فنر حلزونی

نوع شناخته شده تری از فنر حلزونی  با نام فنر حلزونی پیچشی (TORSION SPIRAL SPRING) وجود دارد که اغلب افراد حداقل با یکی دو مورد از کاربردهای آن آشنا هستند. فنر کوکی اسباب بازی، فنر ساعت، فنر قفل و فنر صندلی از موارد بسیار کاربردی این فنر حلزونی میباشند.

گروه صنعتی آپوکا یکی از سازندگان پیشرو در زمینه تولید فنر حلزونی پیچشی، با استفاده از متریالهای گوناگون همچون فولاد کربنی و فولاد زنگ نزن، طراحی خود را بگونه ای درنظر میگیرد تا با حداقل چرخش بیشترین گشتاور ایجاد شود.

فنر حلزونی چیست؟

فنر حلزونی پیچشی یکی از معمولترین انواع فنر تخت میباشد که بعضا به جای فنر پیچشی مفتولی نیز استفاده میشوند. چرا که در حرکات دایره ای چرخش دارند. عملکرد فنر کوکی به این گونه است که در 360 درجه ابتدایی چرخش فنر، گشتاوری که ایجاد میشود به صورت خطی تغییر میکند. اما با افزایش زاویه، کویلهای فنر به یکدیگر نزدیکتر شده و کم کم روی شفت داخلی به هم میچسبند و اصطکاک ایجاد شده سبب افزایش نمایی گشتاور میشود.

بنابراین میتوان گفت که این نوع فنر حلزونی برای کاربردهایی با حرکت زاویه ای کمتر از 360 درجه مناسبند. در منحنی زیر خطی بود تغییرات گشتاور نسبت به چرخش فنر را مشاهده میکنید. و همانطور که گفته شد این نمودار صرفا برای 360 درجه اول صادق است.

فنر حلزونی یا فنر تسمه ای چیست؟

فنرهای حلزونی یا فنر تسمه ای با طراحی منحصر به فرد و ویژگیهای عملکردی خود، نقش مهمی در صنایع و ماشین آلات متعدد ایفا میکنند. از کلیدهای الکتریکی گرفته تا ابزار جراحی، این فنرها یک راهکار همه کاره برای کاربردهایی که نیاز به حرکات زاویه ای و حتی خطی شدیدا کنترل شده، تولید نیرو و ذخیره انرژی دارند ارائه میدهند.

درک اصول کار و بررسی کاربردهای گسترده آنها میتواند اهمیت فنرهای حلزونی را در زمینه های مختلف روشن کند. در اینجا ما به اصول کار فنر مارپیچ میپردازیم و چگونگی ایجاد نیرو و تحرکات زاویه ای و خطی را بررسی میکنیم. علاوه بر این برخی از کاربردهای کلیدی فنر حلزونی را برجسته کرده و جایگاه آنها را در مهندسی مدرن نشان خواهیم داد.

اصول کار فنرهای حلزونی

اصول کار فنرهای مارپیچ یا همان فنر حلزونی بر اساس طراحی و ساختار منحصر به فرد آنهاست. در اینجا توضیحی درباره نحوه عملکرد فنر حلزونی ارائه شده است:

ساختار فنر حلزونی:

فنر حلزونی از یک تسمه تخت که به شکل مارپیچ یا حلزونی پیچیده شده ساخته میشود. تسمه ها با تنش زیادی در مجاورت هم یکی پس از دیگری کویل میشوند. این پیکربندی حلزونی شکل به فنر انعطاف پذیری و خاصیت ارتجاعی خاص خود را میدهد.

تولید فنر حلزونی:

در گذشته ای نه چندان دور ابتدایی ترین و ساده ترین راه تولید فنر حلزونی بدین صورت بود که با قرار دادن یک سر تسمه فلزی درون شیار یا شکاف یک شفت فلزی و چرخش آن و همزمان مهار قسمت آزاد تسمه فنری توسط یک فیکسچر مجزا، تسمه به دور شفت پیچیده میشد و بخش اصلی کار ساخت فنر حلزونی انجام میگرفت. که البته با توجه به سرعت نه چندان زیاد به روز شدن تکنولوژی تولید فنر حلزونی در ایران، این پروسه تولیدی هنوز هم در بسیاری از کارگاههای تولید فنر بصورت دستی انجام میگیرد.

