En tant que domaine de l’ingénierie mécanique, la conception de serrures présente des défis uniques, notamment le fait que vous concevez un objet en vous attendant à ce que quelqu’un tente délibérément de le déjouer.
La gamme d’attaques auxquelles une bonne serrure doit résister est unique. Cela devient une bataille d’esprit entre le concepteur et le challenger potentiel.
Le challenger a le luxe du temps, la possibilité d’acheter le produit et de le démonter à loisir, et des tutoriels YouTube à n’en plus finir.
Le concepteur doit compter sur la bonne vieille sournoiserie tout en travaillant avec un budget.
Si vous réussissez, vous garderez votre emploi et vous obtiendrez peut-être même quelques félicitations de la part de personnes qui comprennent ce que vous avez accompli. Si vous vous trompez, vous vous retrouverez avec votre propre vidéo YouTube, montrant au monde entier à quel point vous avez été stupide…
Avis de non-responsabilité : Bien que l’intention de cet article ne soit certainement pas de fournir des informations à tout criminel en puissance, il est nécessaire d’exposer ici diverses formes d’attaque. A la connaissance de l’auteur, toutes ces informations sont déjà dans le domaine public.
Il y a environ 40 ans, une grande entreprise internationale de serrures a développé un mécanisme de verrouillage merveilleusement compliqué et coûteux. Convaincue qu’elle était « indécrottable » et pouvait résister à toutes les formes d’attaque par la force, elle a mis au défi les serruriers du monde entier de vaincre sa serrure. Ils ont même offert un prix. Ils ont négligé un seul petit détail…
Quelqu’un s’est approché de leur serrure avec une de leurs clés. Ce n’était pas la bonne clé, mais elle avait le bon profil pour entrer dans la serrure. Il a limé un peu de métal sur la clé pour qu’elle puisse entrer dans la rainure plus loin qu’elle ne le devrait, a inséré la clé, l’a frappée avec un marteau de façon à cisailler la goupille de retenue à l’arrière et a sorti tout le cylindre avec la mauvaise clé, laissant la serrure capable d’être ouverte par la rotation d’un tournevis.
Apparemment, l’expression « prime de rendement » a été sensiblement absente des mémos de la société pendant un certain temps.
Cet article a pour but de donner un aperçu des défis de conception souvent contradictoires auxquels est confronté ce domaine de la conception mécanique, de la manière dont ils peuvent être surmontés (ou du moins atténués), et de fournir une compréhension de base du fonctionnement d’un type de mécanisme de verrouillage.
Principes de base de la conception des serrures – Qu’est-ce qu’une serrure ?
Il s’agit essentiellement d’un dispositif qui autorise ou refuse l’entrée de manière sélective en fonction de la possession de la bonne clé ou du bon code.
Pour ce faire, une serrure actionnée par une clé doit comporter divers éléments qui sont déplacés de manière séquentielle ou synchrone par la clé. La clé doit également se conformer à certains éléments du mécanisme ou les contourner, et la clé peut également devoir empêcher certains éléments de la serrure de se déplacer au-delà d’une distance déterminée.
Historiquement, les premiers verrous n’étaient rien d’autre qu’un gros rocher placé à l’entrée d’une grotte contenant un objet de valeur, la masse du rocher étant telle qu’il fallait un effort collectif pour le déplacer. C’était au tout début de la phase de chasseurs-cueilleurs de l’existence humaine, mais les serrures ont fini par se développer au point d’être accessibles avec une clé. Le premier exemple connu a été découvert dans les ruines du palais phénicien de Khorsabad, à Ninive, qui fait maintenant partie de l’Irak. On estime qu’il a environ 4000 ans, ce qui montre bien que certaines choses ne changent pas.
Au fil du temps, la technologie et les méthodes de fabrication se sont améliorées et l’un des premiers exemples de miniaturisation s’est produit lorsque M. Linus Yale Jr. a redécouvert le même principe que celui utilisé par les Phéniciens.
Il existe, bien sûr, différents types de serrures, mais cet article se concentrera sur ce type particulier de mécanisme de verrouillage – le cylindre à goupille (ou si vous êtes américain, le cylindre à goupille), également connu sous le nom de serrure Yale.
Nous allons nous pencher sur le mécanisme de verrouillage (et les défis de conception qu’il présente). Pour être précis, il s’agit de la partie de la serrure sur laquelle agit directement la clé.
Pour comprendre le mécanisme et ce qui suit, il est nécessaire de comprendre tout d’abord la terminologie et les principes de base du fonctionnement. La Fig.1 montre un type représentatif de cylindre à goupille fixé par deux vis à l’arrière, et c’est ce modèle qui fera l’objet de l’analyse.
