معرفی فنر

فنر

فنر عنصری انرژی دهنده و گیرنده می‌باشد که بر اثر تغییر شکل کشسان انرژی پتانسیل آن تغییر می‌کند. در یک سیستم مکانیکی سختی نمایانگر ویژگی‌های فنریت آن است.

در تعیین ویژگی‌های فنریت سیستم‌های مکانیکی باید انعطاف‌پذیری قطعات را نیز لحاظ کرد. محاسبه سختی مؤثر یک مجموعه به سادگی و با بهره از قانون برآیند فنرها امکان‌پذیر است. اگر دو عضو به صورت سری قرار گرفته باشند، آنگاه فنر معادل به قرار زیر است

اگر دو عضو به صورت موازی قرار گرفته باشند، آنگاه فنر معادل به قرار زیر است

ویژگی‌های مکانیکی فنر

فنرها بر پایه رفتار و ویژگی‌های نیرویی به دو دسته خطی و ناخطی تقسیم می‌شوند. در بیشتر فنرها، نیروهای فنر تابعی از تغییر شکل آن به قرار زیر است

از آنجا که چرخش این میدان صفر است، بنابراین یک میدان نیروی پایستار است. تابع پتانسیل انرژی پتانسیل این میدان پایستار به قرار زیر است

دسته‌بندی فنرها

فنرها گونه‌های مختلفی دارند، که انواع پرکاربرد آن در صنعت به قرار زیر است

فنر مارپیچ

فنر مارپیچ مفتولی فولادی است که به صورت حلقه‌ای پیچانده شده است فنر مارپیچ برای مقاومت در برابر بارهای کششی، فشاری یا پیچشی ساخته می‌شود. سختی یک فنر مارپیچ به قرار زیر است



d قطر مفتول فنر

N تعداد حلقه‌های فنر

R شعاع میانگین فنر

G مدول برشی

فنر مارپیچ نرم‌تر از فنر تخت است، یعنی دارای سختی کمتری می‌باششکل 3 ـ ساختار فنر مارپید. این گونه فنرها کاربرد فراوانی در سیستم‌های تعلیق خودرو دارا می‌باشند. فنرهای مارپیچ به کار رفته در سیستم تعلیق بیشتر به صورت عمودی نصب می‌شوند و بنابراین به فضایی مناسب نیاز دارند. اصطکاک در این گونه فنرها ناچیز و تنها در محل تماس فنر با بدنه مطرح است. تنش اصلی ایجاد شده در این گونه فنرها تنش برشی است، اگر چه کمی‌هم در اثر خمش دچار تنش می‌گردند.

فنرهای مارپیچ بهترین خاصیت را برای جذب انرژی ناشی از حرکات ارتعاشی خودرو دارا می‌باشند و از این نظر بهترین کارایی را دارند. فنرهای مارپیچ اجازه انحرافهای بزرگتری را نسبت به فنرهای تخت می‌دهند و بنابراین آسایش و نرمی‌بیشتری را نسبت به فنرهای تخت برای سرنشین خودرو فراهم می‌آورند. امروزه در سیستم تعلیق جلو و پشت سواری‌ها فنر مارپیچ بکار می‌رود و دیگر از فنرهای تخت استفاده نمی‌شود.



فنرهای پیچشی

در فنرهای پیچشی تغییر شکل زاویه‌ای سبب ایجاد گشتاور پیچشی است. رابطه نیرو و جابجایی در فنرهای پیچشی به قرار زیر است

میله پیچشی

میله پیچشی محوری فولادی است که در برابر گشتاور پیچشی قرار گرفته و تغییر شکل آن زاویه‌ای است.

میله پیچشی بیشتر در سیستم‌های تعلیق جداگانه به کار می‌روند، که از یک سو به شاسی متصل بوده و از سوی دیگر توسط یک بازو به چرخ متصل می‌شود و این بازو رابطی است میان لرزش‌های خطی چرخ و لرزش‌های زاویه‌ای میله پیچشی . سختی این گونه فنرها از دو بخش زیر شکل یافته است

