Ключ (термины и определения).

Авторы: Александр Лаврус и Валерий Юрин

В  конструкции замочных ключей три основные части (зоны) Рис. 1:
Бородка (лезвие) – участок, на который нанесена информация и с помощью которого передается усилие на ригель замка (Англ. “bit)”.
Головка ( кольцо) – уплощенный элемент конструкции, который удерживает рука (Англ. “bow”).
Шейка (стержень, стебель, трубка) – соединяет два предыдущих элемента (Англ. “shank”).

Вырез в головке ключа называют ушком. Его изготавливают с целью облегчения ключа, удобства ношения, украшения и т.п.

Рис. 1 Состав ключа: а) Классический» ключ; б) Пластинчатый ключ.

                                                         а                                                                  б                            

Рассмотрим две наиболее распространенные конструкции замочных ключей: классический и пластинчатый.
На шейках классических ключей, помимо вышеперечисленных частей конструкции, могут быть два утолщения. Возле головки – воротник (Англ. “collar”). Это муфта, которой  в сборных конструкциях головка крепилась к шейке. Воротник, в разные периоды принимал различные формы, иногда имел выемки, указывающие правильное положение ключа при вводе в замочную скважину (позиционирование). Такой элемент также называют основание, оголовок или капитель.
Второе утолщение – упорный бурт (Англ. “shoulder”) Рис. 2а. Этот элемент конструкции позиционирует ключ по продольной оси и ограничивает глубину его проникновения в замок. Таким образом осуществляется позиционирование ключа в замке, что обеспечивает правильное считывание информации с его бородки (бородок) особой частью замочного механизма – механизмом секретности (МС).
  Пластинчатые ключи, как явствует из названия, представляют собой пластины Рис. 2б. Бородка у них удлинена, так что шейка отсутствует. Поэтому, бородку называют «лезвие» или «лопасть». Элемент конструкции аналогичный по назначению упорному бурту называют юбкой.

Рис. 2.  Ключи с ограничителями глубины проникновения: а) Упорным буртом; б) Юбкой. 

                                                      а                                              б

Применение слова «ключ» в технике обусловлено двумя свойствами объектов с этим названием:
В первую очередь, ключи передают усилие вращения. Уже в средневековье широко использовали ключи для колесцовых замков огнестрельного оружия, музыкальных шкатулок и т.п. Применяли и применяют в наши дни «заводные» ключ для детских игрушек, часов, некоторых струнных музыкальных инструментов… Рис. 3а. Несколько столетий для настройки фортепиано используют ключ Г-образной формы с углом изгиба 105 градусов (нижний на Рис. 3а.). В торце изогнутой части ключа восьмигранное отверстие в форме усечённого конуса, которое соответствует форме верхней части вербеля (колка, на который накручен конец струны).
 Функцию передачи усилия также реализуют различные трубные, разводные, гаечные и другие ключи Рис. 3б. Часть из них осуществляют передачу усилия с помощью стандартизированных элементов, например, шестигранных головок, боковых шлицов или зубчатых венцов. Таким головкам присваивается номер, которому соответствуют ключи того же размера. Номер равен расстоянию между противоположными рабочими поверхностями (губками) ключа. Следует помнить, что номера гаечных ключей есть параметр, не имеющий ни какого отношения к секретности. Ключи одного номера (расстояние между губками), не зависимо от типа (рожковые, накидные…), взаимозаменяемы.

 Рис. 3  «Вращающие» Силовые ключи: а) «Заводные»; б) Общетехнические; в) Гидравлический буровой.

                                 а                                                 б                                                       в

Разработаны ключи, совмещенные с динамометрическими головками, осуществляющими ограничение передаваемого усилия или измеряющими его величину. Самым большим ключом можно считать гидравлический ключ буровой установки, осуществляющий захват и вращение буров и труб в скважине Рис. 3в.

Основное количество общетехнических (силовых) ключей легко отличить от замочных.  У первых вращение руки осуществляется в плоскости перпендикулярной оси головки ключа Рис. 4а. При операциях с замочными ключами, ось кисти руки совпадает с осью ключа Рис. 4б. Выполняется это условие и для замочных ключей вталкиваемых в замок. Исключение – Т образная конструкция ключей, используемая  повсеместно Рис. 4в.
Существует группа не вращающихся замочных ключей, именуемые в литературе вталкиваемые (вдвижные, устар. - пыряльные), которые не вращаются. О них будет сказано позже.

