آشنایی با انواع فنرها

مقدمه‌ای بر فنر

فنرها اجسام الاستیکی (عموماً فلزی) هستند که می‌توانند تحت تأثیر نیروهایی مانند پیچش، کشش یا فشردگی قرار گیرند. پس از حذف نیرو، این اجسام به شکل اولیه خود بازمی‌گردند. به بیان دیگر، فنر یک عضو ارتجاعی است که قادر به تحمل تغییر شکل‌های الاستیک بزرگ می‌باشد.

تعریف فنر

فنر به عنوان یک عنصر مکانیکی الاستیک تعریف می‌شود که تحت بارگذاری تغییر شکل می‌دهد و پس از حذف بار، به شکل اولیه خود بازمی‌گردد. فنر یک عضو ارتجاعی است که توانایی ارائه تغییر شکل‌های الاستیک بزرگ را دارد. به بیان دیگر، فنر به عنوان یک جسم الاستیک تعریف می‌شود که در اثر بارگذاری تغییر شکل داده و پس از رفع بار به شکل اولیه خود بازمی‌گردد.

عملکردهای مختلف فنرها

• جذب ضربه و ارتعاشات: فنرها در سیستم‌های تعلیق خودروها، فنرهای بافر راه‌آهن، فنرهای بافر در آسانسورها، و پایه‌های ضدارتعاش برای ماشین‌آلات استفاده می‌شوند.

• ذخیره‌سازی انرژی: فنرها در مواردی مانند ساعت‌ها، اسباب‌بازی‌ها، دوربین‌های فیلم‌برداری، قطع‌کننده‌های مدار و استارت‌ها برای ذخیره انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• اندازه‌گیری نیرو: فنرها در ترازوها و شاخص‌های موتور برای اندازه‌گیری نیرو به کار می‌روند.

• کنترل حرکت: در مکانیزم‌های بادامک و پیرو، فنرها برای حفظ تماس بین دو عنصر و کنترل حرکت استفاده می‌شوند.

• اعمال نیرو: در مکانیزم‌های سوپاپ موتور، فنرها برای بازگرداندن بازوی سوپاپ به موقعیت عادی پس از رفع نیرو استفاده می‌شوند. همچنین، فنرها در کلاچ‌ها برای اعمال نیروی لازم به کار می‌روند.

انواع فنرها

در ادامه مهمترین انواع فنرها براساس شکل آنها ذکر شده‌اند:

1. فنرهای مارپیچی

2. فنرهای مخروطی و ولوت

3. فنرهای پیچشی

4. فنرهای لایه‌ای یا برگی

5. فنرهای دیسکی یا بلویل

1. فنرهای مارپیچی

• فنر مارپیچی از سیمی ساخته می‌شود که معمولاً مقطع آن دایره‌ای است و به شکل مارپیچ خم شده است.

• دو نوع اساسی از فنرهای مارپیچی وجود دارد: فنر فشاری و فنر کششی.

• در فنر فشاری مارپیچی، نیروی خارجی به کوتاه شدن فنر تمایل دارد. به عبارت دیگر، فنر فشرده می‌شود.

• در فنر کششی مارپیچی، نیروی خارجی به طولانی شدن فنر تمایل دارد. به عبارت دیگر، فنر کشیده می‌شود.

• باید توجه داشت که با وجود اینکه فنر تحت فشار است، سیم فنر فشاری مارپیچی تحت تنش فشاری قرار نمی‌گیرد.

• همچنین، سیم فنر کششی مارپیچی تحت تنش کششی قرار ندارد، اگرچه فنر تحت کشش است.

• در هر دو حالت، تنش‌های برشی پیچشی در سیم فنر القا می‌شود.

• اصطلاحات فشاری و کششی به کل فنر مربوط می‌شود و نه به تنش‌های موجود در سیم فنر.

مزایای فنرهای مارپیچی:

• تولید آن‌ها آسان است.

• در دامنه وسیعی در دسترس هستند.

• قابل اعتماد هستند.

• دارای نرخ فنر ثابت هستند.

• عملکرد آن‌ها می‌تواند به دقت بیشتری پیش‌بینی شود.

• ویژگی‌های آن‌ها می‌تواند با تغییر ابعاد تغییر یابد.

2.فنرهای مخروطی و مارپیچی

• فنرهای مخروطی و مارپیچی در کاربردهای ویژه‌ای استفاده می‌شوند که در آن‌ها نیاز به فنری با قابلیت تلرانس یا فنری با نرخ فنر (بار مورد نیاز به ازای هر واحد تغییر شکل) که با افزایش بار افزایش یابد، وجود دارد.

3. فنرهای پیچشی

• ساختار این فنر مشابه فنرهای فشاری یا کششی است، با این تفاوت که انتهای آن به گونه‌ای شکل داده شده که فنر تحت بار یک گشتاور حول محور مارپیچ‌ها قرار می‌گیرد.

• فنر پیچشی مارپیچی برای انتقال گشتاور به یک جزء خاص در ماشین یا مکانیزم استفاده می‌شود.

• فنر پیچشی مارپیچی در لولاهای درب، نگهدارنده‌های برس، استارت‌ها و قفل‌های درب استفاده می‌شود.

