмотр осуществляется с помощью оптоволоконных приборов типа эндоскопов и бороскопов (промышленных эндоскопов), которые вводятся внутрь замка через замочную скважину. Зная шаг нарезки секретов ключа, что легко осуществимо при идентификации типа замка, и наблюдая длину следов на рабочих закраинах сувальд, которые в такой конструкции сувальдного механизма пропорциональны высотам взаимодействующих с ними секретов бородки ключа, можно определить параметры подлинного ключа замка, изготовить его копию и осуществить криминальное открывание замка.
Проблема повышения стойкости замка в части криминального открывания с помощью отмычек может быть решена, например, за счет применения сувальдного механизма с эффектом «памяти» установившегося рабочего положения сувальд, которое сохраняется после выхода ключа из взаимодействия с сувальдами. Это позволяет осуществить разнесение друг от друга (как по времени, так и по непересекающимся угловым фазам поворота ключа) основных операций по открыванию замка, а именно, операции по переводу сувальд в рабочее положение и операции по перемещению засова, что делает бесполезным применение отмычек, действие которых основано на одновременном приложении усилий к засову и сувальдам.
Примером сувальдного механизма с эффектом «памяти» рабочего положения сувальд является сувальдный механизм, примененный в сейфовом замке, представленном в патенте [5] - RU 2387774 C1, Е05В 25/02, 27.04.2010, п. 2 формулы, который принят в качестве прототипа.
Сувальдный механизм, принятый в качестве прототипа, содержит установленный на соответствующей оси вращения ключ с бородкой и взаимодействующие с ним пластинчатые качающиеся сувальды, установленные в виде пакета на своей оси поворота с возможностью независимого углового перемещения под действием бородки ключа, а также возможностью сохранения достигнутого углового положения сувальд при выходе ключа из взаимодействия с ними и возможностью принудительной установки сувальд в начальное положение.
min
max
Бородка ключа имеет ступенчатый профиль, образованный совокупностью секретов - ступеней профиля, значения высот которых располагаются в диапазоне от h до h. Профиль бородки (совокупность секретов) отвечает коду сувальдного механизма и, соответственно, коду замка.
Возможность независимого углового перемещения сувальд под действием бородки ключа и сохранения достигнутого углового положения при выходе ключа из взаимодействия с сувальдами обеспечивается фрикционными элементами, отделяющими сувальды друг от друга и корпуса замка, в котором размещается сувальдный механизм. Фрикционные элементы выполнены в виде фрикционных проставок, установленных на оси поворота сувальд, а необходимое усилие трения между сувальдами и фрикционными проставками обеспечивается воздействующей на них витой пружиной, также располагающейся на оси поворота сувальд.
Сувальды в прототипе имеют внутреннюю продольную фигурную прорезь с проходом для кодового выступа засова замка. Фигурная прорезь сувальды имеет рабочую закраину, предназначенную для приложения усилия со стороны бородки ключа в процессе установки сувальд в рабочее положение, отвечающее коду ключа (и, соответственно, коду замка) при котором обеспечивается возможность прохождения кодового выступа засова через сувальды, а также упорный участок, предназначенный для приложения усилия при установке сувальд в начальное положение, при котором отсутствует возможность прохождения кодового выступа засова через проходы в сувальдах. Выполнение и конфигурация рабочей закраины сувальд при этом не регламентировано.
Возможность принудительной установки сувальд в начальное положение обеспечивается набором механических средств для установки сувальд в начальное положение. В состав этих средств входят поворотный цилиндр с ключевым пазом для размещения ключа и выполненный на нем упор, выполняющий функцию силового элемента, взаимодействующего с соответствующими упорными участками сувальд при их установке в начальное положение.