Рис. 4 Операции с ключом: а) Гаечным; б) Замочным; в) Т-образным.

                                  а                                                    б                                                    в

У гаечных ключей место, за которое берут рукой – рукоятка, а термином головка обозначают ту часть, которая непосредственно контактирует с объектом. Применительно к ключам для замков наоборот, используют исторически устоявшийся термин головка, а не ручка.
Обычно, замочных ключи передают относительно небольшие усилия вращения, потому их отличают небольшие  головки. Другое дело сейфовые системы, где ключ только разблокирует сложную и громоздкую систему засовов. Там, передача усилия разблокирования передается с помощью дополнительных ручек, штурвалов, или специальных приводов Рис. 5а,б. Естественно, ключ, соотносительно с приводными устройствами гораздо меньших размеров и может не иметь некоторых конструктивных частей. К примеру, американская сейфовая система Рис. 5в. Ключ представляет собой исключительно информационную бородку, которая вдвигается (вталкивается) в ключевой канал, который представлен овальным углублением рядом с приводной (силовой) рукояткой замка Рис. 5г. Такой ключ вдвигают большим пальцем в ключевой канал, пари этом штырьки бородки разблокируют МС. Второй рукой вращают рукоятку (не отпуская ключа) и засов замка перемещается.   

Рис 5. Сейфовые системы: а) Напольный сейф с приводным штурвалом; б) Дверь банковского хранилища; в) Ключ (увеличено); г) Приводная рукоять с ключевым каналом.   

                                   а                             б                               в                        г

Долгое время именно головка классического ключа была основным объектом украшения изделия, но в наше время, редко изготавливают сложные фигурные головки Рис. 6а. Исключение - ключи для мебели. Зато, для пластинчатых ключей разработаны многочисленные формы Рис. 6б.
Размер головки классического ключа, чаще всего, примерно вдвое больше размера бородки, такая пропорция соблюдена и в большинстве пластинчатых ключей, так что их можно рассматривать как рычаг с положительным коэффициентом передачи около 2-х Рис. 6в. Исключение составляют ключи для замков, не передающих вращение (информационных, вталкиваемых в замок  и др.).  

                Рис. 6  Головки ключей: а) Классических, б) Пластинчатых; в) Кинематическая схема.

                              а                                      б                                                         в

Среди разработанных устаревших (архаических) конструкций встречаются и ключи с двумя головками, расположенными на обоих  концах стержня Рис. 7. Детали не оставляют сомнений, что такой ключ вставляли с одной стороны двери в накладной замок с металлическим корпусом. Об этом говорит малое расстояние от бородки до упорного бурта. Одна из головок уплощена, так что может пройти насквозь через ключевой канал замка. Таким образом, ключ можно повернуть с обеих сторон. Цель такой необычной конструкции можно только предполагать. Например, для того, чтобы отпирать тугой замок усилием двух человек, находящихся по разные стороны двери.  

Рис. 7 Ключ с двумя головками:

С точки зрения кинематики, пара вращающийся ключ и реечный засов – частный случай реечной зубчатой передачи Рис. 8а. При расчетах замков, основанных на таком принципе передачи усилия, актуален весь набор общетехнических формул. При этом, количество бородок ключа есть количество зубцов на венце круглой шестерни Рис. 8б. В дальнейшем изложении, мы часто будем обращаться к этой модели, например, при описании позиционирования частей системы для надежного зацепления  зубчатой пары.
Не меняет ситуацию и использование замков с унифицированными цилиндровыми механизмами (механизмами секретности). В них передача усилия на ригель производится через поворотный зубец – флажок или многозубую шестерню Рис. 8в.

Рис. 8. Кинематическая модель: а) Реечная передача; б) Пара ключ- засов; в) Головки.

