CN102472343B - 弹簧和弹簧组件 - Google Patents

Abstract

公开了基于自多个个体的弹性臂形成的弹簧的不同布置，其包括弹簧，该弹簧具有在无载状态下的实质上平面的形式并且具有围绕垂直于弹簧的平面的对称轴的至少2阶旋转对称，所述弹簧包括：内毂和外毂，所述内毂相对于所述外毂是径向向内的；多个弹性连接臂，每个弹性连接臂在内端处连接到所述内毂并且在外端处连接到所述外毂，所述多个弹性连接臂被构型成在所述内毂和所述外毂相对于彼此沿着所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力；其中所述内毂、所述外毂和所述多个弹性连接臂中的每个弹性连接臂被形成为实际上独立的元件并且在组装期间被连接到彼此以形成所述弹簧。

Description

弹簧和弹簧组件

背景技术

现今热力学机械的效率和寿命是通过润滑剂的使用而实现的。存在一些材料其能够在运动部件之间以低摩擦和少磨损来传送很大的力。

存在常规润滑剂诸如油的使用能够导致问题的许多应用。例如，在斯特灵循环低温冷却器（Stirling cycle cryo-cooler）中存在活塞/汽缸组件。如果其由常规的曲柄机械驱动，则润滑剂的使用被高度地期望为用于实现长的寿命和好的效率。然而，冷却器系统也包括可以在如100K或更低的低温下操作的热交换器。如果油被允许从活塞/汽缸区域移动到低温热交换器，则油会趋于凝固并随着产生的性能的损失而阻碍热交换器通道。

已发展的用于避免该问题的技术完全地省却曲柄机械并替代地采用完全地线性构型。与曲柄机械相关的大的侧向负载被避免并且使无油操作变得可能。这一系统的典型部件是：线性悬吊系统，其使用挠曲件（flexure）来限定准确的线性运动；活塞/汽缸组件，其中活塞通过悬吊系统被引导以使在汽缸内保持恒定的空隙；和线性转换器，其附接于运动部件，允许动力被传输进出运动组件。

该技术已被成功地用于空间应用的冷却系统并且在其它的期望无油操作的应用中已越来越受关注。

典型的线性悬吊系统由两组挠曲件组成。两组挠曲件是能够通过挠曲即通过弹性变形来提供相对运动的部件。挠曲去除了对接触表面之间的运动的需要，并且消除了摩擦或磨损的可能性。挠曲件一般由薄金属片诸如不锈钢制成。

已被广泛地使用的挠曲件的设计通常被称为螺旋弹簧。两个实例100和300在图1到图4中图示出。

螺旋弹簧由薄的平盘材料形成。盘被加工成产生两个或更多的旋转对称弯曲的挠曲臂101/301，挠曲臂101/301使内附接区域102/302连接到在外围处的外附接区域104/304。

图1和图2中，内附接区域102和外附接区域（夹紧区域）104分别为环形物的形式。图1示出弹簧100的型面。图2示出作为阴影区的夹紧区域102/104。图3和图4示出可选的布置300，其中内附接区域302和外附接区域304分别为更复杂的形状。在该情形下，外夹紧区域304是许多分离开的垫。图3示出弹簧300的型面，且图4示出作为阴影区的夹紧区域302/304。在两种设计中，弹簧100/300是由单件构建的。

内附接区域102/302和外附接区域104/304之间的轴向运动引起弹性连接臂101/301挠曲，并且倘若材料不屈服（yield）则该运动便是可逆的且可重复的。

单个弹簧在弹簧的平面内围绕轴线具有差的扭转刚度。然而如果两个或更多弹簧被对齐并连接形成两个轴向分离的组，则扭转刚度被大幅增加。完整的组件于是可以作为一种类型的线性轴承来操作，其中运动完全地通过弹性连接臂的挠曲来进行并且磨损/摩擦过程被消除。弹性连接臂被定型成使对于给定挠曲（deflection）的最大应力最小化。倘若应力不足以高到使材料疲劳，则弹簧可以具有非常长的寿命——原则上如果不遭受磨蚀或腐蚀，则寿命可以是无限的。

这样的组件500的实例在图5中示出。在该实例中，存在两组通过内毂和外毂连接的两个弹簧508A/508B/510A/510B。在弹簧508/510的每组内，个体弹簧508A/508B和510A/510B均被垫片512分离开。垫片512被用于阻止相邻弹簧之间的接触，因为这种接触能够导致磨蚀和过早失效。完整组件500的轴向刚度能够通过增加弹簧的数量而被增加，但是一般期望通过将个体弹簧制作得尽可能的刚硬来限制数量。

通过螺旋弹簧悬吊系统限定的线性运动是弹簧几何构型的旋转对称的结果。线性运动的准确性因此被实际获得的几何构型的准确性限制。这继而由弹簧的制造和弹簧被夹紧的准确性两者决定。夹紧力的位置为弹性连接臂挠曲设定边界条件并且其也需要具有准确的旋转对称。

现有的弹簧设计中，弹簧几何构型的准确性通过使弹簧作为单个部件而被确保。弹性连接臂型面于是都在相同时间被加工并且准确性主要受加工过程的限制。已广泛使用的加工过程是被称为光蚀刻（photo-etching）的化学过程。

夹紧力被定位的准确性一般根据与紧固件一起使用的标准工程公差来设置。例如，如果弹簧用M3螺丝来夹紧则空隙孔的直径通常为3.2mm，给出+/-0.1mm的位置误差。虽然该精密度水平不是非常高，但是经验已表明其对于很多应用足够适用。

对于在压缩机应用中的挠曲轴承（flexure bearing），通常存在达到（或超过）对于特定的包络（envelope）和操作频率的冲程、径向刚度和轴向刚度的最小值的需要。

径向刚度一般需要在实质上高于轴向刚度，并且这通过将最小弹性连接臂宽度布置成比弹簧厚度大若干倍而实现。例如，对于2mm厚度和0.25mm弹簧厚度，纵横比为8。刚度的比大致地与纵横比的立方成比例，并且这会造成～500的刚度比。

