Lò xo xoắn ốc là một loại lò xo xoắn đặc biệt, có hình dạng giống như xoắn ốc Archimedean phẳng hoặc xoắn ốc đồng tâm. Nó sử dụng một dải kim loại có độ đàn hồi cao (thường là thép lò xo hoặc thép không gỉ) để lưu trữ năng lượng tiềm năng trong quá trình cuộn dây. Nguyên lý làm việc cốt lõi dựa trên định luật biến dạng đàn hồi của Hooke, nhưng biểu hiện độc đáo: khi một đầu của lò xo được cố định và đầu kia chịu một mômen quay, dải kim loại sẽ siết chặt hoặc nới lỏng xung quanh trục trung tâm của nó, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng biến dạng đàn hồi được lưu trữ và giải phóng năng lượng khi không tải mômen xoắn, trở lại hình dạng ban đầu.
Cấu trúc này tránh sự chiếm giữ không gian dọc trục của lò xo xoắn ốc truyền thống, lưu trữ năng lượng trong một không gian phẳng hoặc hình trụ nhỏ gọn. Mô-men xoắn và góc quay của nó thường thể hiện mối quan hệ tuyến tính tốt. Chìa khóa trong thiết kế của nó nằm ở việc kiểm soát chính xác kích thước mặt cắt ngang-của dải, cường độ chảy của vật liệu và tổn thất do ma sát giữa các đường xoắn ốc để đảm bảo chuyển đổi năng lượng hiệu quả và tuổi thọ lâu dài.
Quy trình lưu trữ và giải phóng năng lượng chính xác
Mật độ lưu trữ năng lượng là chỉ số hiệu suất chính của lò xo xoắn ốc. So với các loại lò xo khác, sự phân bố ứng suất đồng đều của nó cho phép lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong một thể tích hạn chế. Khi một lực bên ngoài tác dụng lên cánh tay cuối có thể di chuyển được, dải kim loại sẽ uốn lượn đồng đều từ ngoài vào trong hoặc từ trong ra ngoài, tạo ra ứng suất uốn trơn tru, liên tục bên trong vật liệu. Quá trình này đòi hỏi vật liệu phải có giới hạn mỏi cực cao và tính chất cơ học đồng đều; bất kỳ khiếm khuyết vi mô nào cũng có thể dẫn đến sự tập trung ứng suất và hư hỏng sớm.
Quá trình giải phóng là đảo ngược của quá trình lưu trữ, nhưng nó không phải là quá trình khôi phục đơn giản. Lò xo phải cung cấp công suất mô-men xoắn ổn định và có thể kiểm soát được khi bật lại, điều này rất quan trọng đối với độ êm ái động của cơ cấu lên dây-. Các kỹ sư tối ưu hóa mô đun đàn hồi và khả năng chống giãn của vật liệu thông qua các quy trình xử lý nhiệt và giảm ma sát giữa các lớp thông qua xử lý bề mặt, đạt được hiệu suất giải phóng năng lượng trên 90% trong khi vẫn duy trì độ tin cậy trong hàng triệu chu kỳ.
