非直线型弯曲螺旋压缩弹簧结构设计

　　这类弯曲形态的螺旋弹簧，和常规直线圆柱螺旋弹簧的应用场景有明显区别，多数用在安装空间存在弧形避让、施力方向需要随安装路径转向的机电设备内部，比如小型电源变压器的引脚缓冲结构、手持电动工具的内部减震支撑、消费电子翻盖结构的扭力补偿位，还有部分狭小舱体内的电气触点预紧结构，都能看到这类异形螺旋弹簧的应用。常规直线弹簧只能沿自身轴向提供直线方向的弹力，遇到需要沿弧形路径布置、弹力方向需要随安装位弯折的场景，直线弹簧要么会出现侧向失稳，要么会和周边结构件发生运动干涉，根本没法满足使用要求，这时候弯曲形态的螺旋弹簧就成了更合适的选择。

　　从功能特性来看，这类弯曲弹簧保留了圆柱螺旋弹簧的基础性能，也就是依靠簧丝的扭转变形储存和释放弹性势能，同时因为整体簧圈沿弧形中心线排布，它可以在弯曲的路径上提供连续的弹性支撑力，不会像直线弹簧弯折使用那样出现局部应力集中、簧圈挤压卡滞的问题。在实际选型应用的时候，首先要确认的是弹簧的中心线弯曲半径，这个参数直接决定了弹簧能不能顺利安装到预设的弧形槽位里，如果弯曲半径和安装位的弧形路径不匹配，装进去之后弹簧会出现预应力不均的问题，部分簧圈间隙过小，工作过程中很容易出现簧圈之间的摩擦磨损，大幅缩短使用寿命。

　　设计这类弹簧的时候，首先要确定的是安装边界的整体轮廓，先根据设备内部预留的安装空间，画出弹簧中心线的弯曲轨迹，这个轨迹不能出现过小的弯折角，否则对应位置的簧丝曲率变化太剧烈，热处理之后很容易出现应力裂纹。簧丝直径的选择和常规压缩弹簧的计算逻辑一致，要根据需要提供的工作弹力、允许的最大压缩量来核算，不过因为整体是弯曲形态，计算刚度的时候不能直接套用直线圆柱弹簧的刚度公式，要把弯曲段的曲率影响考虑进去，通常相同簧丝直径、相同簧圈中径、相同有效圈数的弯曲弹簧，整体刚度会比直线弹簧低10%到18%，具体数值要根据中心线的弯曲半径调整，弯曲半径越小，刚度下降越明显。

　　外形尺寸方面，除了常规的簧圈中径、簧丝直径、有效圈数之外，还要重点核对两个安装端面的相对位置和角度，因为弹簧整体是弯曲的，两个端面的中心距、端面夹角直接决定了能不能和两端的安装定位槽精准配合，如果端面角度偏差超过2度，安装之后弹簧就会出现翘曲，工作过程中会产生额外的侧向力，不仅会让弹力输出偏离设计值，还会磨损周边的结构件。安装的时候，这类弹簧多数是放置在预设的弧形导向槽内，导向槽的内径要比弹簧外径大0.3到0.5毫米，间隙太小的话弹簧压缩变形的时候会和槽壁发生摩擦，增加运动阻力，间隙太大的话弹簧工作过程中容易出现移位，偏离预设的施力方向。

　　建模的时候要注意，簧圈沿弯曲中心线扫掠的时候，要保证每个位置的簧圈截面都和中心线垂直，不然会出现簧圈疏密不均的问题，实际生产出来的弹簧就会出现局部圈距过小、并圈的问题。另外还要注意两端并紧磨平段的处理，弯曲弹簧的并紧段不能太长，一般控制在1圈到1.5圈就足够，太长的话并紧段会改变弹簧端部的弯曲角度，导致安装定位不准。在实际应用中，这类弹簧的表面处理多数采用镀锌或者钝化处理，部分有耐腐蚀要求的场景会采用不锈钢簧丝制作，不需要额外做表面涂层，避免涂层厚度影响弹簧的外径尺寸，导致安装卡滞。

　　很多结构设计人员在初次接触这类弹簧的时候，容易直接把直线弹簧掰弯来凑安装位置，这种做法是完全不可取的，直线弹簧的簧丝是按直线中心线卷制的，强行掰弯之后，弯曲内侧的簧圈会被挤压，外侧的簧圈会被拉开，不仅弹力完全达不到设计要求，工作几次之后内侧的簧丝就会因为应力超过屈服极限出现永久变形，直接失效。而专门设计的弯曲弹簧，在卷制的时候就是沿弯曲的芯轴卷绕成型，每个位置的簧丝预应力都是均匀的，热处理之后整体的应力分布一致，长期工作也不会出现局部变形的问题。在做结构校核的时候，除了常规的疲劳强度校核，还要重点核对弯曲段内侧的簧丝应力，因为这个位置的簧丝除了承受压缩变形带来的扭转应力，还要承受整体弯曲带来的附加弯曲应力，这个位置的安全系数要比直线段的簧丝高15%左右，才能保证长期工作的可靠性。