压缩机寿命中的挠曲循环的总数非常高（通常>109），所以挠曲明显地遭受疲劳并且这在设计中必须被考虑。

冲程和刚度需要一般造成冲突的需求。例如降低弹簧的厚度会降低对给定挠曲的弹性连接臂中的应力，并且会允许对于给定最大应力水平的更大的冲程。然而，降低厚度也会降低轴向和径向刚度值。设计螺旋弹簧的主要的挑战之一是获得对于给定包络（即垂直于位移轴的弹簧横截面的尺寸/形状）的刚度和冲程两者的高值。总的来说，这也就是说在具有平均应力分布的设计中使用具有高疲劳强度的材料，平均应力分布对于避免局部应力集中是尤其重要的。

有限元件应力分析软件已被成功地用于改进螺旋弹簧设计。当通常不可能达到完全一致的应力分布时，局部峰值能够被降低，产生显著更好的性能。

部件预期失效处的应力不是单一值的，但是能通过之前的应力历史被确定，因为失效可以缘于损害的累积。工程中的尤其重要的情形是，部件应力在很多循环期间是变化的。这类应力状况被称为疲劳，并且一般发现失效发生处的应力随着循环数的增加而减少。不同材料在遭受循环应力时展示出不同的表现。对于一些材料，强度随循环数的增加持续下降。对于其它的材料，发现强度减少到一定的值之后保持恒定。展现后者的表现的材料被称具有疲劳极限并且相关的最小强度被称为疲劳强度。在疲劳是显著的应用中，展现出疲劳极限的材料是优选的。铁合金一般展示出高的疲劳极限并且这些是最通常使用的。对一些材料，在材料的疲劳强度和硬度（和屈服强度）之间存在相互关系；具有高疲劳强度的材料通常非常硬。

已发展出特殊等级的不锈钢，以用于其中抗疲劳性是主要需要的压缩机阀门应用。这些合金具有非常高的疲劳强度、好的抗腐蚀性并且可以以平片形式得到。它们不昂贵，它们非常适合螺旋弹簧应用并且已被用于广泛地使用。这样的合金的实例是Sandvik的“Hiflex”。

在已完成的部件中获得高疲劳强度可能是困难的。选择材料明显地是重要的，因为它决定可以获得的最大疲劳强度。同等重要的是制造过程的考虑，因为其可能具有很大的影响。

材料的名义疲劳强度是设定为可能在遭受疲劳的部件中的任何处发生的最大峰应力值的值。部件几何构型或表面光洁度的特征能够提高局部峰值，该值显著高于可能被计算的平均应力。这样的特征被称为应力集中源（stress raiser），是非常不利的并且能够引起在低平均应力值下失效。例如遭受循环拉伸应力的表面中的裂缝可以导致在远低于基于平均应力的疲劳值下的过早失效。

加工过程一般通过在表面中留下裂缝或通过局部加热合金并改变其韧性来降低材料的疲劳特性。诸如“超精加工（super-finishing）”的过程已被发展，其能够移去加工之后的表面的损害，引起疲劳性能的很大提高。

在螺旋弹簧的制造中，期望找到允许材料的全部疲劳强度被利用的加工和精加工过程的结合。在现有的设计中，螺旋臂通常由材料中的细狭槽界定，并且峰应力发生区通常沿着这些狭槽的侧面和端部。单件设计不允许精加工过程的有效使用，这是因为沿着受高应力的螺旋臂的边缘不能接近该过程中使用的媒介。这将加工过程的选择限制为在没有这样的精加工过程时留下可用的表面光洁度的那些。

弹簧型面的光蚀刻一直是已被广泛使用的加工过程。它能够产生表现出合理的好的抗疲劳性的高质量加工部件，但其具有非常显著的缺点，原因在于质量控制不是很简单、产量可能很低并且涉及的化学过程可能引起蚀刻表面上微裂缝的形成。

现有弹簧设计的制造成本相当高，这是因为光蚀刻不是低成本的制造过程并且其基础成本在考虑到质量控制和低产量时显著增加。

总之，以上描述的已有技术中，准确的弹簧几何构型的获得是通过使弹簧作为单个部件来加工而实现。虽然该方式被视为从产生所需要的准确性的角度是优越的，但是其显著地限制了可以被使用的加工和精加工过程。最终，其产生了相对昂贵并且没有充分利用材料特性的弹簧。本发明设法解决已有技术的至少一些不足。

发明内容

根据本发明的方面，提供一种弹簧，其具有在无载状态下的实质上平面的形式并且具有围绕垂直于弹簧的平面的对称轴的至少2阶旋转对称，所述弹簧包括：内毂和外毂，所述内毂相对于所述外毂是径向向内的；多个弹性连接臂，每个弹性连接臂经由内平面附接区在内端处连接于所述内毂并且经由外平面附接区在外端处连接于所述外毂，所述内平面附接区和所述外平面附接区的平面垂直于所述对称轴，所述多个弹性连接臂被构型成在所述内毂和外毂沿所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力；其中所述内毂、所述外毂和所述多个弹性连接臂中的每个弹性连接臂被形成为实际上独立的元件并且在组装期间连接到彼此以形成所述弹簧。

因此，与内毂和外毂彼此一体形成的单件螺旋弹簧相比，根据本公开内容的内毂和外毂经由独立的弹性连接臂而连接到彼此。弹簧通过将内毂和外毂与弹性连接臂对齐并且将其经由内平面附接区和外平面附接区紧固在一起而被组装。该过程能够通过在毂和连接臂中提供的定位特征部促进。

