طراحي و تكنولوژي ساخت فنر

[86440]

مقدمه

در ابتدا جهت طراحی و تولید یک کالای صنعتی نیاز به تعریف مشخصی از آن و همچنین تعیین مشخصات دقیقی از کالای تعریف شده خواهیم داشت تا بتوانیم با توجه به نوع کاربرد مورد هدف، طراحی دقیقی را انجام وجهت ساخت و تولید آن کالا، مواد اولیه و تجهیزات مناسب و مرتبطی را مهیا و عملیات تولید را آغاز نماییم .

در واقع فنرهاي مكانيكي اجزاء قابل ارتجاعي هستند كه نيرو يا گشتاور نيرو را اعمال ميكنند. یعنی انرژي را جذب و ذخيره نموده و سپس آزاد ميكنند. بطور كلي ( اما نه هميشه )از فلز ساخته ميشوند و ميتوان آنهارا بصورت فنرهاي سيمي ، فنرهاي تخت يا فنرهايي با اشكال ويژه هندسي دسته بندي كرد .در صنایع و یا مکانهای خاصی از صنعت و مواقعي كه بار دستگاه كم باشد از جنس پلاستيكهاي تقويت شده نيز ساخته ميشوند، مانند سپر اتومبيل ها، كاپوت اتومبيل، پلها،قسمتهاي مختلفي از ساختمانها و بسیاری از قطعات دیگر که نیاز به انعطاف پذیری نسبتا خوب دارند، از این نوع کالای غیر فلزی و البته با ترکیبات خاص استفاده میگردد .
نوع دیگر فنرهاي پنوماتيكي هستند كه در آنها از قابليت تراكم گازها استفاده ميشود مانند بار كمپرسي با هواي فشرده ،كه در فنرهاي ئيدرو پنوماتيك از گاز نيتروژن فشرده براي فشارهاي زياد استفاده ميكنند،مانند فنرهاي اتومبيل سيتروئن و ... .

در مجموع فنرها انواع محتلفي دارند كه با توجه به نياز و محل كاربرد آنها طراحي و توليد ميگردند ،
لذا با توجه به کثرت و تنوع بسیار زیاد آنها به تعریف و مشخصات مورد نیاز جهت ساخت بعضی از اهم آنها که نسبتا كاربرد بيشتري در صنايع دارند خواهیم پرداخت .

اين عضو مكانيكي در شکلهای متنوع در صنعت كاربردهاي بسيار مهمي داشته و دارند که از مهمترين انواع آنها را میتوان به انوع فنرهای مفتول لول شده (فشاري ، كششي ،خمشي و پيچشي ) و مفتولی فرم دار که از نوع گرد ، تخت سطح مقطع مستطیلی ، بیضی و ... و حتی انواع لاستیکی با فرمهای مختلف و نیز انواع فنرهای گازی شکل نیز اشاره نمود .

به عنوان مثال و به جهت معرفی برای انواع فنرهای فوق میتوان به اشکال مختلف ذیل اشاره نمود .


• انواع فنرهای مفتولی ( لول – کششی – فرم دار و خمشی )

• نوع فشاری





• نمونه فنر تخت ( تسمه ای )


نمونه فنر سنگین کار که در بعضی ازمدلهای خودرو ها بکار میرود .











حال با توجه به آشنایی کلی با تعریف و همچنین تنوع فنرها بهتراست تا با مواد اولیه و بعضی از خواص مورد نیاز در آنها نیز آشنا شویم .

• ماده اولیه فنردر حالت عمومی و ایده آل
يك ماده فنررامي توان ماده اي دانست كه قابليت ذخيره انرژي به وسيله تغيير شكل رادر خودش داشته باشد .يعني انرژي حاصل ازنيروهاي خارجي راجذب كرده ودر زمان دلخواه به طور كامل آن رابرگرداند.
• عوامل مؤثر درانتخاب ماده فنر
هرماده فنر با توجه به شرايط عملكردي و باري كه به آن اعمال مي شود، انتخاب ميگردد. مهمترين عوامل مؤثر درانتخاب يك ماده فنرعبارتند از :

1- تنش كاري :
• تنش هاي استاتيكي (ايستايي) .
• تنش هاي ديناميكي (تكراي) .
• تنشهاي خمشي .
• تنشهاي محوري ( فشاري و كششي ).
• تنشهاي برشي .
• تنشهاي پيچشي .

2- محيطی که فنر در آنجا بکار گرفته خواهد شد ( محیط كاري فنر ) :
الف) درجه حرارت ( از دماهاي زير صفر تا دماهاي بسيار بالا ).
ب) خوردگي ( خوردگي حاصل از انواع اسيدها، قلياها، رطوبت و غيره ... و حتی گازها ).

حال با توجه به یکسری از اطلاعات فوق از مواد اولیه ای که جهت تولید فنر در کاربردهای متفاوت استفاده خواهیم کرد ، توقعات و انتظاراتی را داریم تا ما را به هدف که همان طراحی صحیح میباشد، نزدیک نماید .

• خواص قابل انتظار از مواد مخصوص فنر
خواص يك ماده فنر ممكن است قبل و بعد از توليد، بايكديگر تفاوت داشته باشند، چرا که باتوجه به نیروهایی که در حین تولید به مواد اولیه وارد میشود تا فرم دهی ها و پیچشها و خمها انجام گردد، باعث میگردد که تغییراتی در ساختار مواد اولیه ایجاد گردد که در حالت کلی برای بهبود و نزدیکتر شدن مواد اولیه به هدف محصول تولید شده، میتوان آنها را ( مواد اولیه را ) به چهار دسته ازخصوصيات لازم براي ساختن فنر تقسیم بندی نمود :
1- شكل پذيري خوب به همراه خواص الاستيك كم .
2- عاري بودن از نقايص و عيوب .( که معمولا برای رسیدن به این هدف از نورد کردن ماده اولیه و رسیدن به قطر مورد نظر اینکار انجام میگردد ).
3- هزينه پايين .
4- قابل دسترس بودن .

