קפיץ ספירלי הוא סוג מיוחד של קפיץ סליל, בצורת ספירלה ארכימדית מישורית או ספירלה קונצנטרית. הוא משתמש ברצועת מתכת אלסטית במיוחד (בדרך כלל פלדה קפיצית או נירוסטה) כדי לאגור אנרגיה פוטנציאלית במהלך סלילה. עקרון העבודה הליבה מבוסס על חוק הדפורמציה האלסטית של הוק, אך בא לידי ביטוי באופן ייחודי: כאשר קצה אחד של הקפיץ מקובע והקצה השני נתון למומנט סיבובי, פס המתכת מתהדק או מתרופף סביב הציר המרכזי שלו, הופך אנרגיה מכנית לאנרגיית דפורמציה אלסטית מאוחסנת, ומשחרר את האנרגיה כאשר המומנט פורק לצורתו המקורית, חוזר לצורתו המקורית.
מבנה זה מונע את תפיסת החלל הצירי של קפיצים סליליים מסורתיים, אוגרים אנרגיה בתוך חלל מישורי או גלילי קומפקטי. המומנט וזווית הסיבוב שלו מפגינים בדרך כלל קשר ליניארי טוב. המפתח לעיצוב שלו טמון בשליטה מדויקת על מימדי החתך- של הרצועה, חוזק התפוקה של החומר והפסדי החיכוך בין הספירלות כדי להבטיח המרת אנרגיה יעילה וחיי שירות ארוכים.
התהליך המדויק של אחסון ושחרור אנרגיה
צפיפות אגירת האנרגיה היא אינדיקטור ביצועים מרכזי של קפיץ ספירלי. בהשוואה לסוגים אחרים של קפיצים, חלוקת המתח האחידה שלו מאפשרת אחסון של יותר אנרגיה בנפח מוגבל. כאשר מופעל כוח חיצוני על זרוע הקצה הנעים, רצועת המתכת מתפתלת באופן אחיד מבחוץ פנימה או מבפנים החוצה, ויוצרת מתח כיפוף מתמשך וחלק בתוך החומר. תהליך זה דורש מהחומר גבולות עייפות גבוהים במיוחד ותכונות מכניות אחידות; כל פגמים מיקרוסקופיים יכולים להוביל לריכוז מתח וכישלון מוקדם.
תהליך השחרור הוא הפוך מתהליך האחסון, אבל זה לא שחזור פשוט. הקפיץ חייב לספק תפוקת מומנט יציבה וניתנת לשליטה בעת ריבאונד, וזה חיוני לחלקות הדינמית של מנגנוני הרוח{1}. מהנדסים מייעלים את מודול האלסטיות של החומר ואת עמידות ההרפיה באמצעות תהליכי טיפול בחום ומפחיתים את החיכוך הבין-שכבתי באמצעות טיפולי משטח, ומשיגים יעילות שחרור אנרגיה של למעלה מ-90% תוך שמירה על אמינות במשך מיליוני מחזורים.