                                                     а                              б                                 в

В классическом ключе стержень зачастую выступает за край бородки и образует хвостовик. Этот участок стержня предназначен для правильного позиционирования ключа в замке и стабилизации его при вращении. Для этого, в задней стенке корпуса замка выполняют соответствующее хвостовику по диаметру отверстие или эту роль выполняет ключевина на другой стороне двери Рис. 9а. Таким образом, отверстия ключевого канала замка аналогичны обоймам опорных подшипников, а стержень ключа является валом. Именно по этой причине, стержень ключа всегда шире, чем толщина бородки, или бородка крепится на тонкой переходной пластине. В противном случае, ключ при вращении проваливался бы. Ключи со сплошным хвостовиком называют целиковым Рис. 9б.
Изучая следы на ключах (трассы), возникших после долгого использования, легко рассмотреть поперечные концентрические канавки. Это следы выработки при трении ключа об отверстия в корпусе замка или ключевине Рис. 9б. В различных случаях, канавок может быть от двух до четырех.
Существует другая система стабилизации ключа. На задней стенке корпуса замка устанавливают стойка (центрирующий штифт, палец) Рис. 9в., а хвостовик или весь стержень выполняют полым (трубчатым). Длина штифта и его форма должны соответствовать параметрам отверстия в хвостовике. В таком случае, шейку ключа называют трубкой, а ключ маточным Рис. 9г. Ключ при вращении трется о стойку внутренней поверхностью. Наружные следы зачастую отсутствуют. 
Данная конструкция более защищена от несанкционированного вскрытия отмычками, так как стойка частично перекрывает ключевой канал.
В некоторых конструкциях пластинчатых ключей на краю бородки выполняют утонченный участок – хвостовик (мысок, носик)  Рис. 9д. Назначение данного элемента конструкции другое, чем у классического ключа. Узкий ключевой канал цилиндрового механизма достаточно плотно удерживает пластинчатый ключ и стабилизирует вращение. Хвостовик предназначен для зацепления с флажком цилиндрового механизма. В некоторых конструкциях на мысок воздействует на дополнительные элементы МС.

Рис. 9 Системы позиционирования и стабилизации вращения ключа
а) Отверстие в задней стенке корпуса; б) Целиковый ключ; в) Штифт на задней стенке замка;
г) Маточный ключ; д) Пластинчатый ключ с хвостовиком.

                   а                                      б                                  в                                         г                      д

В отличии от гаечных и других ключей, замочный ключ обязательно несет индивидуальную информацию о соответствии данного ключа данному замку. Такой ключ (ключи) называют – штатным. Проверку соответствия ключа данному замку осуществляет механизм секретности (МС) замка. В различных системах процесс считывания информации с бородки (проверки ключа на соответствие) и передачи усилия могут происходить в едином цикле, а могут быть разнесены во времени. 

Рис. 10. Работа МС томпольного замка: а) Ключ воздействует на томпол; б) Томпол разблокировал ригель, ключ начин7ает воздействовать на ригель.

                                                                     а                               б

Рассмотрим работу классического ключа в томпольном замке. Основа МС - томпол – подпружиненная шарнирно закрепленная скоба с зубцом. В опущенном состоянии, зубец томпола входит в зацепление с ригелем замка и не дает возможности ему сдвигаться. Ключ вставляют в замочную скважину (1) и начинают поворачивать. В точке (2) бородка ключа упирается в нижнюю часть томпола и начинает его поднимать Рис. 10а. Когда ключ достигает точки (3) зубец томпола выходит из зацепления с ригелем – ригель разблокирован Рис 10б. При дальнейшем вращении в точке (4) ключ упирается в ригель и сдвигает его. Считывание информации происходит в процессе контакта бородки ключа с томполом. Если размер (высота) бородки не достаточен – томпол не будет поднят  на необходимую высоту, зубец томпола не выйдет из зацепления с засовом, так что засов не будет сдвинут. В данной системе оба процесса объединены в едином цикле вращения ключа.

Рис. 11 Цилиндровый, радиально-штифтовой, однорядный: а) Угловые и линейные параметры элементов бородки ключа; б) Расположение внутренних штифтов при рабочем положении штатного ключа. 