سختی پیچشی میله Kφ

سختی خمشی بازو Kb

این دو بخش به صورت سری قرار گرفته‌اند و بنابراین سختی کل به قرار زیر است



میله پایدارنده

یکی از زیربخش‌های مهم سیستم تعلیق میله‌های پایدارنده است، که برای افزایش پایداری به کار می‌رود. نمونه‌ای از میله‌های پایدارنده، میله‌ای است که میل موج گیر میله پادغلت نامیده می‌شود. میل موج گیر میله‌ای فلزی است که به دو بازوی کنترلی چرخ‌های درونی و بیرونی متصل می‌شود. هنگام افت و خیز یکی از چرخ‌ها، میل موج‌گیر حرکت را به چرخ دیگر انتقال می‌دهد. میل موج گیر یک تراز بالا در هنگام رانندگی ایجاد می‌کند و سبب کاهش حرکات لرزشی در هنگام چرخش خودرو است . با توجه به پارامترهای طراحی میل موج‌گیر می‌توان تا 15 درصد در برابر حرکت غلتشی خودرو در هنگام چرخش ایستادگی کرد. میله پادغلت در واقع نوعی فنر پیچشی است با این تفاوت که در سیستم‌های یکپارچه نصب شده و تنها در برابر غلتش نسبی محور و شاسی واکنش نشان می‌دهد.

کاربرد میله‌های پادغلت در سیستم تعلیق

هنگامی‌که بدنه می‌غلتد و یا یکی از چرخ‌ها روی دست‌انداز یا درون چاله قرار می‌گیرد، میله پادغلت سبب افزایش سختی فنریت تعلیق است، یعنی فنریت آن را کاهش می‌دهد. هنگامی‌که خودرو در راستای مستقیم حرکت می‌کند، میله پادغلت، سبب نرمی‌فنریت تعلیق شده و بنابراین خوش سواری خودرو را بهبود می‌بخشد.

میله پادغلت یک میله پیچشی می‌باشد که به چند بخش تقسیم شده است و به صورت کناری و با یاتاقان و بوش‌های لاستیکی به بدنه لولا می‌شود و همینطور از دو طرف به بازوهای لنگیده متصل شده است.

کارکرد میله پادغلت

اگر افت و خیز چرخ‌ها برابر باشد، آنگاه بازوهای لنگیده همسو بوده و بنابراین میله پادغلت نقشی در سختی غلتشی محور نخواهد داشت.

اگر افت و خیز چرخ‌ها برابر نباشد ، به طور نمونه چرخ راست روی برآمدگی قرار گرفته و بالا رود، در این حالت بازوی کنترل سمت راست بالا رفته و سبب گردش بازوی لنگیده چسبیده به آن سوی راست می‌شود. اما بازوی لنگیده سمت چپ تغییر نکرده و بنابراین تفاوت زاویه گردش بازوهای لنگیده سبب ایجاد گشتاور در میله پادغلت می‌شود و بنابراین نیرویی رو به بالا در سمت چپ بدنه ازطریق یاتاق‌های بوش های لاستیکی اعمال می‌شود و بنابراین سمت چپ بدنه به بالا می‌رود. بنابراین سمت راست چرخ‌ها بالا رفته و بنابراین بدنه بالا می‌رود و در سمت چپ کشش میله پادغلت سبب بالا رفتن بدنه می‌شود. بنابراین بدنه بدون غلتش در موقعیت بالاتری قرار می‌گیرد. بنابراین وظیفه میله پادغلت جلوگیری از غلتش و کجی بدنه با تغییر ارتفاع آن است.

فنر تخت

فنر تحت در هر دو سیستم تعلیق جلو و پشت به کار می‌رود. این فنرها به صورت کناری نیز به کار می‌روند و با این طرح وسط فنر به اسکلت متصل شده و هر یک از دو انتهای آن یک چرخ را نگهداری می‌کند. طرز عمل این فنرها مانند تمام فنرهای تخت است موقعی که چرخ با یک برآمدگی برخورد می‌کند فنر به بالا خم می‌شود ضربه را مستهلک می‌نماید و برعکس هنگامی‌که چرخ در یک گودی می‌افتد به طرف پایین خم می‌شود بدین ترتیب فنر تخت در وسایل نقلیه مانند فنر مارپیچی عمل می‌کند فنرها معمولا به طور مکانیکی با وسائلی از قبیل بالشتک و بوش لاستیکی از بدنه عایق‌بندی شده‌اند این عمل از انتقال لرزشها به اسکلت و بدنه جلوگیری می‌کند.

