کیفیت فنر و ثابت فنر گزینه اصلی در فرآیند تولید فنر است که باید بدان توجه شود. هر فنر یک جسم الاستیک است، به این معنی که انرژی را ذخیره و آزاد می کند. طراحی فنر و ساخت فنر به درک دقیق فیزیک فنرها بستگی دارد.
یک فنر فشاری را در کنار فنر مسطح قرار دهید و دو جسم بسیار متفاوت را مشاهده خواهید کرد که در سطح آن ها اشتراک زیادی وجود ندارد. فنرها در اشکال و اندازه های بسیار متنوعی وجود دارند، اما مهم نیست که چگونه به نظر می رسند، همه آنها به یک شکل عمل می کنند کیفیت فنر و ثابت فنر گزینه اصلی در فرآیند تولید فنر است که باید بدان توجه شود. هر فنر یک جسم الاستیک است، به این معنی که انرژی را ذخیره و آزاد می کند. طراحی فنر و ساخت فنر به درک دقیق فیزیک فنرها بستگی دارد.
فرآیند تولید فنر و تجهیزات ساخت فنر کمی پیچیدهتر است، اما فنرها خود مکانیسم های ساده ای هستند که بسیار قابل پیش بینی عمل میکنند، تا زمانی که بدانید چه انتظاری دارید. با درک فیزیک فنرها، سازندگان میتوانند پیش بینی کنند که یک فنر در دنیای واقعی چگونه عمل میکند.
علاوه بر قانون هوک، کیفیت مواد کاربردی، پوشش فنر و میزان خستگی فنر از جمله عوامل موثر بر کیفیت فنرها هستند.
قانون هوک در فنر چیست؟
فراتر از ذخیره و آزاد کردن انرژی، یکی دیگر از جنبه های مهم فیزیک فنرها قانون هوک است. قانون هوک بیان می کند که هر چه فنر را تغییر شکل دهید، نیروی بیشتری برای تغییر شکل بیشتر آن لازم است. با استفاده از مثال یک فنر فشاری معمولی، هرچه فنر را بیشتر فشرده کنید، فشار بیشتری برای فشرده کردن آن لازم است.
فیزیکدان بریتانیایی رابرت هوک اولین بار این قانون را در سال 1678 منتشر کرد، اگرچه او ادعا کرد که تقریباً دو دهه از آن اطلاع داشته است. این قانون به سادگی به زبان لاتین، ut tensio، sic vis بیان شد که نمایش جبری مدرن تر آن قانون F=kX است که در آن F نیرو، k ثابت فنر و X طول تغییر شکل است.
ثابت فنر چیست؟
ثابت فنر به تعیین مقدار نیروی مورد نیاز جهت تغییر شکل فنر می گویند که یکی از عوامل موثر بر کیفیت فنر است. واحد استاندارد بین المللی (SI) اندازه گیری ثابت های فنر نیوتن بر متر است. هرچه ثابت فنر بالاتر باشد به معنای سفت تر بودن فنر و بالعکس است.
ثابت فنر را می توان بر اساس چهار پارامتر تعیین کرد:
- قطر سیم: قطر سیم شامل فنر
- قطر سیم پیچ: قطر هر سیم پیچ، اندازه گیری سفتی سیم پیچ
- طول آزاد: طول فنر در حالت استراحت
- تعداد سیم پیچ های فعال: تعداد سیم پیچ هایی که آزادانه منبسط و منقبض می شوند
مواد مورد استفاده در روند تولید فنر نیز نقش مهمی در افزایش کیفیت و مقاومت فنر دارند. این مورد نیز نقش مهمی در تعیین ثابت فنر ، همراه با دیگر خواص فیزیکی فنر در بهبود کیفیت بازی می کند.
کیفیت سطح مواد استفاده شده در ساخت فنر
علاوه بر ثابت فنر، کیفیت سطح مواد برای جلوگیری از خطر شکست فنر مهم است. ترک های خستگی عموماً از سطح مواد منتشر میشوند، بنابراین هر چه کیفیت سطح بهتر باشد، قابلیت خستگی بیشتر میشود. بهبود کیفیت سطح با چندین روش امکان پذیر است. محبوب ترین آنها شات پینینگ است.
