专利名称：用于多股斜置式螺形弹簧的系统、方法以及装置的制作方法
用于多股斜置式螺形弹簧的系统、方法以及装置置量披露的领域本发明总体上涉及斜置式螺形弹簧并且具体涉及用于一种多股斜置式螺形弹簧(stranded canted coil spring)的一种系统、方法和装置,这种多股斜置式螺形弹簧用于在多个邻接的元件之间的电接触和机械接触。相关技术的i兑明常规的斜置式螺形弹簧是为了在各种工业构形像杆缸(rod-and-cylinder)应用中提供电接触和机械滞留而明确建立的。这些弹簧被用来使AC或DC电流穿过在多个金属部件之间弹簧。这种弹簧包括一个单线，这个单线被缠绕成一个斜置式线圈或者前进式节距弹簧(advanced pitch spring)。可以使用斜置式螺形弹簧来将径向载荷或者轴向载荷施加在多个匹配的部件之间。 当使用直径较大的线来传导中等到高的电流密度时，现有技术的在供电中的单股斜置式螺形弹簧有着高偏转载荷和合成的高线性摩擦的局限。此外并且取决于应用和所选择的材料，这些弹簧可以具有导电性和导热性上的限制，这就必须要有多个冗余部件来满足对于某些设备的所有性能要求。因此，斜置式螺形弹簧设计的额外的改进对于在替代的应用中拓展它们的性能能力是令人希望的。在此披露了用于在多个邻接的元件之间进行电接触的一种多股斜置式螺形弹簧的一种改进的系统、方法和装置的实施方案。例如，在某些实施方案中一个弹簧包括一个多股线，该多股线由多股个的线形成并且被配置成一个斜置式线圈或前进式节距弹簧。这种弹簧具有个线圈，这些线圈共同地限定了一个环形线圈。这种多股线仅具有连接在一起的两个轴向端，这样使得这种多股线是连续的。该多个线圈相对于彼此是不受限制的，这样使得该多个线圈的周期数是不受限的或受阻于其轴向的连接或联接的。这种弹簧可以被使用在一个组件或系统中，该组件或系统包括具有凹陷的一个第一连接器，以及位于该第一连接器中并且与其接合的一个第二连接器。这些多股线中的一个或多个线位于在这些连接器之间。鉴于以下详细描述，与所附权利要求书和附图
相结合，本领域的普通技术人员将清楚这些实施方案的前述内容以及其他的目标和优点。附图简要说明因此可以获取并且更详细地理解其实施方案的特征和优点的方式是通过参考附图中展示的实施方案而可以得到一个以上简要总结内容的更具体的说明。但是，这些图仅仅解说了某些实施方案，而因此不应认为是对其范围的限制，因为本发明可以允许其他同等有效的实施方案。图I是一种多股斜置式螺形弹簧的一个实施方案的正视图；图2是图I这种多股斜置式螺形弹簧的一个实施方案在径向压缩下的局部侧视图3A-C是图I这种多股斜置式螺形弹簧的多个不同实施方案沿着图2的线3-3截取的多个截面端视图；图4是用于一种在轴向压缩下的多股斜置式螺形弹簧的一个组件和系统的实施方案的一个局部剖开的侧视图；图5A和图5B是用于一种多股斜置式螺形弹簧的一个组件和系统的另一个实施方案的局部剖开的侧视图；图6A-C是用于一种多股斜置式螺形弹簧的一个组件和系统的又另一个实施方案的局部剖开的侧视图；图7是在不同载荷和偏转下的线性弹簧的侧视图；并且图8是载荷相对于偏转的一个曲线图，比较了一种多股斜置式螺形弹簧的实施方案和一种常规的斜置式螺形弹簧的性能。
在不同的图中使用相同的参考符号表示相似的或相同的事项。详细说明在此披露了用于在多个邻接的元件之间提供电接触和机械接合的一种多股前进式节距弹簧(APS)或斜置式螺形弹簧的一种改进的系统、方法和装置的实施方案。例如，在图I、图2和图3A所展示的实施方案中，斜置式螺形弹簧11可以包括一个环形线圈，该环形线圈具有由七股13线丝形成的多丝的线。在某些实施方案中，所有这些线圈都是在一个方向上并且以相同的倾斜角度来斜置的或者离开轴线而前进的。例如见图I。多个实施方案还包括直弹簧(例如见图7)，这些直弹簧是直线性的并且被切成一定长度。弹簧11可以置于径向压缩(图2)或轴向压缩(图4)下。与常规的单股线圈相比，引人注目地改变了特征载荷相对于偏转的曲线，并且对于任何给定的偏转而言载荷被大大减小。多股线圈提供的这种较低力使得能够使用一个带有大得多的总体直径的线圈，并且使得能够成比例地增加这种多股线中的金属截面积。多股线圈的这种较大面积相反降低了任何给定的弹簧应用的电阻。因此，与较重的线相比，带有低的弹簧载荷和电学特征的多股线圈是可实现的。替代地，提供相等的载荷的、带有较重的或较粗的多股线的、具有低得多的电阻的多股弹簧是可得到的。例如，具有的单股直径为O. 010英寸的一种常规单股斜置式螺形弹簧是由302不锈钢弹簧线形成的。