با گذشت زمان و به روز شدن تکنولوژی تولید فنر حلزونی و حضور دستگاههای CNC ساخت فنر حلزونی پروسه تولید به کل تغییر شکل داد. به این گونه که بر خلاف شیوه سنتی تولید فنر حلزونی اینبار نیروی پیشران و نیروی تغذیه تسمه نه کششی بلکه بصورت فشاری انجام گرفت. به عبارت بهتر در شیوه جدید عامل پیچش انحنا دهنده تسمه که همان نازل دستگاه است تسمه را به دور خود نمیکشد. تسمه توسط جفت غلتکهای دستگاه فنر سازی به سمت نازل فشار داده شده و با توجه به پروفیل این نازل، تسمه به خود انحنا گرفته و کار ساخت فنر حلزونی انجام میگیرد.

ایجاد نیرو در فنر حلزونی:

فنرهای حلزونی به واسطه تمایل ذاتی خود به مقاومت در برابر تغییر شکل، تولید نیرو میکنند. به عبارتی هنگامی که بار یا نیرو به فنر اعمال میشود، حلقه های فنر حلزونی دچار انحراف یا تغییر شکل میشد. شکل مارپیچی به فنر این اجازه را میدهد تا انرژی اعمال شده را جذب و ذخیره نماید.

الاستیسیته فنر حلزونی:

فنرهای حلزونی از متریالی با مدول الاستیسیته بالا مانند فولاد فنر یا آلیاژهای خاص ساخته میشوند. این خاصیت ارتجاعی فنر را قادر میسازد تا در هنگام اعمال نیرو تغییر شکل داده و با حذف نیرو به شکل اولیه خود بازگردد.

توزیع تنش در فنر حلزونی:

هنگامی که به یک فنر حلزونی نیرویی وارد شود، فنر در راستای محور مارپیچی خود تغییر شکل میدهد. این تغییر شکل بسته به طراحی و کاربرد فنر حلزونی میتواند خطی یا زاویه ای باشد. توزیع بار نیز در سرتاسر حلقه ها یکسان خواهد بود. هرچند این یکنواختی تا زمانی پا بر جاست که تسمه تشکیل دهنده فنر دارای سطح مقطع کاملا یکسان و عاری از هرگونه پلیسه و ترک خوردگی در سرتاسر طول خود باشد.

بدیهی است که درصورت وجود پلیسه های خارج از رنج، میکرو ترکهای بوجود آمده سبب تمرکز تنش در آن نواحی شده و به احتمال بسیار زیاد در سیکلهای عملکردی سرعت بالا و یا حتی طی گذشت زمان فنر حلزونی دچار گسیختگی خواهد شد.

سختی فنر حلزونی:

سختی فنر و یا همان ثابت فنر حلزونی به میزان نیروی لازم جهت تغییر وضعیت آن اشاره دارد. ثابت فنر حلزونی به عواملی همچون متریال فنر، ابعاد تسمه فنر و هندسه کویلهای فنر حلزونی بستگی دارد.

با استفاده از این اصول کاری، فنرهای حلزونی به طور گسترده ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند که در آنها تغییر شکل کنترل شده، ذخیره انرژی فنر و تولید نیرو مورد نیاز است. طراحی منحصر به فرد آنها مزایایی مانند فشرده بودن، ظرفیت بار بالا و مقاومت در برابر خستگی را سبب میشود.

کاربرد فنر حلزونی:

با توجه به ویژگیهای منحصر به فرد فنرهای حلزونی میتوان گفت که این نوع فنر تسمه ای در صنایع گوناگون خاصترین نقشها را بر عهده دارند. در اینجا به برخی از کاربردهای رایجترین فنرهای حلزونی اشاره میشود:

برق و الکترونیک:

• سوییچها و کانتکتهای الکتریکی: یک فنر تسمه ای ساخته شده از متریال مناسب برای ایجاد تماس الکتریکی قابل اعتماد و اطمینان از عملکرد صحیح کلید بسیار کاربردی است.
• کانکتورها و ترمینالها: فنرهای حلزونی برای حفظ تداوم جریان الکتریکی در کانکتورهای و پایانه ها استفاده شده و به نوعی ایمنی اتصالات را تضمین میکند.

صنعت خودرو:

• سیستم تزریق سوخت: در سیستم انژکتور خودروها برای کنترل جریان سوخت و حفظ فشار متعادل از فنر حلزونی تسمه ای استفاده میکنند.
• مکانیزم کلاچ: همچنین جهت تامین نیروهای درگیر کننده سیستم کلاچ و نیز نیروهای جداکننده از این نوع فنر بهره میگیرند.
• کمربند ایمنی: سیستم جمع کن کمربند ایمنی خودرو بر پایه عملکرد فنر حلزونی پایه گذاری شده است.
• صندلی خودرو: عقب و جلو رفتن صندلی خودرو به واسطه نوع خاصی از فنر حلزونی پیچشی میباشد که به آن فنر مکانیزم خودرو نیز میگویند.