ولي بعداز ساخت فنر بدلیل نیروهایی که به آن وارد میشود، در ساختار و شبکه کریستالی آنها تغییراتی اعمال میگردد که باعث تغییر خواص آن ماده خواهد شد، لذا با توجه به خواص مورد انتظار از فنرها که عبارتند از :

1- استحكا مكانيكي بالا، بويژه حد الاستيك بالا .
2- مقاومت بالا در مقابل خستگي .
3- مدول الاستيك مناسب ( E و G ) .
4- مقاومت بالا در مقابل خوردگي .
5- مقاومت بالا در مقابل خزش .
6- تاثير پذيري كم از درجه حرارت .
7- خواص الكتريكي خوب ( در صورت نياز ) .
8- خواص مغناطيسي خوب ( در صورت نياز) .
البته شایان ذکر است که به ندرت اتفاق ميافتد كه لازم باشد همه خواص فوق در يك فنر مورد نیاز باشند .

جهت امکان بازگرداندن این خواص معمولا در انتخاب آن به گونه ای رفتار میگردد تا این قابلیت (امکان بازگردادن خواص ) وجود داشته باشد .
همچنین بازگردادن این خواص معمولا با روشهایی همراه است که اغلب نیاز به تجهیزات وروشهای خاصی نیز هستند .(که به آنخا نیز در ادامه پرداخته خواهد شد ).

مواد مرسوم قابل استفاده در فنرها
مواد مرسوم قابل استفاده در فنرها را ميتوان به هفت گروه اصلي تقسيم بندي كرد :

1- فولادهاي كربني .
• فولادهاي كربني به آن دسته از فولادها اطلاق ميگرزدد كه كربن، اصلي ترين عنصر آلياژي آن باشد و عناصري نظير منگنز، سيليسيم و آلومينيوم به ميزان كم درآن حضور داشته باشند .

2- فولادهاي آلياژي .
• به فولادهايي گفته ميشود كه درصد عناصر آلياژي در تركيب آنها قابل توجه بوده و نقش اصلي در تعيين خواص مكانيكي عناصر آلياژي ايفا ميكنند .

3- فولادهاي زنگ نزن .
• فولادهايي هستند كه در مقابل خوردگي و زنگ زدگي مقاوم هستند .

4- آلياژهاي پايه - مس .
• آلياژهايي هستند كه درصد عناصري مثل مس، روي و قلع در آنها بسيار زياد بوده و درمقابل خوردگي مقاوم هستند.

5- آلياژهاي پايه- نيكل .
• پايه اصلي اين آلياژها را نيكل تشكيل داده و داراي انعطاف پذيري خوب، چقرمگي شكست بالا و مقاوم در مقابل تغيير دما ميباشند.



6- آلياژهاي مدول ثابت.
• آلياژهايي هستند كه مدول الاستيسيته آنها در درجه حرارتهاي مختلف ثابت بوده وقالبا در ابزار دقيق بكار برده ميشوند.
7- مواد متفرقه .
• موادي مثل چوب، شيشه، پلاستيك، تيتانيوم و غيره .

فولادهاي كربني از نظر ميزان كربن عموما به سه دسته تقسيم ميشوند :
• مقدار كربن پايين تر از0.2 %
• مقدار كربن بين 0.2 تا 0.5 %
• مقدار كربن بالاتر از 0.5 %

فولادهاي دسته سوم را با عنوان فولادهاي فنري پر كربن نيز ميشناسند كه از لحاظ اقتصادي استفاده از اين فولادها (در صورت امكان )،ارجحيت دارد. مهمترين اينگونه فولادها عبارتند از :
• فولاد فنر سيم موزيك ( موسيقي) MUSIC WIRE
• فولاد فنر كشيده شده به صورت سخت . HARD_ DRAWN
• فولادهاي فنر تمپر شده با روغن. OIL_ TEMPERED
• فولادهاي فنر سوپاپ. VALVE_SPRING
مفتولهاي فولادي نورد شده به صورت گرم .
براي فنرهاي با قطر مفتول بالا حلقه شدن به روش گرم خواهد بود، مفتول با قطر زياد ( انديس فنر D/d بالاتر از 6 که در آن d قطر داخلی حلقه فنر وD قطر خارجی آن میباشد) را نميتوان به صورت سرد حلقه پيچي نمود. لذا اين مفتول ها را در حد سرخ شدن ( اغلب بالاتر از درجه حرارت سخت كردن ) گرما داده و در همان حالت به صورت گرم حلقه پيچي ميشود .

انتخاب نوع فرآيند فنر پيچي ( به لحاظ سرد يا گرم بودن ) به عوامل زير بستگي دارد كه در تعيين نوع فرآيند و تجهيزات حائز اهميت ميباشند :
1- اندازه مفتول
2- انديس فنر ( D/d )
3- تجهيزات قابل دسترس
4- نوع ماده فنر




كه اين فولادها در چند نوع قابل دسترس هستند
1- فولادهاي كربني نورد شده به روش گرم .
2- فولادهاي آلياژي نورد شده به روش گرم .
3- فولادهاي ابزار .
در واقع جهت طراحی فنر لازم است تا نکات ذیل رعایت شود .

