فنرهای پیچشی

فنر پیچشی چیست و چه کاربردی دارد؟

فنر پیچشی یا Torsion Spring نوعی فنر مارپیچی است که برای ایجاد گشتاور یا نیروی چرخشی طراحی می شود. این فنر معمولا از یک مفتول فلزی ساخته شده که به شکل مارپیچ پیچیده شده و در دو طرف آن بازوهایی برای اتصال به قطعات مختلف وجود دارد. زمانی که یکی از بازوها نسبت به بازوی دیگر چرخانده می شود، فنر انرژی را در خود ذخیره می کند. پس از کاهش نیرو، فنر گشتاوری در جهت مخالف ایجاد می کند و تلاش می کند سیستم را به موقعیت اولیه برگرداند.به همین دلیل، این قطعه در مکانیزم هایی که نیاز به حرکت برگشتی یا کنترل چرخش دارند، کاربرد زیادی دارد.

ساختار هندسی و طراحی شاخک ها در فنر پیچشی

شکل ظاهری و نحوه قرارگیری شاخک ها در این قطعات کاملا وابسته به نوع مکانیزمی است که فنر باید در آن نصب شود. شاخک ها میتوانند به صورت مستقیم، خمیده، قلاب دار یا حتی به شکل اشکال هندسی پیچیده تر طراحی شوند تا به راحتی در محل اتصال قفل شده و گشتاور را منتقل کنند. مهندسان در زمان طراحی این قطعات باید زاویه اولیه بین دو شاخک را در حالت آزاد به دقت محاسبه کنند، زیرا هرگونه انحراف در این زاویه میتواند میزان نیروی خروجی فنر را در زمان کارکرد دچار اختلال کند.

نقش کیفیت مفتول و فرآیندهای حرارتی در دوام فنر

جنس مفتول به کار رفته در ساخت این تجهیزات تعیین کننده اصلی میزان مقاومت آنها در برابر شکستگی و خستگی مفرط فلز است. استفاده از فولادهای پرکربن یا آلیاژهای کروم وانادیوم که تحت عملیات حرارتی دقیق و کوئنچینگ قرار گرفته اند، باعث میشود فنر خاصیت ارتجاعی خود را برای میلیون ها بار باز و بسته شدن حفظ کند. عدام رعایت استانداردهای حرارتی در کارگاه های غیرمجاز معمولا منجر به این میشود که فنر پس از مدت کوتاهی دچار افت نشست شده یا از ناحیه خم شاخک ها بشکند.

فنر پیچشی چگونه کار می کند؟

در فنر پیچشی، نیرو به صورت چرخشی به بازوهای فنر وارد می شود. این نیرو باعث تغییر شکل الاستیک مفتول و ذخیره انرژی در آن می شود.
گشتاور ایجاد شده توسط فنر در محدوده الاستیک، به صورت ساده با رابطه زیر بیان می شود:
M = kθ
در این رابطه:

• M گشتاور فنر است.
•  k نرخ فنر پیچشی است.
• θ زاویه چرخش فنر نسبت به وضعیت اولیه است.
  بنابراین هرچه زاویه چرخش در محدوده طراحی بیشتر شود، گشتاور بازگرداننده نیز افزایش پیدا می کند.
  البته در طراحی واقعی باید عواملی مانند هندسه فنر، جنس مفتول، قطر سیم، تعداد دور و شرایط نصب نیز در نظر گرفته شوند.

اجزای اصلی فنر پیچشی

ساختار فنر پیچشی از چند بخش اصلی تشکیل شده است که هر کدام در عملکرد آن نقش دارند.

بدنه مارپیچی

قسمت اصلی فنر از مفتول فلزی تشکیل شده که به صورت مارپیچ شکل داده شده است. قطر مفتول و قطر مارپیچ از مهم ترین پارامترهای این بخش هستند.

بازوهای فنر

در دو طرف بدنه معمولا بازوهایی وجود دارد که برای اتصال فنر به قطعات مکانیکی استفاده می شوند. شکل، طول و زاویه این بازوها می تواند بر اساس کاربرد متفاوت باشد.

جهت پیچش

فنر پیچشی می تواند برای پیچش راست گرد یا چپ گرد طراحی شود. جهت پیچش باید با جهت حرکت مکانیزم هماهنگ باشد.