در حالت معمول این فنرها بصورت چند لایه می‌باشند که بزرگترین فنر را شاه‌فنر می‌گویند و لایه‌های دیگر فنر نسبت به شاه فنر کوچکتر می‌باشند و به کمک میله‌ای در وسط به یکدیگر متصل شده‌اند و به وسیله گیره‌های مخصوصی از لغزیدن آنها در جهات مختلف جلوگیری می‌شود. در فنرهای شمشی شاه فنر به کمک میله یا بوش در یک طرف به قاب وصل می‌شود و از طرف دیگر به کمک میله U شکل که گوشواره نامیده می‌شود به رام خودرو متصل می‌گردد. این گوشواره تغییر طول فنر را در اثر نوسان آن فراهم می‌سازد. همچنین بوش به کار رفته در این فنرها برنجی می‌باشد که به کمک گریس از سایش آن جلوگیری می‌شود. البته در خودروهای سبک از لاستیک هم استفاده می‌شود.

لایه‌های دیگر فنر تخت نسبت به شاه‌فنر انحنای بیشتری دارند و برای بستن آنها پیش‌بار فشار اولیه به کار می‌رود. این فشار اولیه سبب میرایش ضربات و لرزش‌های فنر می‌گردد. این ویژگی یکی از برتری‌های فنر تخت است.

برای سهولت نگهداری فنرها آنها را در تکیه گاههای لاستیکی مفصل می‌کنند. این مفصل‌ها معمولا از دو بوش تشکیل شده‌اند که میان آنها لاستیک ریخته شده است. لاستیک به بوش درونی توان گردش و خاصیت لرزه گیری را می‌دهد. برای سادگی لغزش لایه‌های فنر روی یکدیگر و نیز افزایش ویژگی‌ لرزه‌گیری آنها میان لایه‌ها قشری از روغن گرانیتی قرار می‌دهند، نیز این غشا از زنگ زدگی فنر جلوگیری می‌نماید. می‌توان بجای روغن از ورقه‌های مخصوص پلاستیکی استفاده کرد. برای جلوگیری از نفوذ رطوبت و گرد و غبار به فنر،‌آن را در پوششی از لاستیک قرار می‌دهند. شکل زیر یک فنر تخت و قطعات متصل به آن را نشان می‌دهد.

فنرهای تخت به صورت طولی در قسمت جلو توسط پیش و بوش و برنجی و لاستیکی به شاسی متصل می‌شود و در اتصال ناحیه عقب از یک محور گردان گوشواره‌ فنری استفاده می‌گردد. با قرار دادن شیکل در سیستم تعلیق پشت می‌توان کم فرمانی خودرو را افزایش داد.





دلایل کاربرد اتصال گوشواره‌ای به قرار زیر است

فنر آزادی حرکت در تمام جهات را داشته باشد.

لاستیک گوشواره موجب جذب ارتعاشات و جلوگیری از منتقل شدن آن به بدنه می‌شود.

در بعضی از طراحی‌ها در اتصال ناحیه پشت برای فنر تخت بجای گوشواره از یک بلوک شیاردار استفاده می‌شود که خود بلوک به بدنه ثابت شده و فنر تخت در داخل شیار حرکت می‌کند در نتیجه طول مؤثر فنر تغییر می‌کند.

کاستی‌های فنر تخت به قرار زیر است

اصطکاک خشک میان لایه‌های آن که سبب کاهش خوش‌سواری است.

کاهش پایداری کناری به ویژه هنگامی‌که طول فنر را برای افزایش نرمی‌فنریت آنها افزوده‌اند.

چند لایه سازی فنر تخت

در طراحی فنر تخت چون هدف تحمل تنش برشی بیشتر می‌باشد پس ممکن است مطرح شود که جنس تیغه‌ها را نرم بگیریم تا تحمل تنش برشی بیشتری را داشته باشد. ولی می‌دانیم وقتی جنس فنر نرم باشد تحمل بار را ندارد و زیر بار خم می‌شود. پس بایستی جنس فنر سخت باشد در نتیجه برای افزایش تحمل تنش برشی، بایستی قطعات فنر را به صورت لایه لایه تهیه کرد. هر چه تعداد تیغه‌ها بیشتر باشد تحمل تنش برشی بیشتری را دارد. در شکل زیر این مطلب به طور وضوح نشان داده شده است.

البته علت دیگر چندلایه سازی این است که تنش در میان تیر بیشینه بوده و در دو سر تیر کمترین مقدار خود را دارا است، که رابطه زیر این مطلب را می‌نمایاند

پس برای برطرف نمودن این نقیصه و همچنین برای اینکه بتوانیم تنش تقریباً یکنواختی در طول تیر داشته باشیم تیر را با سطح مقطع نایکنواخت می‌سازند.