فنر خطي:
كشساني خاصيتي از ماده است كه آنرا قادر مي سازد تا پس از تغيير شكل، شكل اوليه اش را باز يابد. فنر يك جزء مكانيكي است كه هنگام تغيير شكل دادن نيرو اعمال مي كند. خيز y كه با اعمال نيروي Fحاصل مي شود با نيروي Fمتناسب است مگر اينكه نيرويF ازحدكشساني بگذرد. چنين فنري را مي توان فنر خطي ناميد. رابطه عمومي بين خيز و نيروF=KY يا K= را ثابت فنر نامند .براي فنر خطي K= كه در آن E مدول كشساني، Lطول ميله و A سطح مقطع آن است E ضريب يانگ نيز ناميده مي شود . مثلا" فنری که در یکی از آبگرمكنهای موجود در بازار با نرم هاي استاندارد DIN2084 و DIN2045 با یک فنر از نوع خطی مطابقت دارد ، شكل (2) ، از نظر تئوري ضريب سختي اين فنر برابر خواهد بود با :
(3) k= با استفاده از قضيه كاستيگيانو ضريب K محاسبه مي شود.



G مدول سختي ماده بكار رفته e N تعداد حلقه هاي موثر d قطر مفتول و Dmقطر متوسطه حلقه فنر است اگر طول اوليه را L بناميم خواهيم داشت :

(4) ( ( L-L )= -L =k(L = (L) F
كه در آن L فاصله لحظه اي كف تا لبه فنر مي باشد. پارامترهايG،d، N، D ، L براي يك فنر ساخته شده ثابت هستند در صورتيكه فنر بصورت خطي رفتار كند نیروی = به خودي خود تامين مي گردد.

اين يك بحث صرفآ تئوريك است ولي در عمل مشكلاتي پيش مي آيد. روابط 3و4 وقتي صادقند كه فنر كاملا" خطي رفتار كندو خطي عمل كردن فنر به دو عامل مربوط است.
1- عامل خطي رفتار كردن مكانيكي ماده بكار رفته
2- متقارن پيچيده شدن فنر در پروسه ساخت.
يعني (تساوي گامها) با يكديگر در پروسه ساخت و توليد كه امكان ثابت نگاه داشتن گام در طول فنر بصورت كاملا" دقيق وجود ندارد و در عمل هيچگاه دو گام متوالي از فنر يكسان نيست و حتي با فرض كاملا" خطي بودن رفتار مكانيكي ماده فنري بكار رفته در ساخت فنر نيز، فنرهاي توليدي هرگز كاملا" صفحه :4 خطي نبوده و ضريب سختي بدست آمده در عمل با ضريب سختي محاسبه شده از رابطه (3) متفاوت خواهد بود.

در عمل رسيدن به عددي به نام ضريب سختي براي فنربي مفهوم بوده و فنر عملا" بايد بتواند شرايط خواسته شده از سوي سفارش دهنده را دارا باشد يعني و =
باشد بدين معني كه از يك فنر انتظار عكس العمل معادل در طول و در طول را داريم بنابراين با توجه به رابطه (4) جهت دستيابي به نيروي در طول براي يك فنر مطلوب پذيرفتن يكي از دو شرط ذيل اجباري است:
1- تعديل در مقدار عبارت 2- تعديل در مقدار عبارت K
نتيجه اينكه بدليل محدوديت در پروسه توليد فنرهاي مارپيچ رسيدن به يك ضريب سختي تئوريك و كاملا" خطي امكان پذير نيست. K عملي با Kتئوريك تفاوت دارد. سازنده ناگزير بايد را تغيير دهد . تعديل در ضريب سختي با يكي از دو روش زير :
الف- مجاز دانستن تغييرات در پارامترهاي و d
ب- مجاز دانستن در تغيير پارامترهاي و ضروري است.
در طراحي فنر بايد به چند موضوع توجه كرد :
1- ابعاد مرجع : پارامترهائي هستند كه تغيير در اندازه آنها از سوي سفارش دهنده مجاز شناخته مي شود مانند و و تولرانس گذاري روي ابعاد مرجع در نقشه فنرها مجاز نبوده و انحراف از اعداد مبنا نيز توسط Grade خواسته شده تعيين مي شود.
2- ابعاد كنترلي: سازنده موظف است كليه ابعاد كنترلي ذكر شده را از سوي سفارش دهنده تضمين كند پارامترهائي نظير = و از اين دسته اند.
3- تولرانس گذاري: روي تمامي ابعاد هندسي بسته به نياز و عملكرد فنر در خواستي مي بايد پارامترهاي 1 را بعنوان ابعاد مرجع انتخاب نموده و تلرانس اين ابعاد را حذف كرد.
4- دادن ضريب سختي در نقشه هاي فنرهاي مارپيچ همواره بعنوان يك عدد مرجع لازم بوده و گذاردن تولرانس روي آن از نظر استاندارد صحيح نيست.

تولرانس گذاري
تغيير هاي قطر سيم و قطر حلقه هاي فنر بر تنش و ضريب سختي فنر اثر مي گذارد.
تولرانس هاي بزرگ در فنر هاي ارزان قيمت تر ديده مي شود بنابراين تعريف تولرانس مرحله مهمي از طراحي فنر راتشكيل مي دهد . تولرانس هاي تجارتي قطر سيم معمولا" بيشتر از به اضافه يا منهاي 5/1% قطر نيست. تولرانس قطر حلقه از حدود 5% براي فنرهاي با شاخص تا بيشتر از 25% براي مقدارهاي برابر 16 يا بيشتر تغيير مي كند . اين تولرانس ها بطور تقريبي به3 grade مربوط مي شوند كه از Din2095 استخراج شده است.