Le matériau utilisé pour la majorité des composants est le laiton, car il présente une combinaison de facilité d’usinage et de faible coefficient de friction.
La vue éclatée ci-dessus montre le même mécanisme, mais sous forme éclatée et avec des étiquettes qui nomment les éléments fondamentaux du mécanisme.
- Les goupilles de fermeture sont des éléments fixes qui ont un ajustement serré avec les chambres du corps (cylindre).
- Les ressorts sont d’une longueur et d’un type uniques.
- Les conducteurs (broches supérieures) sont de deux hauteurs différentes.
- Les broches sont disponibles en dix hauteurs différentes, mais seules trois hauteurs différentes sont représentées sur ce modèle pour plus de clarté.
Anatomie de la clé
Pour comprendre la conception d’une serrure, il est également important de se familiariser avec la clé, car elle est essentielle au bon fonctionnement et à la sécurité de la serrure. La figure 3 ci-dessous montre les caractéristiques importantes de la clé.
- L’épaulement de cette clé est la caractéristique qui positionne (arrête) la clé dans la rainure du cylindre à la profondeur correcte. D’autres cylindres peuvent également utiliser une « butée de pointe » comme alternative.
- La lame de la clé comporte cinq entailles, dont l’espacement correspond au pas des chambres des goupilles dans la fiche du cylindre. La profondeur de ces entailles correspond à la hauteur de la goupille individuelle dans chaque chambre.
Le fonctionnement d’un mécanisme de cylindre à goupilles est très simple en principe, et les images suivantes illustrent son fonctionnement : Sur la Fig.4, le cylindre est en position verrouillée (les différentes goupilles et les entraîneurs sont maintenant représentés par un code couleur relatif à leurs différentes longueurs). Vous pouvez voir que ces éléments de verrouillage interfèrent avec la rotation de la fiche.
Sur la figure 5, la bonne clé est insérée, et il y a maintenant une « ligne de cisaillement » entre les goupilles inférieures et les conducteurs supérieurs. Cette ligne de cisaillement coïncide avec les diamètres du bouchon et du corps du cylindre (dans des tolérances données).
Cet alignement permet à la clé de faire tourner le bouchon, comme dans la Fig.6 (le bouchon est représenté plein pour plus de clarté).
Si une clé incorrecte était insérée, comme dans la Fig.7., cette ligne de cisaillement ne serait pas présente. Vous pouvez voir que la première goupille a été soulevée légèrement trop haut et la deuxième goupille légèrement trop bas par cette clé.
C’est le principe de base du fonctionnement. Alors, qu’est-ce qui fait qu’une serrure de ce type est meilleure ou pire qu’une autre ? Quelles sont les considérations que le concepteur doit garder à l’esprit lorsqu’il tente de produire économiquement un tel produit, tout en essayant d’introduire des éléments d’unicité et de sécurité qui lui confèrent une valeur ajoutée ?
La rainure de clavette
Le point de départ de ce problème se trouve dans la rainure de la clé. Cette caractéristique de la fiche est fondamentale pour la conception d’une serrure, car c’est le point d’entrée de la clé (et, bien sûr, d’un pic de serrure, etc.). Pour des économies de production, en tant que concepteur, j’aimerais une fente droite qu’une scie à découper peut traiter en un seul passage, mais en réalité, cela signifie que n’importe quelle clé de ce type pourra s’insérer dans la rainure, ce qui compromettra les différences entre les clés dans une mesure inacceptable (nous y reviendrons plus tard).
Le concepteur doit donc incorporer une forme d' »ondulation » dans le profil de la rainure de clavette, et donc de la clavette.
La plupart des rainures de clavette sont brochées et vous pouvez voir sur la Fig.8 ci-dessous que le manque de complexité de la rainure de clavette simplifie ce processus – le brochage a généralement lieu sur un dispositif de type chaîne de moto, avec une série de bouchons serrés au-dessus d’une chaîne rotative, chaque segment de la chaîne ayant un semi-profil de rainure de clavette légèrement plus long que le précédent. Chaque segment de la chaîne présente un demi-profil de rainure de clavette légèrement plus long que le précédent. La rainure de clavette se forme lorsque les bouchons sont enfoncés à une vitesse contrôlée par rapport à la vitesse de rotation de la chaîne.
La Fig.8 montre trois exemples de rainures de clavetage de cylindres à goupilles – l’image de gauche montre une rainure de clavetage simpliste avec deux ondulations. L’image de gauche montre une rainure de clavette simpliste avec deux ondulations. Elle est relativement facile à fabriquer mais n’est pas sûre en termes de duplication de la clé ou d’insertion d’outils de crochetage.