就毂和连接臂作为个体项被制造并且每个都具有界定其范围的可识别的外部表面的意义而言，毂和连接臂均是实际上独立的。当其开始互相接触时，一般会具有在其之间的可识别的界面（例如表明组成、结构和/或晶格取向的不连续）。当其连接在一起时，在两个元件的材料之间可能存在一定程度的混合。例如，点焊、软焊和/或某种粘合可以引起这样的混合，但是仍然会存在表明一个元件结束和下一个元件开始所处的部位的界面。至于点焊，两个界面的一些熔化和混合可能发生，但是这是局部的并且不破坏元件之间的界面，也不以其它形式造成不能将一个元件从另一元件区分出（即确定两个元件已被连接在一起而不是形成为单独的整合部件）。至于软焊和粘合，这些不同材料的存在本身会帮助界定分离该元件的界面。在毂和连接臂由单件材料形成的已有技术布置中，相比之下，不存在这样的界面并且毂和连接臂彼此一体形成而不是作为独立的项。

弹簧需要的准确的几何构型可以通过使用毂和连接臂中存在的定位特征部来实现。这样的定位特征部可以是毂和连接臂的弹簧臂功能固有的（即其有助于弹簧提供的回复力）。可选地或附加地，其可以为了对齐的目的而单纯地被添加。

在一些情形中，紧固装置不可以被轻易地移去，如涉及软焊、锻接或粘合过程的方法的地方。在这些情形中，组装可能仅发生一次并且部件不能被分解用于反复使用。

在紧固装置能够被轻易地移去的地方（如使用螺栓或铆钉的地方），部件会从彼此上自动地拆卸或者用最小的作用力是可拆卸的并且对部件没有任何的损害。在部件以这种方式被拆卸之后，其可以被重新组装。组装过程因此可以是可逆的。

总的来说，紧固装置会作用成使内平面附接区和外平面附接区沿着平行于弹簧的对称轴的方向压紧内毂和外毂。

以上已讨论了已有技术的有关制造单件螺旋弹簧的困难。这些包括以下事实，即单件设计不允许很多精加工过程（诸如“超精加工”）的有效使用，这是因为沿着受高应力的螺旋臂的边缘不能接近该过程中使用的媒介。这将加工过程的选择限制为在没有应用这样的精加工过程时留下可用的表面光洁度的那些。这样的加工过程的实例是光蚀刻，但是该技术具有若干缺点，包括品质控制是困难的、产量可能低以及所涉及的化学过程可能在蚀刻的表面中留下微裂缝。

本发明避免了这些问题，这是因为弹性连接臂并不与内毂和外毂一体形成并且可以作为独立的项（即在弹簧组装之前）被处理和精加工。不存在会对精加工过程引起问题的狭窄的间隙或孔隙。确实，本发明能够使用冲压（或精密冲裁）和超精加工的结合而被有效地制造，这与光蚀刻为基础的制造相比可以极大地降低成本。该过程被广泛使用于制造用于冰箱压缩机的低成本的挡板阀（簧片阀），其中高疲劳强度也是重要的需要。冲压对于现有的单件弹簧设计来说不是可行的制造过程，因为所需的用于在（常规硬质）材料中制造细狭槽的模具会非常昂贵并且不耐用。

定位特征部可以被提供用于协助弹性连接臂与内毂和外毂的对齐。其可以包括，例如，弹性连接臂、内毂和外毂中的圆柱形孔，其用于与可插入圆柱形孔内的圆柱形对齐构件配合。该布置便于组装和制造，已表明能够容易地提供优于现有单件螺旋弹簧中达到的对齐水平。圆柱形对齐构件可以在已实现对齐之后被留在孔中以帮助保持对齐或者其可以被移去。

弹性连接臂可以被布置在多个堆叠中，给定的堆叠中的每个弹性连接臂沿着平行于对称轴的方向与在相同堆叠中的所有其它弹性连接臂对齐。该布置允许弹簧的刚度容易地适应于（增加至）特殊应用的需求，而不需要对基础弹性连接臂的任何修改。很多种弹簧能够因此使用可同样的弹性连接臂来制造（组装），因此允许在制造过程中形成显著的规模经济。

定位特征部能够被设置成用于使弹性臂与彼此（在堆叠内）并且相对于内毂和外毂对齐。例如，定位特征部可以包括圆柱形孔和/或狭槽以及相应的圆柱形对齐构件。对于这两个功能，使用该定位特征部的优势在于其最小化定位特征部需要的空间，这在整个包络（弹簧的平面中的横截面区域）待被最小化的情形中可能是重要的。

定位特征部可以包括完全地约束的定位特征部和部分地约束的定位特征部的混合。完全地约束的定位特征部将阻止弹性连接臂的与定位特征部接触的部分在弹簧的平面内的任何运动，并且部分地约束的定位特征部将阻止弹性连接臂的与定位特征部接触的部分在弹簧的平面内的仅沿某种预定方向的运动。例如，部分地约束的定位特征部可以由仅允许沿着预定线的线性运动的狭槽组成。完全地约束的定位特征部和部分地约束的定位特征部的这种结合可以以保证在具有大量弹性连接臂时弹簧以不被过度约束的这种方式来部署。例如，该目的可以通过以下方式来实现：对完全地约束的定位特征部的数量、部分地约束的定位特征部的数量和部分地约束的定位特征部的属性（例如取向）的适当挑选。过度约束会多余地并且不可预见地使弹簧受应力，这能够造成降低的性能和/或过早的失效。

弹性连接臂可以使用多种不同的技术而被紧固到内毂和外毂。例如其可以使用与内毂和外毂中所形成的螺纹孔配合的螺丝来被连接。螺丝头和弹性连接臂之间的接触可以通过夹紧构件或垫圈来完成。

紧固装置也可以被构型成使弹性连接臂与彼此（在堆叠内）和/或与内毂和外毂对齐。例如，紧固装置可以包括具有细长肩部分的螺丝，其与在弹性连接臂中形成的孔的内部圆柱形表面配合和/或与在内毂和外毂中形成的圆柱形孔的非螺纹部分配合。

紧固装置与毂定位特征部和/或堆叠定位特征部的结合降低了必须用于这些特征部的空间，例如，这在弹簧待被最小型化时可能是有用的。缺少独立的定位特征部也意味着存在可用于紧固装置的更多空间。比其它可能的方式更厚的螺丝能够因此被使用，例如，其可以提高可靠性和/或性能。