در اين جدول Meandiameter ، Dm قطر متوسط حلقه ، W همان ضريب سختي فنر است. كه تغيير نمي كند. ابعاد بر حسب mm منظور شده است قطر داخلي حلقه مي باشد، تغييرات مجاز در قطر سيم نيز در Din2076 درج شده است در جدول اشاره به پارامترهاي ( Dm,Di,Da) است.

فنرهاي مارپيچ و معادلات خميدگي
اشكال زير فنر هاي مارپيچ متراكم و فشرده را بخوبي نشان مي دهد. نيروي خارجي F در امتداد محور مارپيچ وارد شده و زاويه گام نام دارد. حلقه آخر با زاويه گام صفر مانند يك صفحه متوازن قرار گرفته باين ترتيب كه فشار اعمال شده بوسيله حلقه مسطح انتهائي بطور يكنواخت توزيع مي گرددو حلقه بالائي طوري شكل داده شده كه نيروي اعمال شده همواره در امتداد محور فنر باشد. اين شكل نشان مي دهد كه :
1- يك نيروي برشي F وارد شده .
2- گشتاور اين نيرو است.








نقشه هاي شكل (3) بدون بار خمشي با زاويه گام بزرگتر از و خميدگي هر حلقه بزرگتر از مشخص شده است . شكل a و c فنر مارپيچي فشاري و برشي را نشان مي دهد.
b و d مقاطع برش داده همين دو شكل است.

نيروي برشي كه فنر را مي پيچاند در هر حلقه بيشتر از حلقه بعدي است و در تمام طول فعال سيم در مار پيچ هر حلقه در معرض گشتاور قرار دارد.
براي مجسم شدن بهتر پيچش فنر يك لوله لاستيكي آبياري را كه پيچيده شده است در نظر بگيريد. حالا يك سر لوله را در امتداد خط مستقيم عمود بر صفحه پيچه (حلقه) بكشيد. با باز شدن هر دور از پيچه ها لوله لاستيكي حول محورش مي پيچد و مي چرخد. پيچيدن فنر مارپيچي نيز درست مشابه همين لوله است با استفاده از اصل بر هم نهش ، نيروهاي تنشي وارد بر سيم را مي توان از معادله زير محاسبه كرد. (5)
عبارت را در مورد ميله فنري داشتيم با قرار دادن ، ، ،
نتيجه مي گيريم :

نسبت شاخص فنر نام دارد و آنرا معيار انحناي مارپيچ تعريف مي كنند پس را ضريب تنش برشي مي نامند و خواهيم داشت:
(8)
براي بيشتر فنرها C در گستره اي حدود 6 تا 12 تغيير مي كند معادله 9 يك معادله عمومي است و براي هر دو نوع بار استاتيك و ديناميك بكار مي رود و نويسندگان زيادي در كتب طراحي اجزاء تنش برش ماكزيمم وارد بر سيم را از معادله كلي زير بدست مي آورند ( با ضريب k بدو ن انديس S ) .
(9)



اگر چه برخورد رياضي وراي هدفهاي تهيه اين مجموعه است ولي بايد توجه شود كه نخستين تحليل از برش مقطع فنر مارپيچ و اثر انحناء بوسيله A.M.Wahl از موسسه و ستينگهاوس بعمل آمده وي در خلاصه گزارش انجمن مهندسان مكانيك ايالات متحده امريكا در 1929 ضمن محاسباتي كه بسيار پيچيده و متنوع است نتيجه گرفت كه
(10) كه آنرا ضريب وال نامند.
قسمت اول اين ضريب براي بارهاي استاتيك است كه در آن اثر انحناء محاسبه شده و در واقع يك ضريب براي تراكم است. قسمت دوم معادله مي تواند براي بارهاي استاتيك مواد لوله شونده ناديده انگاشته شود و فقط منظور شود. حقيقتآ در اجراي بابارهاي استاتيك و فشار هاي زياد اغلب فرض مي شود كه فشار ها طوري توزيع مي شوند كه معادله 10 بدون تصحيح مي تواند بكار رود.

پس معادله كامل شامل فاكتور وال بطور عمومي براي فنرهاي با شكل هندسي نرمال وقتي
و باشد بصورت زير نوشته مي شود
(11)

معادله 11 براي بار خستگي و بار استاتيك بكار مي رود. خستگي گسيختگي براي فنر ها در موتور هاي با دور زياد بروز مي كند براي بار استاتيك تنها


(12)
مقادير قبلا" توضيح داده شده است.
شكل زیر فنر مارپيچي فشرده (متراكمي) را نشان مي دهد كه داراي گام نا برابر است
(غير مساوي) در حاليكه گام فاصله اي است موازي محور فنر از نقطه اي واقع بر يك پيچه تا نقطه متناظر آن بر روي پيچه مجاور كه اندازه گيري شده است .

هنگاميكه فنر بار ميگيرد ابتدا حلقه هاي فعال نزديك به انتهاي فنر آزاد مي شوند و در نتيجه غير فعال مي گردند مانند حلقه آخري كه در ارتباط با plate انتهائي قرار دارد.