Работа сувальдного механизма, принятого в качестве прототипа, происходит следующим образом. Первоначально сувальды находятся в своем начальном положении, обусловленным действием силового элемента средств для установки сувальд в начальное положение. При повороте ключа сувальды освобождаются от действия этого силового элемента и получают возможность перемещения под действием ключа. Перемещаясь под действием ключа сувальды занимают рабочее положение, отвечающее коду ключа (и, соответственно, коду замка), которое сохраняется при дальнейшем повороте ключа и выходе его из взаимодействия с сувальдами. В этом положении сувальд обеспечивается последующее прохождение засова замка через проходы в сувальдах внутрь корпуса замка. При обратном повороте ключа после выдвижения засова из корпуса замка сувальды возвращаются в начальное положение с помощью силового элемента средств для установки сувальд в начальное положение.
Таким образом, в рассмотренном сувальдном механизме за счет эффекта «памяти» рабочего положения сувальд обеспечивается возможность разнесения друг от друга (как по времени, так и по угловым фазам поворота ключа) основных операций по открыванию замка, связанных с переводом сувальд в рабочее положение и последующим перемещением засова, что делает бесполезным применение отмычек, действие которых основано на одновременном приложении усилий к засову и сувальдам.
При этом, однако, остается нерешенной вторая часть задачи повышения стойкости замка к криминальному открыванию, а именно, исключение возможности выявления кода ключа по следам, оставляемым секретами ключа на рабочих закраинах сувальд.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание сувальдного механизма, в котором отсутствует однозначная ная зависимость длин следов, оставляемых секретами ключа на рабочих закраинах сувальд, с высотами секретов, что исключает возможность выявления кода ключа по этим следам.
min
max
max
min
min
max
max
min
max
Сущность изобретения заключается в следующем. Сувальдный механизм содержит установленный на соответствующей оси вращения ключ с бородкой, ступенчатый профиль которой образован совокупностью секретов - ступеней профиля, значения высот которых располагаются в диапазоне от h до h, и взаимодействующие с ним пластинчатые качающиеся сувальды, установленные в виде пакета на своей оси поворота с возможностью независимого углового перемещения под действием бородки ключа, а также возможностью сохранения достигнутого углового положения сувальд при выходе ключа из взаимодействия с ними и возможностью принудительной установки сувальд в начальное положение. В отличие от прототипа, профиль рабочих закраин сувальд, с которыми взаимодействуют секреты ключа, выполнен одинаковым для всех сувальд и имеет начальную угловую кромку, с которой взаимодействуют боковые поверхности бородки ключа, и конечный участок в виде дуги с радиусом большим, чем h, расположенный так, что при взаимодействии с ним секрета ключа hуказанная дуга касается окружности с радиусом h и центром на оси вращения ключа в точке, которая лежит на прямой, являющейся одновременно касательной к этой окружности и окружности с диаметром d и центром на оси поворота сувальд, а при взаимодействии с ним секрета ключа h эта дуга касается окружности с радиусом h и центром на оси вращения ключа в точке, которая лежит на другой прямой, являющейся одновременно касательной к данной окружности и окружности с диаметром d и центром на оси поворота сувальд, где d удовлетворяет условию d=h+h, при этом указанные прямые располагаются по одну сторону от оси вращения ключа и оси поворота сувальд.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-4, где:
на фиг. 1 представлен схематический чертеж, поясняющий состав и выполнение основных элементов сувальдного механизма на примере, относящемся к началу взаимодействия ключа с сувальдами;
на фиг. 2 - схематический чертеж, поясняющий выполнение бородки ключа;
на фиг. 3 - схематический пример, поясняющий положение сувальды при взаимодействии с секретами ключа минимальной (фиг. 3а) и максимальной (фиг. 3б) высоты;
на фиг. 4 - геометрическая схема, поясняющая математические расчеты.
Заявляемый сувальдный механизм (фиг. 1, 2) содержит ключ 1, установленный на оси вращения 2, и взаимодействующие с ним пластинчатые качающиеся сувальды 3, установленные в виде пакета на оси поворота 4 с возможностью независимого углового перемещения под действием бородки ключа 1, возможностью сохранения достигнутого углового положения при выходе ключа 1 из взаимодействия с сувальдами 3 и возможностью принудительной установки сувальд 3 в начальное положение.
min
max
Бородка ключа 1 (фиг. 2) имеет ступенчатый профиль, образованный совокупностью секретов 5 - ступеней профиля бородки, высоты которых располагаются в диапазоне высот от h до h. Профиль бородки (совокупность секретов 5) отвечает коду сувальдного механизма.