                                                      а                                                                    б

По-другому происходит в цилиндровых системах. Рассмотрим классическую схему МС Йейла. В ней считывание информации происходит при линейно введенном ключе в цилиндр (позиционировании), благодаря наклонным стенкам прорезей на лезвии ключа и конической форме концов штифтов. При введения ключа в прорезь сердечника, наклонные стенки треугольных проточек сдвигают подпружиненные штифты.
В дальнейшем, будем говорить только о глубине проточек на лезвии ключа, но следует учитывать, что у различных фирм изготовителей различные параметры наклона стенок прорезей бородки ключа, диаметров штифтов, угла наклона стенок конической части штифтов и площади плоской площадке на нижней поверхности штифтов. Фирма ASSA указала свои  параметры на Рис. 11а. Фирма Zeis Ikon изготавливает штифты с углом конической части 110º.    
После позиционирования ключа (установки его в штатное положение) штифты устанавливаются так, что их срезы образуют прямую линию, размещенную на границе наружного цилиндра и внутреннего сердечника Рис. 11б. После разблокирования МС вращением ключа осуществляется поворот внутреннего цилиндра внутри наружного, чем осуществляется сдвигание ригеля.

Путь, которым ключ попадает в замок, называется ключевой канал. В различные времена и в разных конструкциях замков такой канал образовывали стенки корпуса замка, отверстие в несущей конструкции (дверном полотне, стенке сундука и т.п.), дверные накладки, специальные крышки, препятствующие попаданию в канал мусора и т.п. Рис. 12а,б. В современных замках с унифицированными цилиндровыми механизмами ключевой канал конструктивно объединен в единый блок с механизмом секретности и представляет собой соответствующую профилю ключа продольную прорезь в сердечнике (внутреннем цилиндре) Рис. 12в.
В цилиндровых системах чаще всего ключ упирается юбкой в переднюю стенку цилиндра, чем осуществляется продольное позиционирование ключа в замке. 

Рис. 12 Ключевой канал: а) Замок и накладки; б) Замок с крышкой канала и накладкой;
в) Канал совмещенный с механизмом секретности.

                                            а                                           б                                            в

Отверстие для ключа на передней стенке корпуса замка или дверной накладке называют – замочная скважина или ключевина (Англ. “keyhole). Форма замочной скважины для классического ключа такова, что в верхнюю, круглую, часть отверстия входит стержень ключа, а в трапециидальную нижнюю часть - бородка. Профиль замочной скважины может быть универсальным, Рис 13а, а может точно соответствовать профилю бородки штатного ключа Рис. 13б, что повышает секретность системы.
Основное назначений металлической дверной накладки защитное, но кроме этого она осуществляет первичное позиционирование: показывает, бородкой вверх или вниз надо вставлять ключ. Особо важно эта функция для ключей с несколькими бородками (многобородочных). На Рис 13в показаны некоторые профили замочных скважин, используемых для двухбородочных ключей-бабочек. Верхняя форма ключевины позволяет вставить ключ двумя способами, а две нижние не допускают неправильного введения ключа в ключевой канал.
 В замках, управляемых ключом с двух сторон, сложный профиль ключевого канала также может позиционировать ключ по продольной оси (глубине замка). Как показано на рис. 13г, ключ соответствующего профиля, свободно проходит через переднюю ключевину, а выступ профиля ключевины на задней стенке (рисунок которой инверсный) не дает ключу пройти замок насквозь. Пример на Рис. 13д.
Этим осуществляется основное позиционирование ключа в замке, что обеспечивает правильное считывание МС замка информации с бородки ключа.

Рис 13. Профиль бородки: а) Универсальная ключевина; б) Профильная ключевина;
в) Профили замочной скважины; г) Продольное позиционирование (схема); д) Пример.

            а                             б                                    в                                      г                               д
Оригинально задачу продольного позиционирования ключа решают в конструкции именуемой Бэнбари (Banbury). Возможно, конструкция названа по имени города в Великобритании, лежащего неподалеку от Оксфорда. Упорный бурт создается перепадом диаметра стержня на отрезке расположения бородки. При введении ключа, базой позиционирования является пластина барьера, установленного посреди ключевого канала замка Рис. 14.