همانطوريكه حلقه ها درچرخش ها ي متوالي آزاد مي شوند فنربطور فزاينده اي سفت (شق )مي شود و تعداد حلقه هاي فعال تصاعدي كاهش مي يابد وبه موجب آن K به صورت فزاينده زياد مي شود اين امر در برخي موارد مطلوب است .
اغلب فنرهاي مارپيچي (ونه تمام آنها) حلقه هاي با قطر حلقه مساوي هستند .تعداد معدودي ازآنها مخروطي هستند كه درشكل 7 نشان داده شده است .
اين فنرها يك زاويه شيب مخروطي كافي دارند . حلقه ها مي توانند دركنار يكديگر جاي گيرند ويك ارتفاع سه بعدي بدست آورند از آنجا كه گشتاور بكار گرفته شده در حلقه هاي كوچكتر كمتراست ازاندازه آن درچرخش رفت وبرگشت هاي باقطربزرگتر درنتيجه فشارهاي پيچشي (انقباضي ) درطول ،درازاي سيم تغيير مي كند . اين بدين معناست كه سيم ازيك فنر مارپيچي كارآئي كمتري دارد .
تغيير مناسب گام درطول فنر(گام ها مساوي نيستند) آزاد سازي همزمان كليه حلقه ها رابطور دلخواه ميسرمي سازد.

خمش يك فنر مخروطي بااستفاده ازمعادلات زيربدقت قابل تخمين زدن مي باشد بااين توضيح كه D دراين معادلات قطر متوسط (ميانگين قطرداخلي وخارجي) حلقه مياني درمجموعه فنراست ضريب سختي فنرمخروطي K وزاويه خمش ازروابط زير بدست مي آيد :

(13) و


بطور كلي فنرهاي پيچشي درلوله هاي در، استارت اتومبيل ها ودرحقيقت براي هركاربردي كه نيازبه لنگرداشته باشند بكارمي روند. يك فنرپيچشي كه تحت اثرگشتاور خمشي قرارگرفته باشد درسيم تنش عمودي ايجاد مي كندتوجه كنيد كه در آنها بافنرهاي مارپيچي فشاري يا كششي تفاوت وجود دارد دراين دسته ازفنرها يعني مارپيچي فشاري وكششي ،بارتنش پيچشي در سيم ايجاد مي كند.




شکل 9


شكل(9)- سرهاي فنركششي .(الف) طرح معمولي ،تنش درA ازتركيب نيروهاي محوري وخمشي ناشي مي شود.(ب)نيمرخ (الف)تنش درB بيشتربه صورت پيچشي است .(ج) طرح اطلاح شده ؛ تنش درA ازتركيب نيروهاي محوري وخمشي ناشي مي شود . (د)نيمرخ (ج) تنش درB بيشتربه صورت پيچشي است.
فنرهاي كششي لزوما بايد وسيله اي براي انتقال بارازتكيه گاه بر بدنه فنرداشته باشند درهنگام طراحي فنري باسرقلاب دار، اثرتمركز تنش رابايد منظور كرد درشكل 9 متداول ترين روشهاي طراحي سرفنركششي نشان داده شده است .
ضريب تمركز تنش ازرابطه بدست مي آيد .درهنگام بدست آوردن معادلات اساسي تنش براي كشش ، فشار،پيچش ، خمش فرض براين است كه هيچ نايكنواختي درجزء تحت بررسي وجود نداشته باشد . ولي بسياردشوار است كه ماشيني رابدون مجاز دانستن پاره اي تغييرات درمقاطع عضوهايش طراحي كرد. مثلابرروي محورهاي گردان بايد پله هائي راطراحي كرد كه ياتاقانها بتوانند به شكل مناسبي براي تحمل بارهاي محوري برآنها بنشينند وبرروي محورها بايد جاي خارايجاد شود تاچرخ تسمه ها وچرخ دنده ها رانگاه دارد.هرناپيوستگي درقطعه اي ازماشين توزيع تنش رادرهمسايگي خود تغيير ميدهد. بطوريكه معادلات ابتدائي تنش ديگرنمي توانند حالت تنش قطعه رابيان كنند ناحيه پديدارشدن اين تنش هاي افزاينده راناحيه هاي تمركز تنش مي نامند.

شكل (10)- انواع سرهاي مورد استفاده درفنرهاي پيچشي


درشكل(11)طول آزاد فنر بدون اعمال بارخارجي F وارد شده،باعث افزايش طول yمي شودوتنش هاي وارد برفنردرشكلهاي الف وب هم جهت هستند . شكل ج رابطه بين نيروهاي خارجي وافزايش طول رانشان مي دهد.مي بينيم كه F ازكشش اوليه Fi قبل ازآنكه فنربه اندازه y كشيده شود تجاوز مي كند .
اين يك رابطه خطي براي فنرهاي كششي است.

شكل (11)- شبيه سازي يك فنركششي باكشش اوليه (الف) بدون نيروي خارجي؛ فنرقطعه A را بانيروي اوليه Fi فشارميدهد؛ طول آزاد LF است . (ب) فنربراثرنيروي خارجيF به اندازه y كش مي آيد. (ج)رابطه نيرو – خيز.
فنرهاي فشاري
چهارنوع سردرفنرهاي فشاري مورد استفاده قرارمي گيرند. فنرهاي باسرساده .شكل مارپيچي قطع نشده را داردوسرهاي فنرمشابه هستند انگاركه فنربلندي بريده شده باشد. بسته به نوع سر،حلقه هاي مرده ياغيرفعال درهر دوسرفنرايجاد مي شود كه درآن N تعدادحلقه هاي فعال تعدادكل حلقه ها و تعداد حلقه هاي غيرفعال .

