带旋转挂钩结构的拉伸弹簧设计

　　做了快十年结构设计，这类带旋转钩的拉伸弹簧其实在很多工装、小型设备里出镜率特别高，很多新手建模的时候容易忽略挂钩的旋转自由度设计，最后装上去要么卡滞要么弹簧受力偏斜，用不了多久就断在钩根位置。先说说实际用的场景，我之前做小型输送线的张紧机构、工装夹具的复位结构、还有小型通讯设备的翻盖回弹结构，都用过类似结构的弹簧，相比闭口吊环的拉伸弹簧，这种带旋转钩的最大好处就是安装的时候不用硬掰弹簧本体去对安装孔位，挂钩自身可以绕弹簧轴线小范围转动，能抵消安装座两个挂点之间的角度偏差，不会让弹簧在自由状态下就承受附加的扭转应力，这点对弹簧的疲劳寿命影响特别大。

　　从功能特性来说，这类弹簧属于圆柱螺旋拉伸弹簧的衍生结构，两端的挂钩是和端部簧圈一体绕制的，不是后期焊接上去的，焊接的挂钩受交变载荷的时候很容易在焊缝位置开裂，一体绕制的结构能保证力流从簧圈到挂钩是连续过渡的，应力集中系数比焊接结构低40%左右。挂钩的弯折位置做了圆弧过渡，没有直角切口，我之前测过同规格的弹簧，直角弯折的钩部在10万次循环载荷下就会出现微裂纹，而圆弧过渡的结构能做到50万次以上才出现疲劳损伤，这个细节很多建模的时候容易随便倒个角应付，实际生产的时候弯折半径必须大于钢丝直径的1.5倍，不然冷绕的时候钢丝表层会出现微裂纹，热处理之后裂纹扩展直接就断了。

　　设计的时候首先要确定的是有效圈数，很多人会把两端的支撑圈算进有效圈数里，其实拉伸弹簧的有效圈数是两端挂钩根部之间的密绕圈数，支撑圈是和相邻簧圈并紧的，不参与变形，算刚度的时候如果把支撑圈算进去，算出来的刚度会比实际值偏小，装上去之后张紧力不够，机构复位不到位。然后是弹簧的中径，这个参数直接决定了安装的时候弹簧能不能放进预留的安装腔里，我一般设计的时候会给弹簧外径留至少2mm的间隙，避免弹簧受拉伸长的时候外径收缩不均，和腔壁发生摩擦，时间长了簧圈表面磨损，钢丝直径变细，刚度下降还容易断。

　　再说说安装边界的问题，两端挂钩的挂孔直径要比挂钩的钢丝直径大0.5-1mm，间隙太小的话挂钩转动的时候会卡滞，失去旋转补偿的作用，间隙太大的话设备运行的时候挂钩会在挂孔里窜动，产生异响还会磨损挂孔内壁。弹簧的自由长度要比两个挂点之间的最小安装距离短5%-10%，保证安装之后弹簧有初始预拉力，不会在设备空载的时候松脱晃荡，预拉力的取值一般是最大工作载荷的10%-15%，预拉力太大的话安装的时候特别费劲，甚至会把安装座的挂点拉变形，预拉力太小的话弹簧容易松脱。

　　建模的时候要注意簧圈的节距，密绕的拉伸弹簧在自由状态下簧圈之间是有一定贴紧力的，不是刚好挨在一起没有作用力，这个贴紧力就是预拉力的来源，建模的时候如果把簧圈做成刚好零间隙接触，做有限元分析的时候就会发现初始状态下弹簧没有预紧力，和实际工况差很多。两端的挂钩旋转角度不要设计成固定角度，要留一定的转动余量，一般来说±15度的转动范围就能覆盖绝大多数安装场景的角度偏差，不用刻意做限位结构，靠簧圈端部和挂钩根部的接触自然限位就行，额外加限位结构反而会增加应力集中。

　　还有个容易忽略的点是弹簧的旋向，很多人觉得拉伸弹簧旋向不影响使用，其实如果弹簧是套在导杆上使用的话，旋向要和导杆上如果有的螺纹旋向相反，不然弹簧伸缩的时候会顺着螺纹转，把挂钩拧变形。如果没有导杆的话，旋向倒是影响不大，但两端挂钩的弯折方向要在同一个平面内，不然安装之后弹簧会被扭着，附加的扭转应力会让弹簧的疲劳寿命直接打对折。我之前有个徒弟设计的时候没注意这个，两端挂钩差了30度角，装上去之后弹簧用了不到一周就断了，拆下来看断口就在钩根位置，典型的扭转疲劳断裂。

　　实际选型的时候还要考虑工作环境，如果是在有腐蚀的环境里用，钢丝材质要选不锈钢的，如果是普通室内工况，选碳素弹簧钢丝就行，成本低强度也够。挂钩的端部要做倒圆处理，不要有锋利的切口，不然安装的时候容易划手，还会应力集中。弹簧的端部并紧圈一般是1圈到1.5圈，太多的话会浪费材料，还会减少有效圈数，太少的话挂钩和簧圈的连接强度不够，受大载荷的时候挂钩会被拉直甚至从簧圈上脱开。

　　很多新手做这类弹簧模型的时候，会直接用软件里的螺旋线扫掠，然后直接把端部弯成钩子，忽略了簧圈到挂钩的过渡段，这个过渡段是螺旋线慢慢变直的过程，不是突然折成直角，过渡段的曲率要连续变化，不然生产的时候绕簧机没法加工，就算做出来那个位置的残余应力也特别大，很容易断。我一般建模的时候会在螺旋线的端点接一段曲率连续的样条曲线，慢慢过渡到挂钩的直线段，这样扫掠出来的实体过渡顺滑，和实际生产出来的零件一致，做有限元分析的时候结果也更准确，不会在过渡位置出现假的应力集中点。

　　另外安装的时候两个挂点的同轴度也要控制，虽然旋转挂钩能补偿一定的角度偏差，但如果两个挂点的同轴度差太多，超过了挂钩的转动补偿范围，弹簧还是会承受偏载，时间长了簧圈会出现偏磨，局部应力过大断裂。一般来说两个挂点的同轴度误差不要超过2mm，角度偏差不要超过10度，这样配合旋转挂钩的补偿能力，弹簧就能在比较理想的受力状态下工作。