这种线被缠绕成一个椭圆形的几何形状，该椭圆形的几何形状具有一个O. 133英寸的短轴线直径以及一个O. 146英寸的主轴线直径。当被向下压缩到O. 100英寸的径向厚度(比较，例如图7)时，这个单股斜置式螺形弹簧产生了在该弹簧的轴向长度上的每英寸约O. 15磅至O. 20磅的力(Lbf)。为了比较，并且根据某些实施方案，使用了相同的弹簧成形因子但是用七(7)股的线丝(图3A)来形成。每个股可以被配备有一个O. 005英寸的直径，并且该弹簧具有一个O. 015英寸的总体直径。由这种弹簧提供的约O. 16Lbf/英寸的载荷是在与单股弹簧相同的范围内，但是导体截面积却从7. 58E-5英寸2 (对于单股弹簧而言)增加到I. 37E-4英寸2(对于7股弹簧而言)。这是面积增加了约80%，这还等同于电阻的反向的下降，以及因此的一个更大的电安培数能力。在其他实施方案中，可以使用更多或更少股的丝，诸如包括4，5、9、11、13、15或17股的多股线。这些实施方案还提供了比常规的斜置式螺形弹簧更低的载荷。此外，所有这些股或丝并非必须是相同的大小的。例如，图3B描绘了弹簧11的另一个实施方案，该弹簧具有一个相对较小的中央丝15 (例如,直径为O. 005英寸)，这个中央丝被五个直径相对较大的丝17 (例如，直径为O. 007英寸)包围。替代地，图3C描绘了弹簧11的一个实施方案，其中一个相对较大的中央丝19(例如，直径为O. 005英寸)被七个或八个直径相对较小的丝20 (例如，直径对应地为O. 004英寸或O. 003英寸)所包围的。进一步地，这些中央的和包围的丝的不同实施方案在某些实施方案中可以由不同材料形成(对应地，诸如不锈钢和银)，以用来改进载荷/强度以及导电性。在又其他的实施方案中，这些弹簧丝可以是由超导材料形成的，像用于低温应用。例如，这些弹簧可以包括铌-锡、铌-钛、钇-硼-钴线以及铜或青铜的编织线缆。一种多丝弹簧的实施方案可以进一步包括围绕一个产生弹性/力的高模量金属芯丝来编织的超导合金外部线以便形成一个匹配的电特征连接器(如在此说明的)。这种弹簧还可以使用二硼化镁丝来形成，而这可能要求一个气密的护套来减少氧化。 对于这些类型的多股弹簧的应用可以包括用于磁共振成象(MRI)、核磁共振(NMR)研究和NMR分光术、工业和实验室磁性元件、粒子加速器、以及磁能存储器的超导磁体。MRI和NMR使用快速电容电流堆积物穿过一个阻尼磁体来产生一个快速磁脉冲或“声脉冲”，它听上去像在木琴板上进行一个单次敲击。这个脉冲是在几千安培的量级上，从而产生大约I至23+特斯拉的强磁场。来自原子核、原子、以及分子的这种信号发射是关于质量、构成、以及结构的特征。在某些实施方案中，对于这种弹簧就坐在其中的一个给定的密封压盖而言，并且对于一个给定的组装/分解摩擦或弹簧接触力而言，这种弹簧具有一个更大的导体截面积。这降低了这种弹簧的电阻，增加了电流转移，并且增加了热传导性。对于许多应用而言，这些参数都优于仅由一个单股的线形成的弹簧。在其他实施方案中，对于一个固定的硬件约束以及固定的电安培数能力而言，这种弹簧压入(spring in)产生了比一个单股弹簧远远更小的压缩力和滑动摩擦。对于任何给定的相等的压缩力而言，这种多股弹簧的多个单独的线中的净应力是比一个单股弹簧更低的，并且是更加均匀地分布的。这个设计增加了这些低应力的、前进节距的、多丝的弹簧的疲劳寿命。图5A和图5B描绘了用于一个连接器系统21的一种类型的应用的一个实施方案。例如，一个具有O. 5英寸直径的杆23与一个孔连接器25相匹配,该孔连接器具有一个密封压盖27，在该压盖中定位了一个多股斜置式螺形弹簧11。这个应用可以在例如，大型水泵或者空调系统上发现。这种半英寸的铜杆可以被连接到一个500mcm的线缆上，该线缆具有O. 519英寸的直径。基于1，713安培/英寸2的电载荷能力，恒定的工作电流额定值为889安培。这个额定值对于启动大型的3相电动机而言可以容易地被增至三倍，并且对于单相电动机的能耗而言被乘以六倍。电动机启动通常在时长上会持续大约一秒至十秒。大多数商用电路断路器都允许这种要求。适合于这种应用的一个常规的、单股斜置式螺形弹簧是由普通C17200合金材料形成的，它具有一个实心的或O. 014英寸的单股直径、以及一个I. 54E-04英寸2的线截面积。为使用这种弹簧，其密封压盖或槽缝是大约O. 09英寸深，这提供该弹簧的约25%的压缩。这种弹簧具有46个线圈以便适当地配合该槽缝。这个常规弹簧产生了 4.9Lbf/英寸的压缩载荷，在这种应用中总计为6. 65Lbf。