可选地或附加地，圆柱形管可以被设置用于围绕标准螺丝的螺纹部分的一部分来插入。圆柱形管与弹性连接臂中形成的孔的内部圆柱形表面接合和/或与内毂和外毂中形成的圆柱形孔的非螺纹部分接合以便执行对齐功能，同时螺丝螺纹的自圆柱形管的端部伸出的部分与内毂和外毂内相应的螺纹部分啮合以执行紧固功能。该方式的优势在于，其允许使用非常便宜的标准螺丝，并且圆柱形管能够比具有细长肩部分（其中肩部分的型面和轴向取向待被足够准确地形成）的螺丝更便宜地被制造。

紧固装置可以被构型成以使所述弹性连接臂的每个端经由至少两个固定点而固定到所述内毂和外毂。该布置被发现对支撑在弹簧轴向位移（负载）时引起的旋转力是最有效。

每个弹性连接臂可以被逐渐变细（即“腰状的”）成使得在朝向臂的中部的区中相对于更靠近臂的内端和外端的区更薄。例如，弹性连接臂可以在连接臂的两端处具有大致相同的宽度，并且朝向连接臂的中部持续地变薄。该布置可以帮助在弹簧轴向挠曲（负载）时允许内毂相对于外毂的小量的旋转，使弹性连接臂上的附加应力最小。该布置一般也帮助降低臂中的峰应力并允许臂的有效嵌套。

弹性连接臂的堆叠的数量，或者没有堆叠时的弹性连接臂的数量，可以被设置为比旋转对称的阶更大。换言之，弹性连接臂可以以如下的模式被布置：相比对于所提供的弹性连接臂的数量而言的可能的最大值具有低阶的旋转对称。这为控制弹簧包络（即沿着对称轴观察时的其型面）的形状提供更大的灵活性。例如，型面可以被布置成使得在平面内沿第一方向相对地紧凑并且在平面内沿垂直于第一方向的第二方向相对地细长。这可能允许弹簧在具有相似空间约束的装置或位置中被使用。

此外，外毂可以被构型成由多个连接的或不连接的区段组成。在区段不连接的情况下，每个区段仅附接于最邻近彼此的弹性连接臂的外端。例如，在弹性连接臂被布置成使得弹簧型面沿第一方向为紧凑的并且沿第二垂直方向为细长的情况下，区段可以被布置成使得实质上平行于第一方向地平放。再次，以该方式布置外毂为控制弹簧包络的形状提供了更大的灵活性。

也应注意，在区段不连接的情况下，需要附加的定位特征部来界定弹簧的几何构型。这能够通过更完全地使用弹性连接臂中已经存在的对齐特征部来实现。可选地，在组装过程期间使用固定器来连接区段是可行的。

根据本发明的可选的方面，弹簧组件可以使用被串联地连接在一起的多个根据本发明的弹簧来形成。这样的组件可以容易地被布置成比单个弹簧具有抵抗非轴向挠曲分量的更大的刚度。

根据本发明的又一可选的方面，提供用于根据本发明的实施方案来构建弹簧的工具包（kit），该工具包包括：内毂和外毂，其实际上独立于彼此；多个弹性连接臂，其实际上独立于彼此并独立于所述内毂和外毂，并且在内端处可连接于所述内毂以及在外端处可连接于所述外毂，所述多个弹性连接臂被构型成当被附接时用于在所述内毂和所述外毂沿所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力。

根据本发明的又一可选的方面，提供活塞/汽缸组件，其包括：根据本发明的实施方案的弹簧；连接到所述弹簧的所述内毂和所述外毂中的一个的汽缸；连接到所述弹簧的所述内毂和所述外毂中的另一个并且被构型成在所述汽缸内纵向地移动的活塞；其中：所述弹簧被布置成引导所述活塞在所述汽缸内的相对运动使得在所述活塞和所述汽缸之间保持恒定的空隙。

根据本发明的又一可选的方面，提供制造弹簧的方法，该弹簧具有在无载状态下的实质上平面的形式并且具有围绕垂直于弹簧的平面的对称轴的至少2阶旋转对称，所述方法包括：提供作为实际上独立的元件的内毂、外毂和多个弹性连接臂；布置所述内毂以使相对于所述外毂是径向向内的；使所述多个弹性连接臂中的每个弹性连接臂在内端处连接到所述内毂并且在外端处连接到所述外毂，使得所述多个弹性连接臂在所述内毂和所述外毂沿所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力。

附图说明

现在将仅通过实施例的方式并参考附图来描述本发明的实施方案，在附图中相应的参考标志指示相应的部分，并且其中：

图1描绘根据已有技术的单件螺旋弹簧；

图2示出图1的螺旋弹簧的内区和外区中的夹紧区的位置；

图3描绘可选的单件螺旋弹簧；

图4示出图3的螺旋弹簧的内区和外区中的夹紧区的位置；

图5示出使用轴向分离的螺旋弹簧组的线性轴承组件；

图6示出根据本发明的实施方案的弹簧；

图7示出没有附接的弹性连接臂的图6的弹簧的内毂和外毂；

图8示出弹性连接臂的实例以及相应的垫片和夹紧板的型面；

图9示出包括两个弹性连接臂的弹性连接臂堆叠；

图10示出弹性连接臂堆叠可以怎样被连接并且与内毂或外毂对齐；

图11示出具有降低数量的对齐孔的根据可选的实施方案的弹簧；

图12示出没有附接的弹性连接臂的图11的弹簧的内毂和外毂；

图13图示出使用带肩螺丝来完成将弹性连接臂与其本身和/或与内毂或外毂的紧固和对齐；

图14图示出圆柱形管与螺纹紧固件结合地使用，以用于完成将弹性连接臂与其本身和/或与内毂或外毂的紧固和对齐；

图15描绘采用狭槽形式的完全地约束的定位特征部和部分地约束的定位特征部的结合的实施方案中的内毂和外毂；

图16描绘出在旋转对称阶少于弹性对齐堆叠的数量并且弹簧包络是细长的情况下的弹簧；和

图17描绘出使用根据本发明的实施方案的弹簧的活塞/汽缸的截面图。

具体实施方式

图6示出根据本发明的实施方案的弹簧600的平面图，弹簧600包括许多独立的弹性连接臂614，弹性连接臂614经由垫片和夹具（待被定位在交叉线阴影的“夹紧区域”621中）在内平面附接区和外平面附接区分别附接于内毂616和外毂618。内平面附接区和外平面附接区的平面一般垂直于弹簧的纵向的承重的对称轴。图7示出移除了弹性连接臂614、垫片和夹具的内毂616和外毂618的型面。