شات پینینگ شامل شلیک دانه های گرد کوچک از مواد در سطح فنر است. این منجر به یک تنش فشاری پسماند کوچک بر روی سطح مواد می شود که احتمال انتشار ترک ناشی از خستگی را کاهش می دهد و تنش های کاری ممکن را افزایش می دهد.
شات پینینگ عموماً فقط بر روی فنرهای فشاری و فنرهای برگ بزرگ انجام می شود زیرا گلوله در کویل فنرهای پیچشی و کششی نزدیک زخمی می شود. همچنین سطح داخلی کویل ها سوراخ نمی شود و این باعث از بین رفتن مزایای فرآیند تولید فنر و کاهش کیفیت فنر می شود. هرچه کیفیت سطح مواد بهتر باشد، عملکرد خستگی بهتری از فنر را انتظار باید داشت.
پوشش فنر در کیفیت فنر
سایش می تواند به روش های مختلفی ایجاد شود. هنگامی که فنر به صورت دینامیکی کار می کند، مهم است که حداکثر انحراف نباید از 85 درصد انحراف موجود تجاوز کند. دلیل این امر این است که وقتی یک فنر نزدیک به طول جامد خود کار می کند، تعداد سیم پیچ های فعال به دلیل تماس سیم پیچ ها با یکدیگر کاهش می یابد. هنگامی که این اتفاق می افتد، این احتمال وجود دارد که سطوح تماس سیم پیچ ها فرسوده شوند. این می تواند منجر به کاهش سطح مقطع مواد و افزایش تنش در این موقعیت شود.
یکی دیگر از دلایل سایش زمانی است که فنر روی شفت یا در سوراخ کار می کند. اگر فنر در هنگام کار با شفت یا دیواره سوراخ تماس پیدا کند، سایش می تواند منجر به شکست زودرس شود، به خصوص اگر قطر داخلی فنر ساییده شود، زیرا در اینجا بیشترین تنش های موثر وارد می شود. بنابراین، به هر قیمتی باید از پوشاندن خودداری کرد.
فنرهای پیچشی عملکرد خستگی کمتری نسبت به فنرهای فشاری و کششی دارند. این عمدتاً به دلیل اصطکاک و ساییدگی بین فنر و محوری است که روی آن کار می کند. این می تواند با طراحی خوب کاهش یابد، اما بعید است که حذف شود. عوامل دیگری که بر عملکرد خستگی تأثیر می گذارند عبارتند از خوردگی، تمیزی مواد و سرعت عمل.
میزان خستگی فنر
در حین کار، فنرها معمولاً بین دو موقعیت ثابت کار می کنند. همچون ثابت فنر، تنش موثر را نیز در این موقعیت ها می توان به سادگی محاسبه کرد، سپس می توان از نتایج برای پیش بینی عمر کاری و میزان کیفیت فنر استفاده کرد. برای انجام این کار، باید از نمودارهای گودمن استفاده شود، این نمودارها بر اساس داده هایی هستند که از طریق سالها آزمایش در مراکزی مانند موسسه فنآوری فنری به دست آمدهاند. نمودارهای گودمن برای درجات و انواع مختلف مواد مورد استفاده در دسترس هستند.
برای محاسبه عمر مورد انتظار فنر در جریان تولید فنر ، تنش های موثر بر اساس محور مربوطه رسم می شود. اگر تقاطع تنش های ترسیم شده در ناحیه سایه قرار گیرد، می توان انتظار داشت که فنر برای تعداد چرخه هایی که نمودار نشان می دهد کار کند. به طور کلی نمودارها 95% تضمین را نشان می دهند، یعنی 95% از فنرها می توانند به تعداد چرخه ها دست یابند. اکثر نمودارهای گودمن فقط برای فنر های فشاری اعمال می شود.
