变径螺旋压缩弹簧结构设计

　　这类变径螺旋压缩弹簧在日常设备结构里的应用场景远比普通等径弹簧宽泛，很多人做结构选型时容易忽略变径簧的特性，总拿等径簧的参数硬套，最后装机要么出现并圈卡死，要么行程不够，要么侧向失稳蹭到安装腔内壁。先从实际安装边界说起，这类弹簧的两端支撑圈做了并紧磨平处理，安装时两端的贴合面平面度公差要控制在0.1mm以内，不然受压时会出现偏载，长期循环载荷下容易在有效圈和支撑圈的过渡位置产生疲劳裂纹。两端的小径端是直接卡入安装座的定位凸台的，不需要额外做径向固定，凸台的外径要比弹簧端部内径小0.2-0.3mm，预留受热膨胀的间隙，避免工作时弹簧升温膨胀卡在凸台上无法正常回弹。

　　从功能特性上看，中间段大径、两端逐渐收窄的结构，刚好解决了普通等径弹簧在大行程压缩下容易出现侧向弯曲的问题，当压缩量逐渐增大时，两端的小圈会逐渐依次并紧，刚度会随着压缩行程的增加呈现非线性上升的特性，这种变刚度的特性特别适合用在需要缓冲限位的位置，比如小型通讯设备的按键复位结构、手持工具的减震握把结构、小型机柜的门体缓冲结构，刚开始按压的时候刚度低，手感柔和，压到接近行程末端时刚度快速上升，起到硬限位的作用，不会因为按压过载把内部结构撞坏。

　　设计这类弹簧的时候，首先要确定的是工作行程和预压量，预压量一般取总行程的10%-15%，保证初始状态下弹簧不会因为设备振动出现松脱异响。有效圈数的选择要结合刚度要求计算，钢丝直径的选取要匹配循环载荷的寿命要求，如果是用于10万次以上循环的工况，钢丝要选用淬回火的弹簧钢丝，表面做喷丸处理，提升表面压应力，降低疲劳断裂的风险。螺旋升角一般控制在5度到9度之间，升角太大的话弹簧受压时容易产生扭转力矩，带动连接的部件出现偏转，升角太小则会导致相邻圈的间隙过小，工作时容易出现圈与圈的摩擦磨损，产生异响还会影响刚度稳定性。

　　很多新手建模的时候容易犯的错误是直接用螺旋线扫掠出等径结构，忘了两端收窄段的螺旋线半径要做线性过渡，而且过渡段的螺距要和中间有效段保持一致，不然扫掠出来的钢丝会出现粗细不均的问题，还有支撑圈的并紧位置，要保证最后一圈和相邻圈的间隙为0，磨平后的端部厚度是钢丝直径的1/4左右，不能磨得太薄，不然端部支撑强度不够，受压时容易出现卷边变形。安装的时候要注意，弹簧的外侧和安装腔内壁的间隙要留够，单边至少留1mm的间隙，因为弹簧受压时直径会有轻微的胀大，尤其是中间大径段，胀大量大概是外径的2%左右，如果间隙留小了，工作时弹簧外壁蹭到腔壁，会增大摩擦阻力，导致回弹不到位，时间长了还会把外壁的镀层磨掉，出现锈蚀问题。

　　在不同的应用场景下，对弹簧的表面处理要求也不一样，如果是用在户外潮湿环境的设备上，要做电泳或者镀锌钝化处理，盐雾测试要达到48小时以上不出现红锈；如果是用在消费电子类的手持设备上，表面可以做喷塑或者镀镍处理，触感光滑不会划手，也不会因为长期手汗出现锈蚀；如果是用在高温工况的设备附近，要选用耐高温的合金弹簧钢丝，表面做氧化处理，不能用普通的镀锌层，不然高温下镀层会脱落失效。另外做结构校验的时候，不能只算静刚度，还要做疲劳寿命校核，尤其是承受交变载荷的位置，要保证最大工作应力低于材料的疲劳极限，避免短期使用就出现断裂失效。