شكل12 –انواع سرهاي فنرفشاري: (الف) هردوسرساده ؛ (ب) دوسر جمع شده، ؛
(ج) دوسر جمع شده وسنگ زده، ؛ (د) دوسرساده وسنگ زده ،

فنرهاي بلويل
شكل زير يك فنرديسكي مخروطي رانشان مي دهد كه معمولا آنرافنربلويل مي نامند. جدا ازفايده آشكار اشغال جاي كم باتغييرنسبت انواع گوناگوني ازمنحني هاي بار – خيز بدست مي آيد اين فنرها براي مكانيسم هاي قفل كن مفيد مي باشند مانند صفحه مثلثي فنر62 آبگرمكن هاي بوتان كه نقش گازبند كردن رادارد ( قفل كن ) مي توان باآشيانه سازي ، يعني باروي هم گذاري فنرها بطور موازي ،باربيشتري رابازاي خيز معيني اعمال كرد اگرچه رويهم گذاري بطور سري خيزبيشتري را براي باريكسان ايجاد ميكند ولي دراين موردخطر ناپايداري وجود دارد.



فنرهاي گوناگون
درشكل زيرفنركششي نشان داده شده است كه ازتسمه فولادي قدري منحني شده (نه تخت) ساخته مي شودبطوري كه نيروي لازم براي بازكردن آن ثابت مي ماند لذا آنرافنرنيروي ثابت نامند. اين حالت باآهنگ فنر صفرمعادل است . فلز حلزوني تسمه فولادي پهن ونازك وتختي است كه دور قسمت تخت طوري پيچيده ميشود كه پيچه ها داخل يكديگر قرارميگيرند چون پيچه ها رويهم گذاشته نمي شوند ارتفاع مرده فنرهمان پهناي تسمه است.

مقياس فنري متغييردريك فنر حلزوني را ميتوان باتماس دادن حلقه ها باتكيه گاه بدست آورد . مزيت مهمي كه فنرها ي حلزوني دارند آنستكه نمي توان بافنرهاي ساخته شده ازسيم گرد باين مقياس متغير دست يافت اصطحلاك لغزشي به گونه اي عمل مي كند كه ارتعاشات يا آشفتگيهاي ناخواسته مثلا ناشي ازتشديد راميرا مي كند. تشديد وقتي پيش مي آيد كه فركانس مخصوص فنر بافركانس ضربه نيروي F برابر يا نزديك باشد .


مواد فنر

فنرها بسته به اندازه فنر _ اندازه ماده ، شاخص فنر وخاصيتهاي مورد نظر ساخته مي شوند.
اگر يا d>6mm باشد ازسيم پيش سخت شده نبايد استفاده كرد پيچيدن فنر دراين موارد
تنش ها ي پسماند خمشي ايجاد مي كند . اين تنشها برامتداد تنش هاي پيچشي دريك فنر مارپيچي عمودند .درهنگام ساخت پس ازپيچيدن فنر باعمليا ت گرمايي (فرآيند گرم كاري) اين تنش هاي پسماند رارها مي كنند . انواع گوناگوني ازمواد فنر دردسترس طراح است . فولاد كربني فولادهاي آلياژي ، فولادهاي مقاوم دربرابر خوردگي همراه بامواد غير آهني مانند فسفربرنز ، برنج فنري مس بريليوم دار وآلياژهاي مختلف نيكل.
مواد فنر رامي توان بابررسي استحكام هاي كششي مقايسه كرد اين كميت ها با تغيير اندازه سيم وبا تغيير نوع ماده تغيير مي كنند.

1- سيم موسيقي : اين بهترين وپرمصرف ترين ماده بين تمام مواد فنري براي ساختن فنرهاي كوچك است بالاترين استحكام كششي رادارد وميتواند تحت بارگذاري هاي تكراري نسبت به ساير مواد تنش بيشتري راتحمل كند . دردماي بالاتر از C ˚125يا كمتر از C ˚0 نبايد ازآن استفاده كرد.

2- سيم باز پخت شده درروغن : اين نوع فولاد فنري مصرف عمومي دارد وبراي بارگذاري ضربه اي مناسب نيست ودرفنرهاي حلقوي كه بدلايل اقتصادي ازسيم موسيقي نمي توان استفاده كرد از اين ماده استفاده مي شود . دردماي بيشتر از C ˚180يا كمتراز C ˚0ازاين ماده استفاده نميشود.

3- سيم سخت كشيده شده : اين ارزانترين نوع فولاد فنري بامصرف عمومي است بايد درمواردي كه عمر وافت وخيز چندان مهم نيست ازآن استفاده شود دربيشتر از C ˚120 وكمتراز C˚0 نبايد استفاده شود


4- كروم واناديم : اين مشهورترين فولاد فنري آلياژي است . براي شرايطي است كه ميزان تنش بالاتراز حدي است كه بتوان ازفولادهاي پركربن استفاده كرد . درمواردي كه مي بايست حد دوام فنر زياد باشد ازآن استفاده مي شود . دربارگذاري ضربه اي نيز خوب كارميكند تا C ˚220ميتوان باآن كاركرد.

5- كروم سيليسيوم : اين آلياژ ماده اي بسيار عالي براي فنرهاي پرتنشي است كه به عمر دراز نياز دارند ودر معرض بارگذاري ضربه اي قرار مي گيرند . مي توان تا دماي C ˚250از آن استفاده كرد.

