变径螺旋压缩弹簧结构设计

　　做机械结构设计快十二年，经手的弹性元件少说有上百种，变径弹簧是其中最容易被新手忽略细节的一类，很多人以为只要画好螺旋线扫掠就完事，真到装配调试的时候才发现刚度不对、安装卡滞、行程不够一堆问题。这次做的这款变径弹簧，最初是给某款小型位移传感器的复位机构做配套，当时客户提的要求很明确：安装空间轴向长度只有42mm，径向最大允许外径18mm，最小端内径要套过直径6mm的导向杆，工作行程12mm，全压缩状态下不能出现并圈挤伤导向杆的情况，同时复位力要在行程末端达到12N，起始预紧力不低于2N。

　　一开始我先按等径弹簧算参数，算出来线径要1.2mm，中径12mm，有效圈数8圈，结果画完装配发现全压缩时长度是9.6mm，加上两端磨平的支撑圈总压并长度12mm，虽然行程够，但等径弹簧套在导向杆上，工作时因为传感器测头是偏载受力，弹簧容易出现歪斜卡滞，反复测试了三次都有卡滞导致的复位延迟问题，后来才想到改两端收小的变径结构。

　　设计的时候特意把两端的圈径做了收窄，小端中径7mm，刚好和6mm的导向杆留0.5mm的间隙，既不会因为间隙太大晃荡，也不会因为间隙太小在弹簧倾斜的时候刮蹭杆体；中间段的中径放大到15mm，这样在相同线径下，中间段的刚度更低，受力时变形先从中间段开始，两端的小圈因为刚度更大，会始终贴紧安装座和测头端面，不会出现端圈翘起的问题。线径最终选的1.1mm的碳素弹簧钢丝，算下来有效圈数是7.5圈，两端各留1圈的支撑圈，端部做了3/4圈的磨平处理，磨平角度和安装座的沉台匹配，保证装配后弹簧的垂直度在0.2mm以内，不会出现偏磨。

　　建模的时候没直接用软件自带的螺旋线命令一步生成，那样做出来的变径过渡段圈径变化太突兀，应力集中很明显，反复加载几次过渡位置就容易断。我是先画了三段螺旋线，两端小直径段各1.5圈，中间大直径段4.5圈，然后在大小径衔接的位置做了样条曲线过渡，把螺旋线的半径做线性渐变，过渡段各占0.75圈，扫掠出来的簧丝在过渡位置没有硬折角，后续做有限元分析的时候，过渡位置的最大应力比直接突变的结构低了37%，完全满足10万次疲劳寿命的要求。

　　实际应用里这种变径弹簧比等径弹簧的适用场景要广很多，除了传感器复位，很多小型气动阀的复位、精密夹具的缓冲、电子设备的按键回弹都能用，尤其是安装空间受限、同时有导向结构的场合，两端收小的结构能省掉专门的弹簧座，直接靠导向杆定位就行，能压缩不少轴向和径向的安装空间。要注意的是安装的时候两端的支撑圈必须贴实安装面，不能有悬空，不然受力时端圈会变形，刚度会比设计值小很多；另外导向杆的表面粗糙度最好做到Ra1.6以下，太粗糙的话会磨坏簧丝表面的镀层，时间长了容易锈蚀断裂。

　　之前有个同行做类似结构的时候，把变径的方向搞反了，大端在导向杆侧，小端在活动侧，结果工作的时候小端晃得厉害，噪音很大，还磨坏了活动端的塑料件，后来调整了大小端的位置，把小端套在导向杆上，问题立刻就解决了。还有个容易踩的坑是压并长度的计算，变径弹簧的压并长度不是简单的线径乘总圈数，因为大小圈是嵌套压合的，大圈的间隙能容纳小圈的线径，实际压并长度比等径同参数的弹簧短20%左右，建模的时候一定要做干涉检查，把弹簧压到全压缩状态，看每一圈簧丝之间有没有0.1mm以上的间隙，不能出现硬干涉，不然实际压并的时候会把簧丝挤变形，刚度直接就变了。

　　这款弹簧的外形尺寸我特意留了安装余量，最大外径17.2mm，比安装孔的18mm小0.8mm，就算弹簧受力出现轻微的径向膨胀，也不会蹭到安装孔壁；两端小端的内径6.2mm，和导向杆的配合间隙均匀，装配的时候不用刻意找正，顺着导向杆放进去就能到位，对一线装配工人很友好，不用额外做工装定位。之前做过一款间隙留0.2mm的弹簧，加工的时候簧丝直径有0.05mm的公差，结果装配的时候卡导向杆，工人装的时候硬敲，把端圈敲变形了，后来返修花了不少时间，这次特意把间隙留到0.2mm以上，兼顾加工公差和装配便利性，试装了五十件都没出现卡滞问题。