Jak inżynieria sprężyn skrętnych helikalnych minimalizuje straty energii

Efektywność energetyczna przestała być jedynie kwestią środowiskową i stała się koniecznością zapewnienia konkurencyjności. Od przemysłu motocyklowego po maszyny przemysłowe i urządzenia elektroniczne – wydajność całego systemu zależy od zużycia energii i strat w poszczególnych jego elementach, nawet w przypadku układów mechanicznych. Poprawnie zaprojektowane sprężyny skrętne helikalne mogą minimalizować straty energii poprzez zmniejszenie tarcia, histerezy oraz obciążenia pobocznego. Poniżej przedstawiono cztery główne sposoby, w jakie sprężyny skrętne helikalne są projektowane w celu redukcji strat energii w układach mechanicznych.

1. Bezpośrednia transmisja momentu obrotowego bez strat spowodowanych tarciem

Większość systemów mechanicznych, niezależnie od tego, czy służą one przekształcaniu ruchu liniowego w obrotowy za pomocą wałka kulistego, układu połączeń lub przekładni, obejmuje wiele przejść. Każde z tych przejść wiąże się z utratą energii przez tarcie; nawet bardzo wydajny system mechaniczny traci około 3–5 % energii przy każdym takim połączeniu. Jeśli zespół składa się z wielu elementów, całkowita strata energii może wynosić 20–30 %.

Śrubowe sprężyny skrętne przekazują energię obrotową przez ciało sprężyny bezpośrednio do jej ramion, bez wykorzystania pośrednich elementów. Jeśli jedno ramię jest zamocowane do ramy, a drugie do elementu obrotowego, sprężyna po prostu wykorzystuje sprężystość drutu do magazynowania i zwrotu energii. Nie występuje poślizg, nie ma zębatek ani połączeń kinematycznych. Innymi słowy, nie ma strat energii spowodowanych tarciem. Jeśli w danej aplikacji wymagane są komponenty oszczędzające energię – na przykład elektryczne siłowniki do pojazdów, siłowniki zasilane energią słoneczną i podobne – każdy element łańcucha musi być jak najbardziej wydajny, a bezpośredni tor momentu obrotowego zapewniany przez śrubowe sprężyny skrętne rzeczywiście należy do najlepszych dostępnych metod dostarczania siły powrotnej obrotowej.

2. Zoptymalizowana geometria zwoju zmniejsza tarcie wewnętrzne

Systemy mechaniczne tracą energię nie tylko przez tarcie z sąsiednimi elementami; sama sprężyna może również generować tarcie wewnętrzne. Poszczególne zwoje sprężyny mogą się ślizgać i tarcie o siebie. Powoduje to przemianę zapasowanej energii mechanicznej na ciepło. Zmniejsza to ilość energii, którą można zapisać i odzyskać ze sprężyny po usunięciu obciążenia.

W firmie Hongsheng Spring projektujemy sprężyny skrętne helikalne z takim skokiem i luzem, które zapobiegają tarcie się zwitów podczas działania sprężyny. W przypadku dużych przemieszczeń obrotowych (ponad 180 stopni) stosuje się zoptymalizowany lub stopniowy skok, aby utrzymać odpowiedni luz na całym zakresie skręcania. W dobrze zaprojektowanych sprężynach skrętnych helikalnych osiąga się sprawność odzysku energii na poziomie 85–92%, w porównaniu do 60–70%, jakie można zaobserwować w przypadku sprężyn, w których zwoje stykają się ze sobą.

3. Precyzyjny dobór materiału zapewniający stałą sprężystość

Występuje również utrata energii spowodowana histerezą samej sprężyny; różnica między charakterystykami obciążania i rozładowania powoduje pozostałą energię odzyskaną, która – podobnie jak tarcie – prowadzi do utraty energii. Różne materiały sprężyn zachowują się inaczej i dlatego wykazują różne poziomy histerezy.

W sprężynach skrętnych śrubowych wybór materiału drutu sprężynowego znacząco wpływa na zwrotność energii. Drut muzyczny charakteryzuje się wysoką odpornością na zmęczenie, ale umiarkowaną histerezą. Stal nierdzewna jest tańszą opcją, która nie zapewnia wystarczającej odporności na korozję, lecz ma umiarkowany poziom histerezy. Jeśli wymagana jest rzeczywiście niskoubytekowa sprężyna do zastosowań wysokiej precyzji, takich jak urządzenie pomiarowe lub siłownik satelitarny, najlepszymi materiałami są prawdopodobnie stopy chromowo-krzemowe lub chromowo-wanadowe. Strata histerezy będzie zaniedbywalna (mniej niż 5%), o ile zastosuje się taki materiał i podda się go odpowiedniemu obróbce cieplnej. Odpuszczanie sprężyny w procesie obróbki cieplnej usuwa naprężenia, a tym samym zmniejsza tendencję materiału do lekkiego „odkształcania się”, co redukuje histerezę i poprawia sprawność.

4. Zmniejszona masa i obciążenia poboczne

Ostatnim źródłem strat energii w układach mechanicznych jest energia kinetyczna – cięższy układ wymaga większej siły (a zatem również więcej energii), aby osiągnąć te same poziomy przemieszczenia kątowego, lub porusza się z nadmiernym pędem. Jeśli masa sprężyny zostanie znacznie zwiększona powyżej wartości ściśle wymaganej przez układ, to dodaje to kolejny poziom strat energii spowodowanych niechcianym pędem.

Sprężyny skrętne śrubowe mogą być wykonane w sposób niezwykle wydajny poprzez zastosowanie minimalnego średnicy przy danej mocy wyjściowej oraz zwartej konstrukcji. W firmie Hongsheng Spring wykorzystujemy analizę MES, aby określić najbardziej wydajną średnicę drutu i liczbę zwojów wymaganą dla każdego systemu, minimalizując nadmiarową masę. W lekkich aplikacjach wrażliwych na zużycie energii – takich jak napęd elektryczny klamki drzwi samochodowych lub sprężyna do obsługi portu ładowania pojazdu elektrycznego (EV) – masa jest kluczowa; jej redukcja przekłada się na istotne oszczędności mocy oraz wydłuża żywotność akumulatorów. W systemach działających ciągle lub przez miliony cykli oszczędność zaledwie kilku watów dzięki zastosowaniu lekkiej masy sprężyny skrętnej śrubowej przekłada się na oszczędności wynoszące wiele kilowatogodzin w całym okresie użytkowania produktu.

Podsumowanie

Hongsheng Spring projektuje sprężyny skrętne śrubowe w sposób zoptymalizowany, aby zmniejszyć straty energii. Osiąga się to w czterech głównych obszarach: bezpośredni przekaz momentu skręcającego eliminuje tarcie między sprężyną a systemem poprzez zapewnienie prostej połączeniowej bez zębatek; geometria zwoju jest zoptymalizowana w celu zapobiegania tarciu pomiędzy poszczególnymi zwojami; starannie dobrane materiały redukują histerezę; oraz lekkie sprężyny o zoptymalizowanej formie zmniejszają niepożądane straty energii kinetycznej. Produkty Hongsheng Spring obejmują sprężyny skrętne śrubowe przeznaczone dla systemów motocyklowych, pojazdów elektrycznych (EV), maszyn przemysłowych oraz precyzyjnych przyrządów pomiarowych. Zapraszamy do kontaktu w celu omówienia tych energooszczędnych sprężyn oraz sposobu, w jaki mogą one przynieść korzyści w Państwa zastosowaniu.