换言之，假设摩擦系数为1.0，则该杆需要6. 65Lbf来与在该杆与孔之间一个弹簧一起滑动。这46个线圈的常规弹簧处理了 46X27. 7安培/线圈，或者大约1，274安培。为了适当地确定这种连接器的大小以便为启动而处理约三到三点五倍的运行电流，要求这些常规弹簧中的两个并排地用于这种应用，这提供了超过13Lbf的净线性摩擦。相比之下，一种多股弹簧的实施方案可以被取代以增加该设备的功率容量。例如，一个七股的弹簧具有七根丝的线，这些丝中的每个都具有O. 008英寸的直径。这种多股线弹簧具有与另一种弹簧相同的高度和宽度，并且产生了 12.7Lbf的载荷。然而，这种多股弹簧具有3. 52E-4英寸2导体面积的总体截面积，这比单股弹簧多两倍。因而，对于这种 多股设备而言仅要求一个槽缝和一个弹簧，其中要求带有相同的弹簧摩擦数(per-springfr i c t i on )、较小的连接器、以及有利地更少的机加工。代入一种较高性能的合金(例如C18150)而将这种单股弹簧的功率容量从27. 7安培/线圈增加到44. 6安培/线圈。使得在这种多股弹簧中的相同的材料代替物同样地以相同的百分比量增加了其安培容量。在另一个实例中，使用了铌-钛或铌-锡青铜外部线并且在液氦中浸泡而将安培容量增加了另一个200倍。在一个替代实施方案中，这种电流能力被保持为与常规弹簧大大致相同，但是改变了摩擦性能。常规弹簧使用了一种O. 014英寸直径的单线，并且每个弹簧产生了 6. 65Lbf的滑动摩擦力。为了满足这个具体实例的电涌安培能力，需要两个常规弹簧。用一对多股弹簧来取代这两个常规弹簧(该多股弹簧具有7个股，每股直径O. 006英寸)产生了 I. 97E-4英寸2的面积。因为这些多股弹簧具有更大的面积但具有更轻的力，所以满足了这种3秒钟功率载荷的要求。多股弹簧的更轻的接触增加了热量，但是它们通过更低的电阻和更好的热传输来对此进行平衡。使用一对弹簧(每个弹簧具有O. 006英寸直径的7个股)将摩擦减小到O. 79Lbf/英寸，或者是单股弹簧的摩擦大约七分之一。因此，这些实施方案提供了连带有低得多的摩擦载荷的一种同等的功率容量连接。相似地，具有7个O. 005英寸直径的股的弹簧具有与实心的或者单股的O. 013英寸直径的弹簧相同的截面积。如果制造成相等大小的弹簧并且以25%来偏转的话，与单股弹簧的2. 5Lbf/英寸的力相比，这种多股弹簧会产生O. 16Lbf/英寸的力。图8描绘了相等的截面积的、具有相同的几何形状和不锈钢材料的弹簧的载荷和偏转的曲线图。该多股弹簧的曲线31具有O. 0001374英寸2的面积，而该实心的芯部线的曲线33具有几乎相同的O. 0001327英寸2面积。这些面积是非常相似的，但是在载荷中存在着巨大的差异。例如，对于相同的O. 133X0. 146英寸的弹簧几何形状(S卩，椭圆形弹簧形成因子的短轴线和主轴线的尺寸)，以不同的线直径产生了以下数据
权利要求
1.一种弹簧，包括 一个多股线，该多股线由多个股的线形成并且被配置成具有多个线圈的一个斜置式螺形弹簧，该多个线圈共同地限定了一个环形线圈，该多股线具有连接在一起的多个轴向端，这样使得该多股线是连续的。
2.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多个股包括七个股的线。
3.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多个股包括4、5、9、11、13、15或者17股的线。
4.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线提供了约200至20，OOOLbf/英寸/英寸2。
5.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线在该弹簧的一个操作范围上提供了超过7000%的力变化。
6.根据权利要求5所述的弹簧，其中该力变化在该弹簧的该操作范围上为大约7800%。
7.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多个股中的至少一个股是以一定的直径来形成，该直径不同于该多个股中的其他股的直径。
8.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线具有一个直径相对较小的中央股，并且该中央股被具有的直径相对较大的多个围绕股所包围。
9.根据权利要求8所述的弹簧，其中该相对较小的直径是O.005英寸，而该相对较大的直径是O. 007英寸。