Сувальды 3 в рассматриваемом примере имеют кодовый паз 6 для кодового выступа засова замка (засов с кодовым выступом на фиг. 1 не показан).
Возможность независимого углового перемещения сувальд 3 под действием бородки ключа 1 и сохранения достигнутого углового положения при выходе ключа 1 из взаимодействия с сувальдами 3 в практических реализациях может обеспечиваться, как и в прототипе, с помощью подпружиненных фрикционных элементов (на фиг. 1 условно не показаны). Как и в прототипе, эти фрикционные элементы могут быть выполнены в виде фрикционных проставок, установленных между сувальдами 3 на оси поворота 4, а необходимое усилие трения может обеспечиваться воздействующей на них витой пружиной, также располагающейся на оси поворота 4 (на фиг. 1 условно не показано).
Возможность принудительной установки сувальд 3 в начальное положение в практических реализациях может обеспечиваться, как и в прототипе, с помощью дополнительных средств для установки сувальд в начальное положение. Поскольку эти средства не относятся к предмету изобретения, в рамках данной заявки они не рассматриваются. Их выполнение для решения задачи изобретения не принципиально, в частности, они могут быть выполнены по принципу средств для установки сувальд в начальное положение, представленных в патенте [5].
Профиль рабочих закраин сувальд 3, с которыми взаимодействуют секреты 5 ключа 1, выполнен одинаковым для всех сувальд 3 и имеет начальную угловую кромку 7, с которой взаимодействуют боковые поверхности секретов 5 ключа 1 на начальном этапе взаимодействия ключа 1 с сувальдами 3, и конечный участок 8 в виде дуги, с которым взаимодействуют вершины секретов 5 ключа 1 на конечном этапе взаимодействия ключа 1 с сувальдами 3.
max
min
min
min
min
max
max
max
1
1
1
min
max
1
1
min
max
min
max
Дуга, по которой выполнен конечный участок 8 рабочих закраин сувальд 3, имеет радиус больший, чем высота секрета h. Расположен этот дуговой участок так, что в положении, определяемом взаимодействием с ним секрета 5 с минимальной высотой h (фиг. 3а), эта дуга касается окружности с радиусом h и центром на оси вращения 2 ключа 1 в точке «D», которая лежит на прямой «DE», являющейся одновременно касательной к указанной окружности с радиусом h и окружности с центром на оси поворота 4 сувальд 3 и диаметром d=h+h, а в положении, определяемом взаимодействием с ним секрета 5 с максимальной высотой h (фиг. 3б), эта дуга касается окружности с радиусом h и центром на оси вращения 2 ключа 1 в точке «D», которая лежит на прямой «DE», являющейся одновременно касательной к этой окружности и окружности с центром на оси поворота 4 сувальд 3 и диаметром d=h+h. При этом обе прямые «DE» и «DE» (фиг. 3а, б) располагаются по одну сторону от оси вращения 2 ключа 1 и оси поворота 4 сувальд 3, т.е. не пересекает линию, соединяющую эти оси, а указанные окружности с радиусами h и h соответствуют траекториям перемещения вершин секретов 5 с высотами h и h при повороте ключа 1.
min
max
На практике выполнение конечного дугового участка 8 рабочих закраин сувальд 3 осуществляется для одного из указанных положений: либо для положения, определяемого секретом 5 с минимальной высотой (h), либо для положения, определяемого секретом 5 с максимальной высотой (h). При этом выполнение условий для одного положения автоматически приводит к выполнению условий для другого положения, что иллюстрируется представленными далее математическими выкладками и геометрическими построениями.
Работа заявляемого сувальдного механизма в основных своих моментах происходит следующим образом.