Рис. 14  Замок и ключ системы «Бэнбари».

Мастерами замочного дела были разработаны многочисленные сложные профили бородок ключей и ключевых каналов. В некоторых конструкциях замков именно сложный профиль канала обеспечивает секретность, как в «томпольных» замках Рис. 15а. Также различные системы механизмов отпираются совершенно различными конструкциями ключей, что не дает возможности даже вставить ключ в несоответствующий ему замок Рис. 15б.
 Особенно много профилей разработаны для пластинчатых ключей. Многие фирмы-производители замков выработали свой вид ключей, отличающихся профилем и длиной бородки. Кроме них существуют фирмы изготовители бланков ключей (болванок без нанесенных на бородки индивидуальных коронок), которые выпускают множество бланков различных форм и профилей. Так, итальянская фирма «Silca» производит более 54,000 различных бланков ключей для большинства мировых производителей замков. На Рис. 15в показаны таблица профилей бланков, выпускаемых фирмой «Silca» для замков фирмы «Vachet» , Франция.       
Сочетание профиля бородки и информации коронок являются индивидуальными для каждого ключа и обуславливают секретность конструкции.

Рис. 15.  Профили бородок ключей а) Классические ключи; б) Ключи различных конструкций;
в) Пластинчатые ключи.

                                        а                                        б                                             в        

Все приведенные выше ключи имеют простейшее устройство, так как их конструкции всего одна универсальная бородка, которая позиционирует ключ, несет информацию и передает усилие. Но мастера замочного дела разработали множество систем со сложными многобородочными ключами, которые мы еще будем рассматривать ниже.
 При классификации ключей по количеству и назначению бородок следует хорошо представлять себе работу соответствующего механизма секретности. Для примера разберем замочную систему: штифтовая, торцевая, цилиндровая, являющуюся развитием замка «Брамах». В конструкции данного ключа бородки всех назначений – отдельные элементы.

Рис. 16 Цилиндровая торцевая, штифтовая:  а) Ключ; б) Замочная скважина

                                                                       а                               б

Ключ представляет собой металлический стакан Рис 16а. На наружной поверхности стакана выполнен прямоугольный выступ (1) – бородка первичного позиционирования. Второй выступ (2), расположенный на внутренней поверхности цилиндра – силовая бородка. Прорези разной глубины на торце стакана (3) – информационная бородка.
На Рис. 16б показана замочная скважина, которая представляет собой отверстие в корпусе (4), в верхней части которого выполнен паз (5). Внутри замочной скважины находится шток (6) с продольным пазом (7). Вокруг штока в замочной скважине размещены продольные штифты (8) - детекторные элементы МС.
Ключ может быть вставлен в замочную скважину только в положении, когда бородка (1) входит в паз (5). При этом, силовая бородка ключа (2) входит в паз штока (7). При более глубоком введении ключа, донца пазов информационной бородки (3) надавливают на штифты (8) и утапливают их. Штифты разблокируют шток (6) и ключ силовой бородкой (2) может провернуть его.

Нельзя не упомянуть и о большой группе замочных механизмов, ключ в которых не передает усилие, а только несет информацию.  Еще до нашей эры в Азии были разработаны замочные системы, где ключа, как материального объекта, вообще не было. Его роль играло кодовое сочетание вращающихся элементов конструкции Рис. 17а. Усилие на разделение (размыкание) частей конструкции, передается в таких системах руками. Аналогично, в более современных системах, ключ-код набирается вращением кодовых дисков Рис. 17б

Рис. 17. Кодовые замки а) Навесной; б) Сейфовый; в) Кодовые ключи ХХ века.

                                 а                                             б                                                в

В этом свете понятна близость ключа к понятию пароль, ключ к тайне или загадке, математическому коду и т.п. С начала XX в. разработано большое количество замочных систем, в которых ключи выполняют только информационную функцию. Информация может храниться на ключе в виде магнитных, оптических, электромагнитных кодов Рис. 16в (touch memory; socketkey; перфорации; USB; магнитная карта, оптический излучатель и т.п.). В таких устройствах усилие на исполнительные элементы передается с помощью дополнительных приводных штурвалов, ручек или электромеханических приводов.