Спіральна пружина — це особливий тип гвинтової пружини, що має форму плоскої спіралі Архімеда або концентричної спіралі. У ньому використовується високоеластична металева стрічка (зазвичай пружинна сталь або нержавіюча сталь) для зберігання потенційної енергії під час намотування. Основний принцип роботи заснований на законі пружної деформації Гука, але проявляється унікально: коли один кінець пружини зафіксований, а інший кінець піддається обертальному моменту, металева стрічка натягується або послаблюється навколо своєї центральної осі, перетворюючи механічну енергію в накопичену енергію пружної деформації та вивільняючи енергію, коли крутний момент розвантажується, повертаючись до своєї початкової форми.
Ця структура дозволяє уникнути зайнятості осьового простору традиційними гвинтовими пружинами, зберігаючи енергію в компактному плоскому або циліндричному просторі. Його крутний момент і кут повороту зазвичай демонструють хорошу лінійну залежність. Ключ до його конструкції полягає в точному контролі розмірів поперечного-перерізу стрічки, межі текучості матеріалу та втрат на тертя між спіралями для забезпечення ефективного перетворення енергії та тривалого терміну служби.
Точний процес зберігання та вивільнення енергії
Щільність зберігання енергії є ключовим показником ефективності спіральної пружини. У порівнянні з іншими типами пружин, його рівномірний розподіл напруги дозволяє зберігати більше енергії в обмеженому об’ємі. Коли до рухомого кінцевого важеля прикладається зовнішня сила, металева стрічка рівномірно закручується ззовні всередину або зсередини назовні, створюючи безперервне, плавне напруження вигину всередині матеріалу. Цей процес вимагає, щоб матеріал мав надзвичайно високі межі втоми та однакові механічні властивості; будь-які мікроскопічні дефекти можуть призвести до концентрації напруги та передчасного виходу з ладу.
Процес випуску є зворотним процесом зберігання, але це не просте відновлення. Пружина має забезпечувати стабільний і контрольований крутний момент після відскоку, що є вирішальним для динамічної плавності заводних-механізмів. Інженери оптимізують модуль пружності та опір релаксації матеріалу за допомогою процесів термічної обробки та зменшують міжшарове тертя за допомогою обробки поверхні, досягаючи ефективності вивільнення енергії понад 90%, зберігаючи надійність протягом мільйонів циклів.
