چند نوع فنر فشاری

فنرهای فشاری در هنگام فشرده شدن انرژی مکانیکی را ذخیره می کنند و با برداشتن بار، انرژی مکانیکی را آزاد می کنند. اگرچه فنرهای فشاری معمولاً از فولاد فنری ساخته می شوند، اما ممکن است حاوی کربن، منیزیم، نیکل، کروم، قلع، مس، تنگستن و آلومینیوم نیز باشند.

مواد مختلف درجات مختلفی از کشش و ظرفیت ذخیره انرژی را برای فنرهای فشاری ایجاد می کنند.

رابرت هوک در اوایل سال 1676 فرمولی را برای محاسبه نیروی اعمال شده توسط یک فنر پیشنهاد کرد که متناسب با ازدیاد طول آن است.

فنرهای فشاری دستگاه های مکانیکی هستند که به طور خاص برای حس بارهای فشاری محوری طراحی شده اند. آنها معمولاً همچنین می توانند تا یک نقطه کشیده و بچرخند. به طور کلی، فنرهای فشاری می توانند انرژی مکانیکی را در هنگام قرار گرفتن در معرض بارهای فشاری ذخیره کنند. پس از برداشتن بار، آنها به شکل و اندازه اصلی خود باز می گردند - تحت تغییر شکل الاستیک.

این توانایی منحصر به فرد برای ذخیره انرژی پتانسیل، همراه با سادگی نسبی و مقرون به صرفه بودن آن، فنرهای فشاری را در طیف گسترده ای از کاربردها ارزشمند می کند. از دکمه های مکانیکی صفحه کلید، تشک ها و خودکارها گرفته تا سلاح گرم و کمک فنرهای تعلیق خودرو. از قرن 15 ما از فنرهای فشاری استفاده می کنیم و اولین فنر فشاری در دستگاه های ساعت استفاده می شود.

انواع فنرهای فشاری

فنرهای فشاری می توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند. رایج ترین آنها کویل یا فنرهای مارپیچی هستند. این شکل نسبت به سایر اشکال محبوب تر است زیرا امکان فشرده سازی و انبساط بالا بدون درز را تا یک نقطه فراهم می کند. همچنین سبک تر است زیرا از مواد کمتری برای رفع نیاز برای جذب بارهای فشاری استفاده می کند. در نهایت، شکل فنر سیم پیچ به این نوع یک ثابت فنر نسبتاً بزرگ می دهد (که بعداً به تفصیل توضیح داده خواهد شد).

این دسته بیشتر به زیرمجموعه هایی تقسیم می شوند که عبارتند از:

مواد فنر فشاری

فنرهای فشاری معمولاً از فولاد فنری ساخته می شوند که نوعی فولاد با استحکام تسلیم بالا است. این به آنها اجازه می دهد تا شکل، اندازه و شکل اصلی خود را حتی در صورت تغییر شکل تا حد زیادی حفظ کنند. بنابراین این فولادها تحت تنش دارای فضای تغییر شکل الاستیک بزرگی هستند. این در سطح مولکولی اتفاق می افتد، بنابراین ترکیب این فولادها تأثیر قابل توجهی بر خاصیت ارتجاعی آنها دارد.

به طور کلی، فولاد فنری حاوی کربن و منگنز و همچنین نیکل، کروم، مولیبدن، قلع، وانادیم، مس، آهن، تنگستن و آلومینیوم است. فولاد فنری بر اساس استحکام تسلیم و سختی آن توسط ASTM رسمی طبقه بندی می شود، بنابراین ترکیبات مختلف مواد می توانند برای کاربردهای مختلف مناسب باشند. به عنوان مثال، ASTM A228 برای سیم‌های پیانو، حاوی 0.7% -1% کربن و 0.2% -0.6% منگنز، با حداکثر بازده استفاده می‌شود. مقاومت 530 مگا پاسکال و مقاومت کششی 400 مگا پاسکال.