• فنر پیچشی مارپیچی با ممان خمشی (P x r) که تمایل به پیچاندن فنر دارد، مقاومت می‌کند.

• ممان خمشی باعث ایجاد تنش‌های خمشی در سیم فنر می‌شود.

• اصطلاح “فنر پیچشی” تا حدی گمراه‌کننده است، زیرا سیم تحت تنش‌های خمشی قرار می‌گیرد، برخلاف تنش‌های برشی پیچشی که در فنرهای پیچشی یا کششی مارپیچی القا می‌شود.

فنر پیچشی مارپیچی:

• این فنر از نوار فولاد که چندین بار دور خود پیچیده شده تا شکلی هندسی مانند شکل نشان داده شده در تصویر، ساخته می‌شود.

• انتهای داخلی آن به یک محور متصل است و انتهای خارجی آن به یک درام نگهدارنده متصل است.

• این فنر دارای چند دور و همچنین نوار فولاد ضخیم‌تری است.

• هنگامی که فنر باز می‌شود، انرژی را آزاد می‌کند.

4. فنرهای برگی لایه‌ای

• فنر چندبرگی به طور گسترده‌ای برای تعلیق کامیون‌ها و واگن‌های راه‌آهن استفاده می‌شود.

• این فنر از یک سری صفحات تخت، که معمولاً به شکل نیمه‌بیضی هستند، تشکیل شده است. صفحات تخت به نام برگ‌های فنر شناخته می‌شوند.

• برگ بالایی دارای بیشترین طول است. بلندترین برگ در بالا به نام برگ اصلی شناخته می‌شود.

• برگ‌ها دارای طول‌های تدریجی هستند. طول به تدریج از برگ بالایی به برگ پایینی کاهش می‌یابد.

• در هر دو انتها به‌صورت خمیده برای ایجاد حلقه فنر، فرم داده شده‌اند. دو پیچ از طریق این حلقه‌ها وارد می‌شود تا فنر برگی به بدنه خودرو متصل شود.

• برگ‌ها با استفاده از دو پیچ U و یک کلیپ مرکزی به هم متصل می‌شوند.

• کلیپ‌های برگشتی برای حفظ تراز برگ‌ها و جلوگیری از جابه‌جایی جانبی برگ‌ها در حین عملیات ارائه می‌شوند.

• در مرکز، فنر برگی بر روی محور پشتیبانی می‌شود.

• فنرهای چندبرگی با یک یا دو برگ کامل اضافی علاوه بر برگ اصلی ارائه می‌شوند.

• برگ‌های کامل اضافی بین برگ اصلی و برگ‌های با طول تدریجی قرار می‌گیرند.

• برگ‌های کامل اضافی برای حمایت از نیروی برشی عرضی فراهم می‌شوند.

کاربرد فنر برگی:

• عمدتاً در سیستم‌های تعلیق خودروها.

مزایای فنر برگی:

• می‌تواند بارهای جانبی را حمل کند.

• گشتاور ترمز را فراهم می‌کند.

• گشتاور رانندگی را تحمل کرده و شوک‌های وارد شده از سوی وسایل نقلیه را می‌پذیرد.

5. فنرهای دیسکی یا فنرهای بِل‌ویل

• فنر بِل‌ویل شامل دیسکی مخروطی است، همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است.

• به این فنر، فنر بِل‌ویل گفته می‌شود زیرا توسط ژولیان بِل‌ویل اختراع شده و طراحی آن در فرانسه در سال 1867 ثبت اختراع شده است.

• فنر بِل‌ویل دارای ویژگی‌های بار-تغییر شکل خاصی است، همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است.

• تغییر نسبت (h/t) انواع مختلفی از منحنی‌های بار-تغییر شکل را فراهم می‌کند.

• فنرهای بِل‌ویل در کلاچ‌های صفحه‌ای و ترمزها، شیرهای تخلیه، و انواع مختلفی از اتصالات پیچ و مهره‌ای استفاده می‌شوند.

مزایای فنرهای بِل‌ویل به شرح زیر است:

1. ساختار ساده و تولید آسان دارد.

2. واحد فنر جمع‌وجور است.

3. به ویژه در جاهایی که نیروی بسیار زیادی برای تغییر شکل کوچک فنر مطلوب است، مفید است.

4. دامنه وسیعی از ثابت‌های فنر را فراهم می‌کند و بسیار تطبیق‌پذیر است.

5. می‌تواند هر نوع ویژگی بار-تغییر شکل خطی یا غیرخطی را فراهم کند.

6. دیسک‌های مخروطی جداگانه با اندازه و ضخامت خاص می‌توانند به‌صورت سری، موازی یا ترکیبی از سری-موازی، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، انباشته شوند. این ترکیب‌ها تنوعی از ثابت‌های فنر را بدون تغییر طراحی فراهم می‌کنند.

7. هنگامی که دو فنر بِل‌ویل به‌صورت سری قرار می‌گیرند، تغییر شکل دوبرابر برای همان نیرو به‌دست می‌آید. از طرف دیگر، زمانی که دو فنر بِل‌ویل به‌صورت موازی قرار می‌گیرند، نیروی تقریبا دوبرابر برای یک تغییر شکل معین به‌دست می‌آید.