La fabrication d’une rainure de clavette dans un bouchon de cylindre en laiton nécessite une approche de sciage ou de brochage en plusieurs étapes ; elle ne convient pas à l’extrusion ou au moulage sous pression, le processus d’extrusion ne permettant pas d’inclure des caractéristiques dépassant le diamètre de la forme étirée, et le moulage sous pression nécessitant la prise en compte des inévitables angles de dépouille. Ces méthodes ne sont pas bonnes pour de nombreuses raisons qui apparaîtront plus tard.
Dans l’image du milieu, vous pouvez voir une rainure de clavette un peu plus complexe, qui a l’inclusion supplémentaire de pépins de chaque côté de la ligne centrale. Cependant, il s’agit essentiellement d’une inclusion cosmétique, car les picots n’ont aucune utilité réelle, que ce soit pour insérer un outil de crochetage de serrure ou pour empêcher la reproduction illégale d’une clé. S’ils étaient enlevés de la rainure de clavetage de la fiche ou d’une clé vierge fabriquée, cela ne changerait rien à la facilité avec laquelle l’un ou l’autre peut entrer dans la rainure de clavetage. Pour une clé, ils peuvent être laissés hors du profil, et pour un pic de serrure, la facilité avec laquelle il peut être manipulé verticalement n’est pas affectée.
Sur l’image de droite, vous pouvez voir ce que l’on appelle une rainure de clé paracentrique – c’est une rainure de clé où la paroi de chaque côté de la rainure de clé passe sur la ligne centrale de la rainure de clé. Vous pouvez voir que le profil de la clavette présente maintenant une véritable « ondulation », ce qui la rend plus difficile à reproduire. Vous pouvez également constater qu’il devient plus difficile de manipuler verticalement un pic de serrure à travers le profil, ce qui nécessite un pic de serrure plus fin et plus petit (et donc plus faible et moins efficace).
Conception pour la résistance aux abus
La première considération lors de la conception d’une serrure (comme dans de nombreux autres domaines de la conception) est celle du risque. Pour les serrures, à quels risques de sécurité la serrure et la clé seront-elles exposées ?
En commençant par la clé, le risque le plus évident est la reproduction non autorisée, soit par une « impression » de la clé dans un matériau comme l’argile, soit par le retrait illicite de la clé pour qu’un serrurier puisse la reproduire, soit par d’autres méthodes comme la photocopie de la clé. Ainsi, plus la clé est complexe, plus elle présente de difficultés.
La serrure doit être capable de résister à trois catégories d’attaques, bien que celles-ci puissent varier considérablement en fonction du niveau de sécurité d’une serrure spécifique. Ces formes d’attaque sont les suivantes :
Force brute ou une attaque ouverte, qui pourrait être quelque chose comme un marteau et un tournevis, ou une perceuse. Une telle attaque sera évidente pour tout utilisateur de la serrure, que cette tentative soit réussie ou non.
Attaque subreptice peut inclure le crochetage de serrure, l’impression et d’autres méthodes. Ces méthodes de contournement peuvent être découvertes si la serrure est examinée, grâce à des preuves telles que des marques et des rayures révélatrices sur les éléments intérieurs de la serrure.
Attaque secrète peut inclure le peignage, le cognement, la copie et la reproduction d’une clé. Si la clé a été copiée avec un niveau de précision conforme aux tolérances du fabricant, il sera impossible de déterminer de manière probante qu’une entrée non autorisée a eu lieu.
En plus de ces formes d’attaque, la serrure doit également avoir un nombre minimum acceptable de combinaisons de clés taillées différemment.
ys à sa disposition, dont une seule sera capable de l’ouvrir (c’est ce que l’on appelle la quantité de clé diffère que possède la serrure). Pour un mécanisme de ce type, on considère généralement que le nombre théorique de différences minimales est supérieur à 5000.
Ce nombre est très théorique et est obtenu en multipliant les différentes hauteurs de goupilles disponibles par le nombre de chambres de goupilles disponibles, donc avec 10 hauteurs de goupilles différentes disponibles et 5 chambres disponibles -104 = 10,000. Cependant, certaines combinaisons de coupes ne sont pas souhaitables, comme une combinaison de profondeur de 1,2,3,4,5 dans cet ordre, car il est possible que la clé puisse être retirée lorsque le bouchon de la serrure n’est pas dans sa position initiale.
Mais la limitation la plus importante, et de loin, du nombre de différences de clés disponibles est connue sous le nom de MACS. Il s’agit d’un acronyme industriel pour Maximum Adjacent Cut Specification, directement lié au pas entre les chambres de goupilles voisines.