图8中示出带有其内平面附接区825和外平面附接区827的个体的弹性连接臂614以及垫片和夹紧板的型面620。

总的来说，弹性连接臂614不被限制为具有特定的型面，而是在所示的实施方案中弹性连接臂614是弯曲的且具有朝向中部逐渐变细（即其是“腰状的”）的型面。曲率允许在挠曲期间在内毂616和外毂618之间发生一定角度的旋转，并且帮助降低弹性连接臂614中的应力。腰状的型面同样地帮助降低峰应力。在该实例中，腰状的型面允许六个弹性连接臂614嵌套在一起，以提供与由单一件螺旋弹簧提供的挠曲连接相似的挠曲连接（例如见图1到图4）。

相似地，垫片和夹紧板的形状620以及内毂和外毂616/618上的夹紧区域621的形状与内平面附接区825和外平面附接区827（其可以任选地匹配垫片和夹紧板的形状620）一般均不被限制于特定的型面。然而，夹紧区域621、内附接区825和外附接区827以及垫片和夹紧板一般应该足够大以容纳期望的适当的紧固特征和定位特征部。形状一般被设计成适合弹性连接臂的型面，但这不是必需的。

在图7和图8所示的实例中，两个较大的孔623A被设置在每个弹性连接臂614的两个端中，和内毂616和外毂618上的每个相应的夹紧区域621中的相应的孔623B一起，允许紧固装置的接近。例如，紧固装置可以包括穿过的连接臂614中的孔623A并且与内毂616和外毂618中的相应的孔623B中的螺纹啮合的螺丝。螺丝的拧紧引起弹性连接臂614的内附接区825和外附接区827沿纵向方向（即，平行于弹簧的对称轴并垂直于内附接区825和外附接区827的平面）压紧内毂616和外毂618。

两个较小的孔622A设置在弹性连接臂614的两个端中，以用作对齐机构的部分。在内毂616和外毂618上的每个夹紧区域621中设置相应的孔622B。任选地，较大的孔可以被用于对齐机构而较小的孔用于接纳紧固装置，或者用于紧固和对齐的孔可以使同样尺寸，或者甚至是共享的（见以下）。

总的来说，对齐机构需要包括两个元件：将弹性连接臂614相对于内毂616和外毂618对齐的特征部，其可以被称为“毂定位特征部”；和将弹性连接臂614彼此对齐以形成臂614的与弹簧600的对称轴平行的“堆叠”的特征部，其可以被称为“堆叠定位特征部”。毂定位特征部和堆叠定位特征部均能够提供定位的和角度的对齐。堆叠定位特征部也可以使给定堆叠中的弹性连接臂614之间所插入的垫片对齐，以及使任何被定位于堆叠的轴向尽头处的夹紧板对齐。

在优选的实施方案中，毂定位特征部和堆叠定位特征部中的一个或两者可以包括圆柱形孔，其用于配合于与圆柱形孔紧密配合的圆柱形对齐构件（如销钉）。

在图6和图7所示的实施例中，两个较小的孔622A对于使堆叠内的弹性连接臂614（和任何垫片或夹紧板）彼此对齐是有效的，同时仅需要两个较小的孔622A中的一个用于将弹性连接臂614与内毂616和外毂618对齐。这是夹紧区域621仅包含单个较小的孔622B来用于与用于毂对齐的两个较小的孔622A之一配合的原因。圆柱形对齐构件可以在连接臂614的每个端处被插入两个较小的孔622A中，但是两个圆柱形对齐构件中仅有一个会穿入内毂616或外毂618中的孔622B中。

该布置的细节可以在图9和图10中看到。

图9示出弹性连接臂614、夹紧板924和垫片926怎样能够被堆叠在一起以形成弹性连接臂堆叠或子组件928的侧视图。在所示的实例中，堆叠928包括两个弹性连接臂614，但是如果期望的话可以包括更多。在弹性连接臂614的每个端处的两个圆柱形对齐构件930A/B被用于实现堆叠对齐。

内平面附接区825和外平面附接区/827的与弹簧的纵向对称轴垂直的取向（其直接指向图9中的页面右侧）能够清晰地被看到。

图10示出每个弹性连接臂堆叠928的端可以怎样经由内平面附接区825和外平面附接区827而被连接到内毂616或外毂618。在该情形中，在毂616/618上的定位由穿透到毂616/618中的相应的孔622B中的圆柱形对齐构件之一来提供。因此，圆柱形对齐构件930A与垫片926、夹紧板924以及弹性连接臂614中的相应的孔622A有助于毂对齐和堆叠对齐两者。

一旦弹性连接臂614通过适合的紧固件而被固定于毂616/618，便可能会释放毂定位特征部和堆叠定位特征部中的一个或两者。例如，在圆柱形对齐构件930被使用的情况下，其可以被移去。可选地，毂定位特征部和堆叠定位特征部均可以部分地或完全地地保持在适当位置（如，圆柱形对齐构件930A/B的子集或全部可以保持被插入），其可以帮助阻止使用期间对齐的损失。元件诸如圆柱形对齐构件930A/B可以被固定在适当位置，例如通过粘合的方法。