طراحي فنرهاي مارپيچي

درطراحي يك فنر مي بايد نكات زيررادرنظر گرفت
1- فضائي كه بايد فنر درآن قرار گيرد وكاركند .
2- مقدار نيروها وخيزهاي كاري
3- دقت وقابليت اعتماد مورد نياز
4- تلرانس ها وتغييرات مجازدر ويژگيهاي فني
5- شرايط محيطي مانند دما وجو خورنده
6- هزينه توليد وتعداد مورد نياز

به دليل تعداد زياد متغير هاي وابسته به هم مسئله ساده نيست . به اين دليل پژوهشگران كوشش زيادي به عمل آورده اندتابا استفاده ازنمودارها وحل ترسيمي معادلات مسئله راساده تركنند.
امروزه دسترسي گسترده به كامپيوترهاي برنامه پذيرامكان طراحي فنر راساده تركرده است .معمولا فقط از تعداد محدودي ازسيم ها مي توان براي ساخت فنر استفاده كرد . انتخاب يك ماده ،مشخص كردن مقدار هاي مناسب براي اندازه سيم ،تعداد حلقه ها ، قطر، طول آزاد سيم ، نوع دوسر وضريب سختي فنر مورد نياز براي يافتن طرح مطلوب باوجود كامپيوتر نياز بدفعات تكراري ندارد به آسانی با تکنولوژیهای پیشرفته روز امکانپذیر شده است .
درواقع تا کنون با انواع مدل فنرها – جنس آنها – مواد اولیه – خواص آنها و ... آشنا شدیم ، لذا با توجه به مطالب ارایه شده و همچنین حساسیتهای موجود در طراحی ، انتخاب مواد و محل کاربرد فنر و ... لازم است تا تجهیزات و روشهای مناسبی برای تولید انتخاب گردد تا انتظارات صنایع را فراهم سازد .


روشهای تولید

 روشهای سنتی :
که از قبل مرسوم بوده ئ هنوز هم در بعضی از کارگاهها با این روش تولیدانجام میشود و معمولا اغلب محصولات تولیدی با این روشها ازحساسیتهای بالایی برخوردار نیستند و یادر صورت لزوم و نیاز به حساسیت بالا ، نیاز به صرف وقت ، دقت و هزینه های بالایی ( مانند استاد کار متخصص و... ) میباشد .
 روشهای مدرن و امروزی :
که معمولا با توجه به نوع طراحی و حساسیتهای آن ، مواد و تجهیزات انتخاب میگردد وسپس توسط ماشینهای اتوماتیک که اغلب قابلیت برنه ریزی را دارند ، مانند تجهیزاتNC و یا CNC تولید آنها انجام میگردد .

• انواع روشهای دستی و سنتی :
1. توسط دریل دستی ومیله های مخصوص :
در این روش با استفاده از یک دریل دستی - یک میلگرد روتراش شده با قطر مشخص و متناسب با فطر داخلی فنر – ایجاد برجستگیهایی در نقاطی ازاین میله با شکل وانداره و موقعیت تعریف شده – ایجاد یک سوراخ یا شیار در سریا ناحیه ای از میله امکان پذیر میباشد .
به اینصورت که در ابتدا قسمتی از مفتول به اندازه مناسب جدا شده وسپس یک سر مفتول در شیارمیله قرار گرفته و با یک دست اهرم دریل دستی به گردش درآمده تا میله حول محور (همراه با سه نظام ) دوران نموده و مفتول را بدور خود و به تعداد دور مورد نظر پیچیده شود، همزمان با دست دیگرادامه مفتول کنترل و هدایت میشود ، سپس درصورت لزوم وبا توجه به فرمهای مشخص شده در طراحی توسط نیروی دست و بعضا به کمک اهرمهایی مفتول بدور برجسگیها پیچیده شده ویا خم میگردد تا حالت مورد نظر ایجاد شود ، که درنهایت فنر فرم دای حاصل خواهد شد .
در این روش فنرهای تولید شده دارای دقت و حساسیت کمی بوده و چون از نیروی دست کمک گرفته میشود لذا فنرهایی با قطر مفتول کم با این روش تولید میگردد .
معمولا اینگونه فنرها در مکانهایی استفاده میشوند که نیروی آنها زیاد مد نظر نبوده و اغلب انعطاف پذیری و حالت فنریت مهم میباشد ،مانند فنرهای اشپیل .






2-به کمک ماشین تراش معمولی :
دراین روش میلگردی روتراشی شده با قطر مشخص و طول متناسب با طول فنر به سه نظام دستگاه تراش بسته شده که سر دیگر آن توسط مرغک مهار شده، بجای ابزار گیر دستگاه از یک فیکسچر با دو فک که روی هر یک از آنها شیاری با شعاع نزدیک به قطر مفتول ایجاد شده است استفاده میشود بطوریکه مفتول با نیرویی که از سوی حرکت چرخشی میلگرد ایجاد شده از بین این دوفک عبور کرده و بدور میلگرد پیچیده میشود و فنر مورد نظر تولید میشود .
البته گام فنر نیز با توجه به دور دستگاه و حرکت افقی سوپرت که از مکانیسم پیچ بری دستگاه فرمان میگیرد ، تنطیم میشود .
در این روش فنر تولید شده از دقت وحساسیت چندانی برخوردار نیست ولی نسبت به روش قبل دارای دقت بیشتری میباشد .
روش تولید ساده بوده و نیازی به تجهیرات خاص و پیچیده ای ندارد .
تقریبا تولید فنر در قطر و سایزهای متنوعی امکان پذیر است.
اما در هر صورت دقت کافی برای کارهای دقیق را ندارد و معمولا در مکانهایی استفاده میگردد که صرفا ایجاد یک نیرو ( فشار یا کشش و... ) بدون دقت کافی و با تلرانسهای بالا مورد نیاز است .