اصطکاک خشک

موضوع مهمی‌که در ارتباط با فنرهای تسمه‌ای مطرح می‌شود اصطکاک بین لایه‌ای است. در اثر اعمال بار و تغییر شکل فنر، لایه‌های آن بر روی یکدیگر می‌لغزند و این لغزش تولید اصطکاک می‌کند. راستای نیروی اصطکاک بر خلاف جهت حرکت آن است و مقدار نیروی اصطکاک متناسب با نیروی فنر است. به همین جهت برخلاف اصطکاک ثابت کولمبی که در آن نیروی اصطکاک همیشه ثابت می‌ماند در اینگونه فنرها نیروی اصطکاک از صفر تا یک مقدار ماکزیمم در نوسان است.

فنرهای پیچشی و مارپیچ تقریباً فاقد اصطکاک می‌باشند و به همین دلیل مزیت عمده‌ای نسبت به فنرهای تسمه‌ای دارند، در نتیجه تمایل به استفاده از فنرهای پیچشی و مارپیچ افزایش یافته است.

دلیل دیگری که استفاده از فنر پیچشی و مارپیچ را افزون کرده، وزن بیشتر فنرهای تسمه‌ای می‌باشد.

دسته‌بندی فنرهای تخت

فنرهای تخت که به بازار عرضه می‌شوند دو نوع می‌باشد

ذوزنقه‌ای

در اینگونه فنر پهنای لایه‌ها در تمام طول آن یکسان است، که از نظر ساخت ارزان بوده ولی مواد بیشتری مصرف می‌شود.



سهمی

در اینگونه فنر پهنای لایه‌ها در وسط بیشتر از دو طرف هر لایه است، که از نظر ساخت گران بوده ولی مواد کمتری مصرف می‌شود. بنابراین وزن کمتری دارد و جای کمتری را اشغال می‌کند. این گونه فنرها به شکلهای مختلفی در خودرو استفاده می‌شوند .

دو لایه مرحله‌ای

در بسیاری از خودروهای سنگین که وزن آنها در حالت بدون بار و با وجود بار تفاوت زیادی دارد، از فنر تخت دو لایه مرحله‌ای دو ردیفه استفاده می‌شود. در این فنرها فنرهای پایین به فنر اصلی و فنرهای بالایی به فنرهای کمکی معروفند.

این فنر کمکی تنها هنگامی‌وارد عمل می‌شود که بار سنگینی روی وسیله نقلیه قرار گرفته و یا اینکه چرخ با دست انداز بزرگی در جاده برخورد نماید. هنگامی‌که فنر اصلی تا آخرین حد خود بسته شود، فنر کمکی را به سمت بالا حرکت داده و دو انتهای فنر کمکی به دو زائده تکیه گاه که روی شاسی قرار گرفته است، برخورد می‌کند. در این حالت فنر کمکی نیز خم شده و سختی آن به سختی فنر اصلی افزوده می‌گردد .



فنر لاستیکی

فنرهای لاستیکی کاربردهای فراوانی در خودرو دارند. لاستیک جسمی‌سخت شونده است، ینی با افزایش تنش درونی آن، ایستادگی آن در برابر تغییر شکل افزایش می‌یابد. لاستیک در برابر برانگیختگی های پربسامد کم دامنه، جاذب انرژی خوبی است و بنابراین به عنوان جداساز لرزه کاربردهای فراوانی دارد.

پیش بینی ضریب سختی فنرهای لاستیکی برخلاف فنرهای مارپیچی به سادگی امکان‌پذیر نمی‌باشد زیرا

به ساختار شیمیایی آن وابسته است.

وابسته به زمان و نرخ بارگذاری است میرایی .

تابعی ناخطی از بارگذاری است سخت شوندگی .





جنس فنرها

فنرها معمولا از فولاد آلیاژی مخصوص فنر که تمایل سخت کردن است ساخته می‌شود مقدار کربن این فولاد حدود 5/0 درصد است برای فنرهایی که تحت تاثیر بار متوسط واقع می‌شوند این فولاد با منگنز آلیاژ می‌شود و دارای تنش برشی حدود 120 کیلوگرم بر مجذور میلی متر می‌باشد برای بارهای زیاد فولاد، فولاد آلیاژ شده با کرم وانادیوم به کار می‌رود و بدین ترتیب خاصیت ارتجاعی بیشتری به فولاد داده می‌شود. تنش برشی در این نوع فنرها حدود 135 کیلوگرم بر مجذور میلی متر است. فولادهای فنر معمولا در روغن آب داده می‌شوند.