ویژگی های فنرهای فشاری

در این بخش به معرفی فنرهای کویل بدون سیم می پردازم، زیرا این فنرها پرکاربردترین فنرهای فشاری هستند. این فنرها دارای ویژگی های خاصی هستند که برای عملکرد آنها اهمیت زیادی دارد. قطر خارجی (D) به قطر استوانه ای اشاره دارد که توسط فنر از بالا مشاهده می شود. قطر سیم پیچ به ضخامت (d) سیم فنر اشاره دارد که آن نیز استوانه ای است. طول آزاد (L) به طول کل فنر بدون هیچ فشاری اشاره دارد، در حالی که مارپیچ موثر (na) و مارپیچ کل (n) تعداد سیم پیچ هایی هستند که انرژی مکانیکی را ذخیره و آزاد می کنند و تعداد سیم پیچ های اتوبوس ( حداقل دو مورد به انتهای/پایه فنر اختصاص دارد). یکی دیگر از ویژگی های مورفولوژیکی مهم جهت چرخش است که می تواند چپ یا راست باشد.

نیروی اعمال شده توسط فنر متناسب با ازدیاد طول آن است، قانونی که رابرت هوک در سال 1676 در عرض چند سال کوتاه پس از اعمال اولین فنر پیشنهاد کرد. هوک این فرمول را به دنیا معرفی کرد. "F{1}} kx"، که در آن F نیروی فنر، x فاصله کشش، و k ثابت فنر است. هر فنر متفاوت است و توسط سازنده از طریق آزمایش یا توسط کاربر از طریق فرمول تعیین می شود. K{2}}Gd4/[83dna]. همانطور که قبلا ذکر شد، سیم پیچ های بشکه ای و مخروطی فنرهای غیرخطی هستند، بنابراین قانون هوک در مورد آنها صدق نمی کند. قانون هوک در مورد فنرهایی که قبلاً تغییر شکل داده اند یا از حد الاستیک عمومی فراتر رفته اند اعمال نمی شود.

نیروی فنر کاملاً فشرده

برای محاسبه نیروی فنر کاملاً فشرده می توانیم از این فرمول استفاده کنیم. Fmax=Ed4 (L-nd)/[16 (1)+ ν) (Dd) 3n]. E مدول یانگ، d قطر سیم فولادی، L طول آزاد، و n تعداد مارپیچ/سیم پیچ موثر، ν نسبت پواسون و D قطر بیرونی است. بدیهی است که برخی از آنها توسط فولاد انتخاب شده توسط طراح تعیین می شوند، در حالی که برخی دیگر توسط فرم، شکل و اندازه فنر تعیین می شوند.

ملاحظات طراحی

هنگام طراحی فنر فشاری، اولین چیزی که باید تصمیم بگیرید این است که از چه ماده ای استفاده کنید. سپس مدول برشی (G) و مقاومت کششی (TS) را از جدول داده ها پیدا کنید. این دو عامل برای تعیین درصد تنش بسیار مهم هستند، به عنوان مثال، هنگام محاسبه بار مورد نیاز (100* σ/ محاسبه درجه فشرده شدن فنر هنگام القای بار معین، بر اساس استحکام کششی.

نکته مهم دیگر قطر فنر هنگام فشرده شدن به حداکثر نقطه آن است. فنرهای فشاری مارپیچی در طول فشرده سازی تمایل به افزایش قطر دارند. بنابراین مهم است که این بسط را با استفاده از فرمول "expansion={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D} محاسبه کنیم.

شاخص فنر مهم است و طراحان سعی می کنند آن را در محدوده 4 تا 10 حفظ کنند. روش محاسبه آن "C=(Dd/d) است که مفهوم خوبی از نسبت سیم ارائه می دهد. ضخامت به قطر فنر این استحکام کلی فنر را تعیین می کند (کوچکتر قوی تر است، اما بزرگتر فشرده می شود).