تجهیزات پزشکی:

• ابزار جراحی: با توجه به حساسیت سیستمهای حرکتی در ابزار جراحی، جهت ممکن ساختن حرکات و کنترل دقیق آن فنر حلزونی بکار برده میشود.
• دستگاه کاشت: انواع مختلف آنها را در ایمپلنتهای پرشکی مانند دستگاههای قلبی عروقی و ایمپلنتهای ارتوپدی میتوان یافت.

هوا فضا:

• آویونیک و سیستمهای ناوبری: فنرهای مارپیچ در مکانیزمهای کنترلی و سوئیچها در هواپیما و فضا پیما مورد استفاده واقع میشود.
• تجهیزات نظامی: موارد استفاده متعددی از آنها را در سلاحهای گرم، مهمات و مکانیزمهای دفاعی مختلف میتوان دید.

مهندسی مکانیک:

• آببندی مکانیکی: در بسیار از مکانیزمهای سیلینگ تجهیزات مکانیکال برای حفظ آب بندی مناسب و جلوگیری از نشتی از آنها استفاده میشود.
• مکانیزم قفل: در ساخت انواع قفل، چفت و لولا برای ایجاد کشش و بسته شدن ایمن از فنر حلزونی بهره میگیرند. فنر قفل یکی از پرمصرفترین انواع فنر حلزونی میباشد.

محصولات مصرفی:

• لوازم التحریر: در بسیاری از خودکارهای کشویی و مدادهای مکانیکی برای کنترل نوک قلم یا سرب کاربرد دارند.
• اسباب بازی: یکی از رایجترین اسامی برای فنر حلزونی همان فنر کوکی بوده که موارد استفاده متعدد آن در اسباب بازیهای مختلف سبب شده تا به آن فنر اسباب بازی نیز گفته شود.

تجیزات صنعتی:

• فنر ساعت: در اکثر ساعتها و دستگاه های زمانبندی برای ارائه حرکت دقیق و ثابت از فنر مارپیچ استفاده میشود. به گونه ای که به آنها فنر ساعت نیز گفته میشود.
• شیرآلات صنعتی: در مجموعه های شیر برای کنترل جریان سیال و فعال کردن شیرها کاربرد دارند.
• فنر ذغال:

لوازم خانگی:

• جاروبرقی: همانطور که در بخش مربوط به فنر سیم جمع کن جاروبرقی توضیح داده شده، فنر سیم جمع کن جاروبرقی از مهمترین اجزای داخلی یک جاروبرقی خانگی با سیستم سیم جمع کن اتوماتیک میباشد.

اینها تنها چند نمونه از طیف متنوعی از کابردهای فنر تسمه ای هستند. تطبیق پذیری، طراحی فشرده و کم حجم و توانایی ارائه نیرو و حرکت کنترل شده، آنها را به اجزای ارزشمندی در صنایع و دستگاههای متعدد تبدیل کرده است.

انواع فنر حلزونی

فنرهای حلزونی شامل دو مدل کلی مباشند:

• فنر حلزونی مارپیچ
• فنر حلزونی پیچشی

هر دوی این فنرها در کاربردهایی که فضا محدود و عملکرد مکانیکی دقیق مورد نیاز است مورد استفاده قرار میگیرند. درک تفاوتهای ظریف بین این دو نوع فنر میتواند به طور قابل توجهی بر راندمان و عملکرد سیستمهایی که در آنها گنجانده شده اند تاثیرگذار باشد. در این قسمت به منظور سهولت در بیان و نیز درک مطلب، فنر حلزونی نوع اول را فنر مارپیچی و فنر حلزونی نوع دوم را فنر پیچشی مینامیم.

تفاوت بین فنر مارپیچی و فنر پیچشی

• فنر حلزونی تسمه ای

این فنرهای معمولا دارای سطح مقطع مستطیلی یا بیضوی هستند. آنها برای ایجاد نیرو در سیستمهایی طراحی شده اند که فضای کار نرمالی وجود دارد و اغلب محدودیت فضایی ندارند. مانند فنر سیم جمع کن جاروبرقی، فنر استند سیگار، فنرکمربند ایمنی خودرو، فنر پوشر و فنر مکانیزم صندلی

• فنر حلزونی پیچشی

این فنرها برای ذخیره و رهاسازی انرژی دورانی در مکانیزمایی با فضای کاری محدود طراحی شده اند.  آنها با اعمال گشتاور باعث میشوند فنر حول محور خود بچرخد.