В начальный момент сувальды 3 находятся в исходном положении, установленном при закрывании замка средствами для установки сувальд 3 в начальное положение. На начальном этапе поворота ключа 1 его бородка своей боковой поверхностью взаимодействует с угловой кромкой 7 рабочих закраин сувальд 3, поворачивая сувальды 3 вокруг оси поворота 4 и перемещая их в угловом направлении по отношению к линии, соединяющей ось вращения 2 ключа 1 и ось поворота 4 сувальд 3. По мере этого перемещения бородка ключа 1 переходит от взаимодействия своей боковой поверхности с угловой кромкой 7 рабочих закраин сувальд 3 к взаимодействию вершин секретов 5 с дуговым участком 8 рабочих закраин, в результате чего сувальды 3 устанавливаются в рабочем положении, при котором кодовые пазы 6 занимают позицию, отвечающую коду ключа 1 и, соответственно, коду сувальдного механизма. Это положение сувальд 3 «запоминается», т.е. сохраняется при дальнейшем повороте ключа 1 и выходе его из взаимодействия с сувальдами 3. В этом положении обеспечивается возможность перемещение засова замка внутрь корпуса замка. При обратном повороте ключа 1 после выдвижения засова сувальды 3 возвращаются в начальное положение с помощью средств для установки сувальд 3 в начальное положение.
В процессе взаимодействия вершин секретов 5 с дуговым участком 8 рабочих закраин сувальд 3 на них остаются следы, начинающиеся от угловой кромки 7 и заканчивающиеся точкой выхода соответствующего секрета 5 ключа 1 из взаимодействия с рабочей закраиной сувальды 3. В заявляемом механизме характер этих следов таков, что не позволяет по ним выявить код ключа и, соответственно, дешифровать код сувальдного механизма.
min
max
Объясняется это тем, что при предложенном выполнении рабочих закраин сувальд 3 следы, оставляемые на них разновысотными секретами 5 ключа 1, близки до такой степени, что не позволяют установить по ним реальные высоты секретов 5 ключа 1 и произвести дешифровку кода ключа и сувальдного механизма. В частности, равны между собой следы, оставляемые секретами 5 с высотами h и h, а следы от остальных секретов близки к ним.
min
max
Сказанное можно пояснить нижеследующими математическими выкладками и геометрическими построениями, представленными на фиг. 4, где показана упрощенная геометрическая схема, иллюстрирующая положение точек выхода секретов 5 с высотами h и h из взаимодействия с рабочими закраинами сувальд 3, соответствующая положениям сувальд 3, представленным на фиг. 3а и 3б, показывающая, что эти точки (и, соответственно, длины следов) совпадают.
На фиг. 4 обозначено:
min
max
min
max
«А» - центр окружностей с радиусами h и h, совпадающий с центром оси вращения 2 ключа 1 и соответствующих траекториям перемещения секретов 5 с высотами h и h;
min
max
«В» - центр окружности с диаметром d=h+h, совпадающий с центром оси поворота 4 сувальд 3;
отрезок «АВ» - межцентровое расстояние между осью вращения 2 ключа 1 (точка А) и осью поворота 4 сувальд 3 (точка В);
min
max
«h» и «h» - соответственно минимальная и максимальная высота секрета 5 ключа 1;
1
min
max
«D» и «D» - точки выхода секретов h и h из взаимодействия с рабочими закраинами сувальд 3 (рабочие закраины обозначены толстыми линиями);
min
min
max
«DE» - касательная к окружности с радиусом h и центром в точке А и окружности с диаметром d=h+h и центром в точке В, проходящая через точку D;
min
max
«Е» - точка касания отрезка DE с окружностью диаметром d=h+h и центом в точке В;
1
1
max
min
max
1
«DE» - касательная к окружности с радиусом h и центром в точке А и окружности с диаметром d=h+h и центром в точке В, проходящая через точку D;
1
1
1
min
max
«Е» - точка касания отрезка DE с окружностью диаметром d=h+h и центом в точке В;
1
1
min
max
«r» - радиус окружности с центром в точке В, на которой располагаются точки D и D выхода секретов h и h из взаимодействия с рабочими закраинами сувальд 3;
1
«С» и «C» - вспомогательные точки геометрического построения.
min
В рассматриваемом геометрическом построении прямая DE является касательной к двум окружностям: первая окружность - это окружность, соответствующая траектории перемещения секрета 5 с минимальной высотой h, вторая окружность - это окружность с центром в точке В и диаметром d, удовлетворяющим условию:
1
1
max
Прямая DE в рассматриваемом геометрическом построении также является касательной к двум окружностям: первая окружность - это окружность, соответствующая траектории перемещения секрета 5 с максимальной высотой h, вторая окружность -это окружность с центром в точке В с диаметром d, удовлетворяющим условию (1).