3-به کمک قرقرهای مخصوص :
در این روش با استفاده از چندین قرقره که روی یک مکانیزم ( تشکیل شده از یک صفحه با چندین شیار بصورت منحنی یا خطی که بستگی به نوع و مدل فنر مورد نیاز دارد ) مونتاژ شده اند، که توسط چرخ دنده هایی درگیر شده و به کمک الکتروموتور حرکت کرده و توسط اهرم دستی و یا جکهای پنوماتیکی و در مفتولهای با قطر بالا توسط جکهای هیدرولیکی قرقره های متحرک داخل شیار ها حرکت داده شده و در زمانهای لازم اعمال نیرو نموده و باعث ایجاد فرم و یا حرکت خاصی از مفتول شده که در نهایت به تولید فنر منجر خواهد شد.

کاربرد این روش اغلب برای تولید فنرهای با قطر مفتول بالا ( فنرهای سنگین کار ) میباشد که معمولا به دو روش سرد یا گرم انجام میشود که در روش گرم ( معمولا برای فنرهایی با قطر بیش از 20 میلیمتر) دمای مفتول را تا حد بالاتر از دمای کارسخت رسانیده که باعث میشود مفتول با نیروی کمتری تبدیل به فنر گردد .
در روش گرم کار معمولا نسبت D/d فنر بالاتر از 6 میباشد .





4-به کمک ماشینهای تولید مخصوص فنر( ماشینهای NC و CNC ) :
در این روش مفتول فنر در پشت دستگاه روی قرقره ای پبچیده شده و از کانال تغذیه توسط تعدادی قرقره به سمت جلو رانده میشود، سپس توسط نوک فرمدهی شده ابزارهایی که روی ابزارگیرهای دستگاه نصب شده اند مفتول هدایت شده از کانال تغذیه که با نیروی جلو رونده زیادی به جلو حرکت میکند، فرم مورد نظر را بخود میگیرد .
طراحی و فرم دهی نوک ابزار و جنس آنها ( سختی بالا مد نظر است ) بسیار دقیق و مهم میباشد چراکه عدم فرسایش آنها و همچنین نوع انحنا و فرم مفتول برای تولید فنر بسیار بستگی به شعاع و زوایا و فرم دهی مفتول جهت رسیدن به فنر مورد نظر دارد .
در این روش برای ایجاد فرم فنر در انواع مختلف لول یا ایجاد خمها و فرمدهی های متنوع، لازم است تا سر هر یک از ابزار در موقعیت مشخص وتعریف شده ای نسبت به محل خروج مفتول از سیستم تغذیه و همچنین زاویه آن نسبت به مسیر حرکت خطی مفتول دارد تا با توجه به این پارامترها ی فیریکی دارد تا باعث فرمدهی مفتول و رسیدن آن به فنر موردنظر گردد.
همچنین سرعت حرکت خطی مفتول و مدت زمان قرار گیری ابزار در سر راه خروج مفتول، تعداد حلقه های مورد نظر را ایجاد خواهد نمود ، جهت ایجاد فرمهای مخصوص حرکت خطی مفتول و برخورد سرهای خاص ابزارهای متفاوت دیگر در زمانهای تعریف شده با زاویه ای مشخص میتواند فرمها و اشکال مختلفی را روی مفتول ایجاد نماید که در نهایت فنر فرمدار توسط تیغچه ای که در سر یک ابزارگیر نصب شده است جدا شده و در قسمت پایین دستگاه داخل سبد تعبیه شده ، جای میگیرد .

در مواقعی که البته بستگی به نوع کاربرد فنر و طراحی آن دارد ممکن است نیاز باشد تا دوسر فنر را سنگ زنی نمود تا هر دو سر فنر تخت شده و روی سطح قطعه مکمل خود که قرار است در محصولی روی آن قرار بگیرد ، کاملا مسطح بوده و عمود قرار گیرد تا اعمال نیروها در راستای محور بطور کامل انجام گردد .

عکس از یک دستگاه سنگ زنی دوسر فنر لول


در نهایت امر تولید و ساخت قطعه، همانطور که در متنهای بالا اشاره شد بدلیل اعمال نیروهای فشاری و پیچشی و ... روی مفتول در حین عملیات تولید ، لازم است تا در ابتدا محصول تولید شده توسط عملیاتهی تکمیلی م.رئ تنش گیری قرار گرفته و سپس آنهارا کنترل نموده تا اطمینان حاصل گردد که فرآیند تولید درست انجام شده است و محصول مطابق با طراحی مورد تولید شده است ؛ لذا لازم است تستهایی روی آن انجام گردد .

مهمترین تستها که معمولا در انواع مدلها همومیت بیشتری دارند عبارتند از :
1. تست خستگی
2. تست نیرو و ضریب سختی
3. تست سالت اسپری
4. تست کنترل ضخامت پوشش
5. و ... .











روشهای دیگر نیز اغلب مشابه روشهای فوق بوده و لذا ارائه آنها صرفا تکرار مطالب بود لذا جهت تکمیل و بهبود کیفیت مطالب ارایه شده سعی گردید تا عکسها – انیمیشنها – و.... و همچنین فایلهای ویدئویی بیشتری و متنوع ای در فرمتهای متنوع ای ارایه گردد تا موضوعات قابل درک و پر اثر برای دانشجویان محترم باشد .









ومن الله التوفیق

[alireza_vzr]

خیلی مفید بود .

[alijanbeygi]

سلام خواهشمند است منابع و کتابهای مربوط به ساختار انواع فنر ها :نحوه محاسبه نیروی انها و ضریب را معرفی کنید . متشکرم