SolidWorks储能装置中平面涡卷弹簧设计和有限元分析(3)
1 抽水蓄电站 2 超级电容器
1.2 课题研究意义
本次课题通过研究涡卷弹簧储能系统对飞轮的制动能回收与释放，分析该系统在变化转矩下的运动特性，能量利用率。本项目可以看做是对车轮动能回收的仿真，发展成为成熟的理论后将对我国交通车辆的制动系统有很大意义，带来巨大的进步。目前我国车辆数目如此庞大，如果这项技术能广泛的普及起来，节省的能量价值将非常可观。通过研究这个课题，我也从中学到了不少知识，加深了我对机械行业的认识和理解。锻炼了我独立分析问题，查找工具，解决问题的能力。使我在大学中学到的知识得到了综合应用，为将来更深层次的研究打下扎实的基础。
2 平面涡卷弹簧储能系统结构设计
2.1 平面涡卷弹簧储能机构系统原理
图3 平面涡卷弹簧储能系统示意图
涡簧储能装置的原理图如图3所示，储能时，输入离合器闭合，输出离合器打开，输入轴通过输入离合器将转矩输入装置中，转矩经过一对齿轮传到涡卷弹簧组中，完成储能装置的能量储存。由于输入轴上安装有棘轮，所以机构不会反转。释放能量时，输入离合器打开，输出离合器闭合，打开棘轮的开关，储能装置就可以带动输出轴转动，涡卷弹簧组变形恢复，完成能量的释放。
2.2 储能机构的技术参数
储能机构给定的制动飞轮的主要技术参数为：
转动惯量 j=1kg•m2
初角速度 ω=200﹡2﹡π/60rad/s（即每分钟200圈）
平面涡卷弹簧的主要参数为：
涡簧的有效工作圈数 n=8
涡簧的数量 N= 6～8
理论输出扭矩 T=2000N•mm
2.3 平面涡卷弹簧
平面涡卷弹簧是一种由等截面的材料按涡状线绕制而成的平面螺旋弹簧，它的簧圈较多，变性角度比较大，所以它能够储存较多的能量。平面涡簧的工作的状态为：当它一端固定后，另一端施加一定的扭矩，弹簧簧身受到弯曲例力矩而产生弯曲弹性变形，弹簧在垂直于芯轴的平面内产生扭转，将外部载荷的能量储存于弹簧中，它变形角度的大小与扭矩成正比。
平面涡卷弹簧分为非接触型平面涡卷弹簧和接触型平面涡卷弹簧两种类型。非接触型平面涡卷弹簧的各个簧面都不会发生接触，它的弹性特性曲线为直线型；接触型平面涡卷弹簧在工作或非工作状态下相邻的簧圈之间相互接触，扭转时存在摩擦力，圈数一般比非接触型弹簧多，所以可以储存更多的能量。
非接触型涡簧由于它弹性特性曲线呈线性，所以可以准确地根据转角计算出弹簧的外部扭矩，常用于制作仪表中的游丝；接触型弹簧弹性特性曲线呈非线性，但储能性能优良，所以能作为各种机构的原动机。本次设计中，平面涡卷弹簧的主要功能是储存飞轮的制动能，所以接触型弹簧更加符合设计的需要。