بنابراین میتوان گفت که تفاوت اصلی این دو نوع فنر حلزونی در ماهیت نیروی ایجادی است. بدین ترتیب که فنر تسمه ای نوع اول ( فنر مارپیچ ) برای ایجاد نیروهای خطی فشاری یا کششی مورد استفاده قرار میگیرد و فنر حلزونی پیچشی به منظور ایجاد گشتاور و حرکات دورانی به کار گرفته میشود.

برای درک بهتر تمایز بین این دو نوع فنر حلزونی مشاهده جدول زیر پیشنهاد میشود:

نوع فنر	شرح	کاربرد فنر	ویژگیهای کلیدی
فنر حلزونی نوع مارپیچ	فنر تسمه ای مارپیچ جهت اعمال نیرویی قابل توجه در یک فضای محدود استفاده میشود. طراحی خاصشان به آنها این اجازه را میدهد تا با توجه به مقاومت بالایشان پس از فشردگی بتوانند به شکل اولیه بازگردند. که همین امر آنها را برای طیف گسترده ای از دستگاههای مکانیکی مناسب میکند	صنعت خودرو: فنر کمربرند ایمنی لوازم خانگی: فنر سیم جمع کن جاروبرقی تجهیزات صنعتی: فنر استند سیگار فنر براش هولدر فنر ذغال صنعتی فنر متر	طراحی فشرده برای عملکرد در فضای محدود ظرفیت اعمال نیروی بالا نسبت به اندازه فنر ثابت فنر قابل تنظیم برای موارد خاص مقاومت در برابر خستگی و خوردگی
فنر حلزونی پیچشی	فنر تسمه ای پیچشی برای ذخیره و رهاسازی انرژی دورانی طراحی شده است. این فنرها در مواردی استفاده میشوند که نیاز به نیروی چرخشی و یا همان گشتاور  باشد.	ابزار دستی: فراهم کردن گشتاور برای سفت کردن یا شل کردن بست ها مکانیزم سوئیچینگ: فعالسازی کنترل روشن/خاموش کردن دستگاههای مختلف فنر ساعت: حرکت عقربه ها صنعت خودرو: فنر صندلی خودرو فنر کلاچ خودرو صنایع دیگر: فنر کوکی اسباب بازی فنر قفل	قابلیت تولید و ذخیره انرژی دورانی گشتاور خروجی قابل تنظیم مقاومت بالا در برابر سایش

 مزایای فنر حلزونی

بکارگیری فنرهای حلزونی پیچشی در کاربردهای فضای محدود چندین مزیت دارد:

1. چگالی بالای انرژی:این فنرها به به دلیل برخورداری از سطح مقطع مستطیلی یا بیضوی میتوانند انرژی بیشتری را در حجم کمتر ذخیره کنند.
2. کاهش وزن: یک فنر حلزونی تسمه ای معمولا از فنر حلزونی مفتولی (وایر) سبکتر بوده و همین امر به کاهش وزن کلی سیستم مکانیکی کمک میکند. به ویژه در صنعت خودرو و هوافضا که منجر به بهبود راندمان و عملکرد سوخت خواهد شد.

گام فنر حلزونی:

در بسیاری از موارد با تغییر در میزان فاصله بین دو کویل در فنر حلزونی میتوان خواص مکانیکی آن را تغییر داد. به عبارت دیگر شما میتوانید با تغییر گام فنر حلزونی، سختی، کشش و ظرفیت ذخیره انرژی آن را افزایش یا کاهش دهید.

1.  سختی فنر حلزونی: افزایش گام بین حلقه ها میتواند سختی فنر یا همان ثابت فنر حلزونی را کاهش داده و امکان چرخش و تغییر زاویه بیشتر تحت همان نیروی اولیه را فراهم کند. و مشخصا با کاهش گام، فنر نسبت به تغییر شکل مقاومتر شده و به عبارت دیگر سختی فنر افزایش پیدا میکند.
2. کنترل محدوده عملکرد موثر: با تغییر گام فنر طراحان میتوانند محدوده کاری فنر را کنترل کنند و آن را برای کابردهای خاص تنظیم کنند.
3. بهبود عملکرد دینامیکی: در کاربردهای دینامیکی مانند کنترل ارتعاش یا جذب ضربه، حالتهای مختلف توزیع گام میتواند به اتلاف انرژی به طور چشمگیری کمک کند. این امر خطر رزونانس را کاهش داده و عمر فنر و درنتیجه عمر سیستم را افزایش میدهد.
4. بهینه سازی وزن و حجم فنر: تنظیمات گام فنر میتواند به بهینه ساختن طراحی فنر برای محدودیت وزن و فضا بدون به خطر انداختن کیفیت عملکرد کمک کند.