Dans l’image de droite, on peut voir deux clés, chacune d’entre elles (pour plus de clarté) ayant une seule goupille représentative de longueur identique positionnée à sa hauteur correcte au-dessus de la deuxième entaille de la clé. La plus haute des deux clavettes soutient cette goupille à la hauteur correcte pour former une ligne de cisaillement, mais la clavette inférieure en est incapable, car la troisième entaille de cette clavette est si profonde (et donc large) qu’elle a enlevé trop de matériau de soutien des positions de goupilles voisines.
Donc, en théorie, un pas beaucoup plus large entre les chambres de goupilles permettrait environ 10 000 différences de clés, mais la réalité est que les contraintes de profondeur en termes de serrures et de portes existantes imposent souvent la longueur totale du cylindre.
Par conséquent, un MACS d’au moins 5 est tout à fait acceptable, de sorte que si la goupille d’une chambre donnée a (par exemple) une longueur de 2, la goupille de l’une ou l’autre chambre adjacente peut avoir au maximum une longueur de 7.
Cela nous ramène à environ 5 000 différences de clés. En théorie, cela signifie que nous n’aurons ce que l’industrie appelle un « croisement de clés » qu’une fois sur 5 000 serrures, ce qui signifie que si 5001 personnes portent une clé du même type et du même profil, deux clés fonctionneront dans la même serrure (en théorie…).
Protection contre les attaques par force brute
La méthode la plus courante d’attaque par force brute d’un mécanisme de serrure est l’utilisation d’une perceuse.
Pour clarifier ce point, cela signifie que la plupart des serruriers utiliseront une perceuse pour forcer la serrure – les criminels ont tendance à ne pas utiliser de forme de finesse relative et cibleront simplement le point le plus faible. Si cela nécessite un coup de pied sur la porte, qu’il en soit ainsi, mais ce n’est pas pertinent pour cet article.
Il est également important de garder à l’esprit que les serruriers sont extrêmement importants pour la perception d’une serrure particulière, car non seulement ils spécifient les niveaux de sécurité à leurs clients, mais ils gardent également en stock les fournisseurs préférés, et en tant que concepteur de serrure, vous aimeriez que votre marque soit recommandée.
Dans la Fig.10, vous pouvez voir que le cylindre de l’échantillon serait fixé au corps de la serrure par deux vis à l’arrière.
La Fig.11 est une vue en fil de fer du cylindre montrant comment une perceuse peut être utilisée pour retirer ces vis.
Pour prévenir ce type d’attaque, des goupilles trempées peuvent être insérées à des endroits stratégiques pour dissuader et dévier une telle attaque.
La Fig.12 montre deux de ces goupilles durcies insérées dans le cylindre.
Pour la fabrication, cela nécessite un déplacement axial pour percer ces trous de goupilles, mais cela peut être réalisé sur un tour CNC ou un centre d’usinage à entraînement multi-axes.
Un problème de production plus important est que le diamètre des broches trempées dans la Fig.12 est plus grand que celui des autres chambres de broches, et cela nécessiterait un changement d’outil, ce qui prend plus de temps à réaliser.
Une autre méthode courante d’attaque du foret consiste à utiliser le foret pour créer une ligne de cisaillement artificielle, comme dans la Fig.13..
Cela a pour effet de couper les goupilles entre le bouchon et le corps, comme le montre la figure 14, ce qui permet au bouchon de tourner à l’aide d’un tournevis ou d’un autre outil similaire lorsque la perceuse est retirée.
Pour éviter que cela ne se produise, il existe plusieurs options, notamment l’utilisation d’un entraîneur en acier trempé dans la première chambre. Celui-ci tournerait sous l’effet de la pression et, si tout va bien, appliquerait un déplacement suffisant au trépan pour le faire dévier au point que la goupille en acier trempé « attrape » le trépan et le casse.
Une option moins coûteuse consisterait à insérer deux roulements à billes standard, comme dans la figure 15. Ceux-ci tourneront librement, celui du bas restant à la même hauteur (étant retenu par la profondeur de la chambre d’obturation), déviant le foret, tandis que celui du haut sera actionné par le ressort, le forçant de manière répétée à descendre dans les cannelures du foret, endommageant ainsi le foret et l’attrapant, espérons-le, au point que le foret se brise dans le trou ; l’attaquant devra alors utiliser un autre foret pour tenter de percer les restes de son premier foret, qui est de la même dureté.
L’inconvénient de cet arrangement bon marché est que le cylindre perd maintenant une partie des différences potentielles de la clé à travers le rayon des billes et a également une deuxième ligne de cisaillement lâche entre la bille inférieure et l’axe.
Dans Lock Design Masterclass – Partie 2: La prévention des attaques par effraction, les questions de tolérance, le problème des ressorts et comment une conception intelligente peut » verrouiller » un client – sans jeu de mots.
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