虽然可能使用单个紧固件来夹紧/附接弹性连接臂614的每个端，但是发现如果使用两个紧固件则能获得更好的附接。这是图6中示出的实施例中在连接臂614的每个端和在每个夹紧区域621中设置两个孔623A/B的原因。在弹簧600的操作中（即，内毂616的相对于外毂618的轴向位移），存在内毂616的相对于与弹性连接臂614的挠曲相关联的外毂618的小旋转。该旋转产生平行于弹簧的轴线的弯矩，该弯矩将趋于使每个弹性连接臂614相对于其夹紧区域而扭转。在单件螺旋弹簧中，弯矩充分地被内夹紧区域之间的固体连接抵抗。在本文所描述的独立的弹性连接臂设计中，该固体连接不存在并且力矩必须被夹紧机构抵抗。仅使用单个紧固件很难对该扭矩提供足够的抵抗性。两个紧固件（或更多）更能够提供足够的抵抗性，并且未到来的连接风险能够更容易地被降低。

另外的变化形式是使用相同的孔用于对齐（如，用于插入销钉）和用于紧固（如，如螺丝的间隙孔）。图11示出这样的弹簧1100的平面图。图12示出具有组合的对齐和紧固件孔1132的分别的内毂1116和外毂1118。毂1116/1118中的所有可能的定位被示出，但是在实践中每一对组合的定位和紧固孔1132中仅有一个会被用于将弹性连接臂组件定位于毂1116/1118上。在夹紧区域的有限范围中降低所需要的孔的数量的优势在于其允许较大的紧固件被使用。这对于在优选地避免使用非常小的紧固件（如，M1.6）的情况下的小机械特别有帮助。

组合对齐和紧固件孔的两种可能的方式在图13和图14中示出。图13示出带肩螺丝1334/1336的使用。存在在螺丝头1334B/1336B下方但是在螺纹1334C/1336C开始之前的具有准确地被定制尺寸的光面圆柱形表面1334A/1336A的螺丝。光面圆柱形段1334A/1336A被定制尺寸以接合在组合的对齐和紧固件孔1132中并用作销钉从而提供所需要的对齐。组合的对齐和紧固件孔1132包括用于提供紧固的螺纹部分和用于与带肩螺丝1334/1336A的光面圆柱形段1334A/1336A接合以提供对齐的非螺纹部分。该方式的挑战是以足够精确的方式来构建带肩螺丝1334/1336。不仅光面圆柱形表面1334A/1336A的外直径需要被准确地限定，而且其相对于螺丝螺纹1334C/1336C的轴线的关系也需要被准确地界定。这可能由于以下事实而较困难地被实现，所述事实为光面圆柱形表面1334A/1336A的材料的选择受到对于材料也要适合形成螺纹的要求的约束。此外，还需要细心以确保在拧紧期间的螺丝变形不连累对齐。全面地说，这些困难意味着具有所需准确性的带肩螺丝会比标准紧固件显著更昂贵。

允许标准紧固件被使用的可选的实施方案在图14中示出。对齐通过短长度的圆柱形管1438的使用来实现，圆柱形管1438被定制尺寸以提供准确地接合在组合的对齐和紧固孔1132的孔中。紧固件1440是对齐管1438内的间隙配合，所以其对对齐没有影响。

在可选的实施方案中，弹簧使用特征部而不是使用孔和销钉或圆柱形管来被对齐。这样的特征部的实例是直边缘或者槽口，直边缘或者槽口在弹性连接臂614的端处形成并且被布置成与在内毂616和外毂618的夹紧区域621中形成的相应的特征部配合。

如以上所述，弹性连接臂堆叠928的相对于毂616/618的对齐能够通过定位特征部的使用而实现，定位特征部也用于使弹性连接臂614与彼此以及与垫片926和夹紧板924的对齐。在这样的布置中，如果弹簧的内毂616和外毂618例如通过三个弹性连接臂堆叠（或者未处于堆叠中的三个弹性连接臂）与每个端处的单个定位部连接，则弹簧的几何构型被完全地界定。由此得出，如果仅存在两个弹性连接臂堆叠，则需要附加的对齐特征部来界定弹簧的几何构型。在弹性连接臂堆叠的每个端处可得到多余一个对齐孔的情况下，附加的定位可以通过使用任何一个未使用的孔实现。

还得出，如果弹簧具有多于三个弹性连接臂堆叠（或不处于堆叠中的连接臂），则所有对齐孔的使用可能（如果每个对齐孔被布置成阻止在弹簧的平面内沿所有方向运动）过度约束系统，这会是所不希望地趋于使弹簧受应力并且降低其性能和/或寿命。阻止在弹簧的平面内沿所有方向运动的对齐特征部（如与相应的销钉一起使用的对齐孔）可以被称为“完全地约束的定位特征部”。

图15示出分别的内毂1516和外毂1518，用于具有六个弹性连接臂堆叠1528的弹簧1500。弹性连接臂未示出，但是能以相似于图11中的构型被连接。几何构型的过度约束通过用对齐狭槽1540替换夹紧区域1542/1544的其中三个对齐孔而被避免。狭槽1540给出在其与对齐销钉/管的接合中的额外的自由度。提供一定程度的定位但是允许在弹簧的平面内沿至少一个方向的相对运动的对齐特征部（如，与相应的销钉一起使用的对齐狭槽）可以被称为“部分地约束的定位特征部”。在优选的实施方案中，狭槽1540沿着连接弹性连接臂的内连接点和外连接点的方向而对齐，例如沿着连接紧固件间隙孔1548A和1548B的虚线1546。这确保有角度的对齐是准确的并且在未过度约束系统时避免个体弹性连接臂之间不平均的空隙。

倘若每个弹性连接臂仅存在一个狭槽，则狭槽1540可被设置在内毂或外毂的夹紧区域1542上。在图15所示的实例中，三个对齐狭槽1540围绕外毂平均地设置。该方式可以被应用于具有不同数量的臂的其它设计。使对齐狭槽平均地定位也许是不可能的，但是这没有关系。例如，具有八个弹性连接臂的弹簧会需要五个定位狭槽。

总的来说，需要最少两个弹性连接臂来给定线性运动所需的平衡的轴向挠曲。优选的实施方案会趋于具有弹性连接臂被平均分布在其中的组件，即如果存在六个臂，则会存在六度对称。然而，倘若存在至少两度旋转对称，则具有不平均分布的弹性连接臂组件也是可能的。