10.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线具有一个直径相对较大的中央股，并且该中央股被具有的直径相对较小的多个围绕股所包围。
11.根据权利要求10所述的弹簧，其中该相对较小的直径是O.003英寸或O. 004英寸，而该相对较大的直径是O. 005英寸。
12.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多个股中的至少一个股是由一种第一材料形成的，该第一材料不同于用于形成该多个股中的其他股的一种第二材料。
13.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线具有由不锈钢形成的一个中央股，并且该中央股被由银形成多个围绕股所包围。
14.根据权利要求I所述的弹簧，其中这些股中的至少一个股是由一种超导材料形成的。
15.根据权利要求I所述的弹簧，其中该多股线仅具有焊接在一起的两个轴向端，这样使得该多股线是连续的，并且该多个线圈相对于彼此是不受限制的，这样使得该多个线圈的周期数是不受限的或受阻于该多个线圈轴向的连接或联接的。
16.—种组件,包括 一个第一连接器，该第一连接器具有一个形成于其中的凹陷； 一个第二连接器，该第二连接器具有一个形成于其中的第二凹陷；以及 一个多股线，该多股线位于该第一连接器与该第二连接器之间的该凹陷和该第二凹陷中，该多股线具有多个股的线并且被配置成具有多个线圈的一个斜置式螺形弹簧，这些线圈共同地限定了一个环形线圈，该多股线具有连接在一起的多个轴向端，这样使得该多股线是连续的。
17.根据权利要求16所述的组件，其中该多个股包括七个股的线。
18.根据权利要求16所述的组件，其中该多个股包括4、5、9、11、13、15或者17股的线。
19.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线提供了大约200至20，OOOLbf/英寸/英寸2。
20.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线在该弹簧的操作范围上提供了超过7000%的力变化。
21.根据权利要求20所述的组件，其中该力变化在该弹簧的该操作范围上为大约7800%ο
22.根据权利要求16所述的组件，其中该多个股中的至少一个股是以一定的直径形成的，该直径不同于该多个股中的其他股的直径。
23.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线具有一个直径相对较小的中央股，并且该中央股被具有的直径相对较大的多个围绕股所包围。
24.根据权利要求23所述的组件，其中该相对较小的直径是O.005英寸，而该相对较大的直径是O. 007英寸。
25.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线具有一个直径相对较大的中央股，并且该中央股被具有的直径相对较小的多个围绕股所包围。
26.根据权利要求25所述的组件，其中该相对较小的直径是O.003英寸或O. 004英寸，而该相对较大的直径是O. 005英寸。
27.根据权利要求16所述的组件，其中该多个股中的至少一个股是由一种第一材料形成的，该第一材料不同于用于形成该多个股中的其他股的一种第二材料。
28.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线具有一个由不锈钢形成的中央股，并且该中央股被由银形成多个围绕股所包围。
29.根据权利要求16所述的组件，其中这些股中的至少一个股是由一种超导材料形成的。
30.根据权利要求16所述的组件，其中该多股线仅具有焊接在一起的两个轴向端，这样使得该多股线是连续的，并且该多个线圈相对于彼此是不受限制的，这样使得该多个线圈的周期数是不受限的或受阻于该多个线圈轴向的连接或联接的。
全文摘要
在此披露了用于在多个邻接的元件之间进行电接触的一种多股斜置式螺形弹簧。该弹簧是由具有多个线圈的一种多股线形成的，这些线圈限定了一个环形线圈。
文档编号F16F1/02GK102834639SQ201180018554
公开日2012年12月19日 申请日期2011年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者J·M·兰和特, J·C·库珀 申请人:美国圣戈班性能塑料公司