1
1
1
1
1
1
Так как прямые DE и DE являются касательными к указанным окружностям, то отрезки AD и BE перпендикулярны к прямой DE, а отрезки AD и BE перпендикулярны к прямой DE.
Следовательно:
min
min
Проведем вспомогательную линию АС, параллельную отрезку DE. Так как углы ADE, АСВ и DEB прямые, то АС=DE, а ВС=BE-h=r-h.
Из треугольника ABC имеем:
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1,
1
max
1
max
Проведем вспомогательную линию ВС, параллельную отрезку DE. Так как углы ADE, BCA и DEB прямые, то BC=DE a AC=h-BE=h-r.
1
Из треугольника ABC имеем:
(4)
Подкоренные выражения (3) и (4) равны, так как  также как и
1
1
Отсюда следует, что DE=DE.
1
1
1
1
Следовательно, равны и прямоугольные треугольники DEB и DEB. Их равные гипотенузы BD и BD есть радиус r на фиг. 4.
min
max
1
1
Отсюда следует вывод о том, что точки выхода секретов 5 ключа 1 с высотами h и h с рабочими закраинами сувальд 3 (точки D и D) лежат на одной окружности (радиусом r) с центром на оси 4 вращения сувальд 3, то есть совпадают.
min
max
Это совпадение математически подтверждает сделанное ранее утверждение о равенстве между собой следов, оставляемых секретами 5 ключа 1 с высотами h и hна рабочих закраинах сувальд 3.
max
max
min
Определим максимальное отклонение Δ длины отрезка DE для промежуточных значений высот секрета 5 ключа 1 от значения DE для h и h.
Общее выражение для определения длины отрезка DE:
Максимум значения DE найдем, приравнивая первую производную данного выражения к нулю:
max
max
Следовательно, DE=DE при r-h=0, или DE=АВ.
Таким образом,  или, заменяя r из выражения (2), имеем
Зададимся конкретными числовыми значениями, близкими к реальной конструкции сувальдного механизма. Положим межцентровое расстояние между осью вращения 2 ключа 1 и осью поворота 4 сувальд 3 равным 25 мм, минимальную высоту секрета 5 ключа 1 положим 6 мм, а максимальную высоту секрета 5 ключа 1 положим 11 мм.
min
max
Таким образом, имеем АВ=25 мм, h=6 мм, h=11 мм.
Рассчитаем диаметр окружности d.
max
min
Из выражения (1) имеем d=h+h=11+6=17 мм.
Рассчитаем максимальное отклонение точки выхода из контакта промежуточных значений высот секрета 5 ключа 1 с рабочей закраиной сувальды 3. Из выражения (5) имеем:
Отсюда можно сделать вывод, что при реальных размерах конструкции разброс точек выхода секретов 5 ключа 1 из взаимодействия с рабочей закраиной сувальды 3 пренебрежимо мал и находится в зоне допусков изготовления деталей. Такой разброс следов на рабочих закраинах сувальд 3 при визуальном наблюдении не может быть обнаружен.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании сувальдного механизма, в котором в силу примерного равенства следов, оставляемых секретами ключа на рабочих закраинах сувальд, отсутствует однозначная зависимость их длин с высотами секретов, что исключает возможность выявления кода ключа по этим следам.
Источники информации
1. US 1935225, US С1. 70-75, 14.11.1933.
2. US 3884058, E05B 21/00, 20.05.1975.
3. US 4462230, E05B 25/00, 31.07.1984.
4. US 5502990, E05B 25/00, 02.04.1996.
5. RU 2387774 C1, E05B 25/02, 27.04.2010.