لرزه‌گیر

کاربرد

فنر در برابر برانگیزش بیرونی تغییر شکل داده و انرژی ذخیره می‌کند. با حذف برانگیزش، انرژی ذخیره شده آزاد می‌شود. آزادسازی انرژی در فنر همراه با لرزش است. دامنه و بسامد ارتعاشات و اندازه میرایش نوسانات وابسته به سختی و بار فنر می‌باشد. افزایش سختی فنر سبب کاهش دامنه و افزایش بسامد لرزش‌ها می‌گردد و نیز میرایش فنر را افزایش می‌یابد، بنابراین با این نگرش فنر سخت بهتر از فنر نرم است.

اگر فنر در سیستم تعلیق قرار داشته باشد مجموعه سیستم نیز همراه فنر ارتعاش می‌نماید بنابراین کلیه قسمتهایی که جزو سیستم تعلیق هستند بر فنرهای موجود در دستگاه فنربندی تحمیل شده و مدت ارتعاش را طولانی می‌نمایند.

حال اگر فنری از سیستم تعلیق را در نظر بگیریم که بعلت ناهمواریهای جاده به نوسان در می‌آید هنوز نوسانات قبلی به طور کامل مستهلک نشده که ناهمواریهای دیگر جاده مجدداً آن را به نوسان در می‌آورد و اگر این عمل چندین بار تکرار شود و اتفاقاً دامنه نوسانات نیز با یکدیگر تطبیق نماید اثر این نوسانات با یکدیگر جمع شده و حالت بحرانی یا رزونانس بوجود می‌آید و ارتباط چرخ با جاده قطع می‌شود و در نتیجه راننده تسلط خود را از دست می‌دهد. برای حل این مشکل وسیله‌ای لازم است که بتواند نوسانات فنر را سریعاً مستهلک کند که این وسیله لرزه‌گیر نامیده می‌شود.

بایستی توجه نمود که به جای واژه کمک فنر، واژه لرزه‌گیر بکار رود، زیرا وظیفه این وسیله کاهش لرزش می‌باشد ، در نتیج کارش مخالف کار فنر است و بازی فنر را کاهش می‌دهد.

لرزه‌گیرها کاربردهای فراوانی دارند . در هر ساز و کار و سازه لرزنده‌ای نیاز به کنترل ارتعاشات و میرایش لرزه‌ها است. لرزه‌گیر انرژی جنبشی را به گرما تبدیل می‌نمایند. یکی از ویژگی‌های مهم لرزه‌گیر کاهش و محدودسازی دامنه تشدید سیستم است.

لرزه‌گیر به همراه فنر در سیستم تعلیق خودرو نیازهای اساسی خوش‌سواری و فرمان‌پذیری را دیکته می‌نماید. وظایف این دو بخش به قرار زیر است

جلوگیری و کاهش لرزش‌های بدنه و جدایش سرنشین خودرو از نوفه‌های اعمالی

ایجاد قرارپذیری مناسب چرخ و جاده با کنترل لرزش‌های جرم نامعلق

کارکرد

در سیستم تعلیق، فنر و لرزه‌گیر به صورت موازی بسته می‌شوند. در هنگام فشردگی فنر، لرزه‌گیر به آسانی فشرده می‌شود، اما هنگام کشیدگی فنر، لرزه‌گیر به کندی باز می‌شود.

هنگام فشردگی لرزه‌گیر روغن از سوراخ‌های درشت‌تر دریچه آن جابجا می‌شود و بنابراین به سادگی فشرده می‌شود. اما هنگام کشیدگی برگشت روغن به جای نخستین خود، از سوراخ‌های کوچکتر انجام می‌گیرد. در اثر برگشت روغن از سوراخ‌های کوچک، نیروی اصطکاک روغن بالا رفته و انرژی مکانیکی فنربه انرژی حرارتی روغن تبدیل می‌گردد و سپس گرمای روغن در فضا پخش می‌شود.

هر چه حرکات سریعتر باشد نیروی دمپر بیشتر خواهد بود. دمپینگ بوسیله سوپاپها کنترل می‌گردد. سوپاپها شامل چندین واشر فنری که رابط محفظه بالای پیستون و قسمت پایین سیلندر است می‌باشد. یک فنر حلقوی نرم بدنه سوپاپ را با واشرهای فنری در نشتگاه سوپاپ بهم می‌فشارد. اجزای سوپاپ با هم توسط یک قفسه سوپاپ ترکیب شده‌اند. واشرهای آب‌بندی به اینصورت ساخته می‌شوند که از نشت روغن و ورود گرد و خاک از بیرون به لرزه‌گیر جلوگیری می‌کند. لرزه‌گیر توسط دو اتصال لاستیکی به خودرو محکم شده است.