محاسبات فنر حلزونی

از دیگر پارامترهایی که میتوان بر مبنای آن فنرهای حلزونی را بخش بندی کرد فاصله بین کویلها یا همان گام فنر حلزونی است. بدین صورت که میتوان آنها را به دو دسته فنر حلزونی گامدار و فنر حلزونی کیپ تقسیم بندی کرد.

نوع دوم این فنرها که به نوعی میتوان گفت که صرفا به منظور ایجاد نیروهای خطی کششی و فشاری تولید میشوند به دلیل وجود اصطکاک بین حلقه های فنر، محاسبات بسیار پیچیده ای نسبت به دیگر فنرها دارند.

اما در نوع گامدار با توجه به صفر بودن فاکتور اصطکاک، محاسبات اولیه فنر را میتوان مشابه دیگر فنرهای نرمال مفتولی پیش برد. منتها از آنجا که بجای مقطع دایره ای مفتول با مقطع مستطیل شکل یک تسمه سر و کار داریم میبایست با یک سری تعاریف اولیه از پارامترهای موثر آشنا شویم:

D: قطر بیرونی فنر حلزونی

b: پهنای تسمه

d: قطر داخلی فنر حلزونی

t: ضخامت تسمه

n: تعداد حلقه های فنر

K: ثابت فنر

E: مدول یانگ

M: گشتاور فنر

L: طول تسمه فنر

G: مدول صلبیت

I: ممان دوم اینرسی تسمه فنر

F: نیروی وارد بر فنر

y: فاصله میان محور خنثی تا سطح بیرونی تسمه فنر

θ: تغییر شکل چرخشی

α: تنش کششی/فشاری حاصل از تغییر شکل فنر

ثابت فنر در این مبحث به صورت میزان گشتاور بر واحد تغییر شکل زاویه ای تعریف میشود:

طول گسترده فنر مارپیچ را نیز میتوان از رابطه زیر محاسبه کرد:

و از آنجا که داریم : M = F.D / 2(Nm)  بنابراین:

به همین ترتیب یکی از مهمترین پارامترهای محاسباتی در طراحی فنر حلزونی یعنی میزان تنش وارد بر سطح مقطع تسمه فنر را میتوان اینگونه بدست آورد:

جنس فنر حلزونی:

بسته به نوع کاربرد فنر حلزونی، میتوان بسیاری از متریالهای موجود را برای ساخت فنر حلزونی استفاده کرد. حتی آن دسته از موادی که جهت تولید فنرهای مفتولی قابل استفاده نیستند. اما با این حال در اینجا به معمولترین آنها اشاره میکنیم:

1. فولاد فنر: در مواردی که به ثابت فنری بالا و استحکام زیاد داریم میتوان یکی از گریدهای فولاد فنر را برای تولید فنر حلزونی استفاده کرد. معمولترین آنها در صنعت ایران CK 60 ، CK67 و CK75 میباشند که همانطور که میدانید با افزایش درصد کربن بر میزان سختی فنر افزوده میگردد.
2. فولاد زنگ نزن: این متریال یا همان استنلس استیل در ساخت فنر حلزونی که در محیط های مرطوب یا در مجاورت مواد خورنده بسیار خوب عمل میکند. از بین فولادهای زنگ نزن معمولا از سری 300 آنها بیشترین استفاده را برای تولید فنر مارپیچ میکنند که از معمولترین آنها میتوان به SS 301 ،SS302 و SS304 نام برد.
3. C-Sri: هنگامی که محیط عملکرد فنر تسمه ای در دماهای بالا باشد، بهترین گزینه برای انتخاب متریال فولادهای خانواده سیلیکون کروم میباشد.

خرید فنر حلزونی

اگر به دنبال خرید فنر حلزونی با کیفیت بالا هستید، پیشنهادات آپوکا را درنظر بگیرید. فنرهای حلزونی آپوکا به دلیل دوام، دقت و عملکرد قوی شناخته شده هستند به گونه ای که صاحبان صنایع مختلف به خصوص لوازم خانگی و خودرویی آپوکا فنر را به عنوان برترین تولید کننده فنر حلزونی در ایران میشناسند. ما با تعهد به نوآوری و رضایت مشتری، راه حلهای قابل اعتمادی را برای سیستمهای مکانیکی مختلف ارائه میدهیم.

بازرسی کیفیت در کل فرآیند از مواد اولیه گرفته تا تولید و تحویل برای اطمینان از کیفیت فنرهای تولید شده انجام میگیرد.

آپوکافنر را برای خرید فنر حلزونی خود انتخاب کرده و تفاوت در کیفیت و خدمات را تجربه کنید.