图16示出具有仅四个弹性连接臂614的六臂构型（诸如图6中所示，例如）的弹簧1600的实施例。该布置具有2阶旋转对称而非6阶旋转对称，如果所有六个弹性连接臂被使用，则会是6阶旋转对称。内毂616可以具有与六臂构型的内毂相似的结构。另一方面，外毂1618A/1618B能够优势地被分成区段而不是完全环形的，以使不会不必要地沿缺少弹性连接臂的方向延伸。更具体地，外毂1618A/1618B可以被约束成仅在最邻近彼此的外夹紧区域之间延伸（即直接连接），例如在外毂区段1618A的夹紧区域1644A和1644B之间以及在外毂区段1618B的夹紧区域1644C和1644D之间。形成的几何构型仍具有两度旋转对称并且能够限定准确的线性运动。该布置的一个优势在于其允许线性尺寸被降低并且因此能够实现更紧凑的包络。

可选的实施方案能够采用不同于螺纹紧固件的装置来夹紧组件。例如，在弹性连接臂堆叠（诸如图9中的，例如）中，弹性连接臂、垫片和/或夹板可以通过粘合、通过与已提到的方法例如铆接不同的机械方法、和/或通过冶金结合方法例如软焊、铜焊和锻接而被保持在一起。同样地，弹性连接臂堆叠可以通过粘合、通过与已提到的方法例如铆接不同的机械方法、和/或通过冶金结合方法例如软焊、铜焊和锻接而被紧固于外毂和/或内毂。

应注意，本发明的实施方案涉及大量个体部件的组装。例如对等效于三个弹簧的情况，可能存在138个部件。该高部件数似乎是缺点。然而，仅存在六个截然不同的部件待被制造并且本发明非常适合自动化组装。例如，图9的子组件928可以作为独立于主要组装的过程而简单地被机器人组装。存在可能用于将子组件928保持在一起以简单处理的多种装置。例如，对齐管可以被结合到顶板和底板。可选地，部件能够被用于提供在对齐管上的足够的摩擦以使堆叠保持在一起——实例可能是在管与并且开狭槽的能够用作簧环的板或垫片之间的小聚合物“橄榄体（olive）”。

也应注意，内毂和外毂可以是允许独立式弹簧被组装的个体部件。可选地，任一个或两个毂也可以与其它部件一体形成。在后面的情况中，弹簧组件不能与完整机械的组件分离并且独立式弹簧不能作为分离的实体而存在。

图17是使用根据本发明的实施方案的弹簧的活塞/汽缸组件的截面图。两组或更多组的弹簧轴向地对齐，间隔开并且连接在一起以提供所需的刚性来对抗脱离轴线的扭曲并确保准确的线性运动。弹簧一般连接在一起使得它们的力平行地作用。内毂616A/B经由内连接器1760连接在一起，且外毂618A/B经由外连接器1762连接在一起。内连接器1760和内毂616A/B被固定地连接到活塞1750，且外连接器1762和外毂618A/B被固定地连接到汽缸1752。装置1754被提供用于在内连接器1760和外连接器1762之间施加轴向力（如使用电磁线性转换器），其引起活塞1750在汽缸1752内相应的轴向运动，其由弹簧引导使得活塞1750和汽缸1752之间保持恒定的空隙。该布置能够作为不同机械例如诸如经久耐用的无润滑剂泵、压缩机、斯特灵循环低温冷却器或斯特灵引擎的基础被使用。

为帮助获得在内毂616和外毂618之间精确地线性轴向运动，除了以上讨论的毂对齐和堆叠对齐外，弹性连接臂614应相对于垂直于线性运动轴的平面被对齐。这样的对齐的实例可能产生以下限制：1）内毂616的表面应该是平坦的（如果由独立元件形成，则那些元件的表面应该是平坦的并且与彼此共平面）；2）外毂618的表面应该是平坦的（如果由独立元件形成，则那些元件的表面应该是平坦的并且与彼此共平面）；和3）内毂616应和外毂618共平面（或者内毂616和外毂618的构件的表面应是共平面的）。

例如，该本质的对齐可以通过对齐固定器来实现，该对齐固定器由具有被加工成平坦的一个表面的板构成。该固定器的平坦面可以被紧固到内毂616和外毂618两者的表面，从而确保所有表面是共平面的。虽然固定器以该方式被附接，但是弹性连接臂614可以被装配到内毂616和外毂618并紧固到适当位置。固定器可以继而被移除。

Claims (21)

1.一种弹簧，其具有在无载状态下的实质上平面的形式并且围绕垂直于所述弹簧的平面的对称轴的至少2阶旋转对称，所述弹簧包括：

内毂和外毂，所述内毂相对于所述外毂是径向向内的；

多个弹性连接臂，每个弹性连接臂经由内平面附接区在内端处连接到所述内毂并且经由外平面附接区在外端处连接到所述外毂，所述内平面附接区和所述外平面附接区的平面垂直于所述对称轴；所述多个弹性连接臂被构型成在所述内毂和所述外毂沿着所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力；其中

所述内毂、所述外毂和所述多个弹性连接臂中的每个弹性连接臂被形成为实际上独立的元件并且在组装期间被连接到彼此以形成所述弹簧；并且

所述弹簧还包括用于使所述多个弹性连接臂紧固到所述内毂和所述外毂的紧固装置，所述紧固装置被构型成施加使所述内平面附接区和所述外平面附接区沿平行于所述对称轴的方向压紧所述内毂和所述外毂的紧固力，以这种方式防止所述弹性连接臂围绕平行于所述对称轴的轴线的扭转。

2.根据权利要求1所述的弹簧，还包括用于使所述弹性连接臂相对于所述内毂和所述外毂对齐的毂定位特征部。

3.根据权利要求2所述的弹簧，其中所述毂定位特征部包括在所述弹性连接臂、所述内毂和所述外毂中的圆柱形孔，所述圆柱形孔用于与可插入所述圆柱形孔内的圆柱形对齐构件配合。

4.根据权利要求1所述的弹簧，其中所述弹性连接臂被布置在多个堆叠中，给定堆叠中的每个弹性连接臂与相同堆叠中所有其它弹性连接臂沿平行于所述对称轴的方向对齐。

5.根据权利要求2所述的弹簧，其中所述毂定位特征部包括完全地约束的定位特征部和部分地约束的定位特征部，其中：

所述完全地约束的定位特征部使得能阻止所述弹性连接臂的所述内端或所述外端之一在所述弹簧的平面内相对于所述内毂的连接有所述内端的部分或者所述外毂的连接有所述外端的部分产生任何横向运动；并且

所述部分地约束的定位特征部使得能阻止所述弹性连接臂的所述内端或所述外端之一在所述弹簧的平面内相对于所述内毂的连接有所述内端的所述部分或者所述外毂的连接有所述外端的所述部分沿第一方向运动，但是允许在所述弹簧的平面内沿第二方向运动，所述第二方向垂直于所述第一方向。

6.根据权利要求5所述的弹簧，其中所述毂定位特征部包括多个所述完全地约束的定位特征部和多个所述部分地约束的定位特征部，每个的数量和取向被布置成使得所述弹簧不被过度约束。

7.根据权利要求1所述的弹簧，其中所述紧固装置包括经由所述弹性连接臂中相应的孔与所述内毂和所述外毂中的螺纹孔啮合的螺丝。

8.根据权利要求7所述的弹簧，其中所述螺丝包括具有光面圆柱形外表面的细长肩部分，所述细长肩部分抵着所述弹性连接臂中的孔的圆柱形内表面接合，以使每个堆叠内的所述弹性连接臂彼此对齐。

9.根据权利要求8所述的弹簧，其中所述螺纹孔包括螺纹部分和具有圆柱形内表面的非螺纹部分，所述细长肩部分抵着所述螺纹孔的所述非螺纹部分的圆柱形内表面接合，以使所述弹性连接臂与所述内毂和所述外毂对齐。

10.根据权利要求7所述的弹簧，还包括围绕所述螺丝的所述螺纹部分的外面的圆柱形管，所述圆柱形管的外表面抵着所述弹性连接臂中的孔的圆柱形内表面接合，以使每个堆叠中的弹性连接臂彼此对齐。

11.根据权利要求10所述的弹簧，其中所述螺纹孔包括螺纹部分和具有圆柱形内表面的非螺纹部分，所述圆柱形管抵着所述螺纹孔的所述非螺纹部分的圆柱形内表面接合，以使所述弹性连接臂与所述内毂和所述外毂对齐。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的弹簧，其中所述紧固装置被构型成实施以下两者：1）使所述弹性连接臂紧固到所述内毂和所述外毂；2）使所述弹性连接臂与所述内毂和所述外毂对齐和/或使给定堆叠内的所述弹性连接臂彼此对齐。

13.根据权利要求1所述的弹簧，其中所述紧固装置被构型成使所述弹性连接臂的每个端经由至少两个固定点而固定到所述内毂和所述外毂。

14.根据权利要求1所述的弹簧，其中所述弹性连接臂中的每个弹性连接臂逐渐变细成使得在朝向所述臂的中部的区中相对于更靠近所述臂的所述内端和所述外端的区更薄。

15.根据权利要求4所述的弹簧，其中每个堆叠中的每个所述弹性连接臂通过垫片与相同堆叠中的其它弹性连接臂分离开。

16.根据权利要求1所述的弹簧，其中所述弹性连接臂的堆叠的数量或者不存在堆叠时的所述弹性连接臂的数量大于旋转对称的阶数。

17.一种弹簧组件，包括：

多个根据任一前述权利要求所述的弹簧，其轴向地对齐，被配置为独立的组并被连接在一起。

18.一种用于构建弹簧的工具包，用于构建根据权利要求1到16中任一项所述的弹簧，包括：

内毂和外毂，其实际上独立于彼此；

多个弹性连接臂，其实际上独立于彼此并独立于所述内毂和所述外毂，并且在内端处可连接到所述内毂并在外端处可连接到所述外毂，所述多个弹性连接臂被构型成当被附接时用于在所述内毂和所述外毂沿所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力。

19.根据权利要求18所述的工具包，还包括：

对齐固定器，其具有实质上平面的表面，在所述弹簧的组装期间所述内毂和所述外毂能够被附接到所述实质上平面的表面，以便确保所述内毂的待被所述弹性连接臂附接到的表面是实质上平坦的并且与所述外毂的待被所述弹性连接臂附接到的表面共平面。

20.一种活塞/汽缸组件，包括：

根据权利要求1到16中任一项所述的弹簧；

连接到所述弹簧的所述内毂和所述外毂中的一个的汽缸；

连接到所述弹簧的所述内毂和所述外毂中的另一个并且被构型成在所述汽缸内纵向移动的活塞；其中

所述弹簧被布置成引导所述活塞在所述汽缸内的相对运动使得在所述活塞和所述汽缸之间保持恒定的空隙。

21.一种制造弹簧的方法，所述弹簧具有在无载状态下的实质上平面的形式并且具有围绕垂直于所述弹簧的平面的对称轴的至少2阶旋转对称，所述方法包括：

提供作为实际上独立的元件的内毂、外毂和多个弹性连接臂；

布置所述内毂以使相对于所述外毂是径向向内的；

使所述多个弹性连接臂中的每个弹性连接臂经由内平面附接区在内端处连接到所述内毂并且经由外平面附接区在外端处连接到所述外毂，所述内平面附接区和所述外平面附接区的平面垂直于所述对称轴，使得所述多个弹性连接臂在所述内毂和所述外毂沿所述对称轴而相对于彼此移位时提供平行于所述对称轴的回复力；并且

其中所述弹簧还包括用于使所述多个弹性连接臂紧固到所述内毂和所述外毂的紧固装置，所述紧固装置被构型成施加使所述内平面附接区和所述外平面附接区沿平行于所述对称轴的方向压紧所述内毂和所述外毂的紧固力，以这种方式防止所述弹性连接臂围绕平行于所述对称轴的轴线的扭转。