انتخاب جهت اشتباه می تواند باعث شود فنر در شرایط کاری عملکرد مورد انتظار را نداشته باشد.

کاربرد فنرهای پیچشی در صنایع خودروسازی

یکی از حیاتی ترین بخش هایی که به طور گسترده از این قطعات استفاده میکند، صنعت تولید خودرو و قطعات وابسته به آن است. از سیستم های ساده ای مانند مکانیزم دستگیره درب ها، برف پاک کن ها و سایه بان ها گرفته تا سیستم های پیچیده تری مانند پدال های گاز و کلاچ و حتی سیستم تعلیق برخی خودروهای سنگین از این قطعات بهره میبرند. عملکرد نرم و بدون صدای این قطعات در خودرو اهمیت زیادی دارد که این امر تنها با ماشین کاری دقیق مقطع مفتول و روان کاری مناسب قطعه حاصل میشود.

کاربرد در لولا و درب

یکی از کاربردهای رایج فنرهای پیچشی در مکانیزم درب ها و لولاها است. فنر می تواند پس از باز شدن درب، گشتاور لازم برای بازگشت آن به موقعیت اولیه را ایجاد کند.

کاربرد در ماشین آلات صنعتی

در ماشین آلات صنعتی، قطعات متحرک زیادی وجود دارند که باید پس از حرکت به موقعیت اولیه بازگردند. فنر پیچشی می تواند برای ایجاد این نیروی بازگشت استفاده شود. این فنرها در بخش هایی مانند موارد زیر کاربرد دارند:

• مکانیزم های اهرمی
• سیستم های باز و بسته شدن
• تجهیزات اتوماسیون
• دستگاه های تولیدی
• ماشین آلات بسته بندی
• مکانیزم های قفل و آزادسازی

کاربرد در قطعات خودرو

در برخی مکانیزم های خودرو نیز از فنر پیچشی استفاده می شود. برای مثال در بخش هایی که یک اهرم، درپوش یا قطعه متحرک باید نیروی برگشت کنترل شده داشته باشد.

کاربرد در تجهیزات کشاورزی

برخی تجهیزات و ماشین آلات کشاورزی نیز دارای مکانیزم های چرخشی هستند که برای بازگشت یا کنترل حرکت آنها می توان از فنر پیچشی استفاده کرد.

کاربرد در محصولات مصرفی

فنرهای پیچشی در محصولات مختلفی مانند گیره ها، ابزارهای مکانیکی، لوازم خانگی، اسباب بازی ها و تجهیزات اداری نیز دیده می شوند.
در هر یک از این کاربردها، ابعاد و مشخصات فنر باید متناسب با نیروی مورد نیاز تعیین شود.

انواع فنر پیچشی

فنرهای پیچشی را می توان بر اساس شکل، کاربرد، جنس و نوع بازوها دسته بندی کرد.

فنر پیچشی تک

در این نوع، یک بدنه مارپیچی با دو بازو در طرفین وجود دارد و معمولا برای مکانیزم هایی استفاده می شود که یک نقطه چرخش اصلی دارند.

فنر پیچشی دو قلو

فنر پیچشی دو قلو یا Double Torsion Spring از دو بخش مارپیچی تشکیل می شود که با یک قسمت اتصال به یکدیگر مرتبط هستند. این نوع فنر زمانی کاربرد دارد که به گشتاور بیشتری یا عملکرد هماهنگ در دو نقطه نیاز باشد.

فنر پیچشی فرم دار

در برخی پروژه ها، بازوهای فنر باید شکل خاصی داشته باشند تا در فضای محدود قرار بگیرند یا به قطعه مشخصی متصل شوند. در چنین شرایطی می توان از فنر فرم دار استفاده کرد که بر اساس نقشه یا نمونه مورد نیاز مشتری تولید می شود.

کاربرد در تجهیزات پزشکی و لوازم خانگی حساس

در وسایل الکترونیکی و تجهیزات پزشکی ظریف، از فنرهای پیچشی مینیاتوری با ضخامت های بسیار کم استفاده میشود که وظیفه بازگرداندن دکمه ها یا نگه داشتن بخش های متحرک را بر عهده دارند. در ساخت این قطعات ظریف معمولا از مفتول استنلس استیل  استفاده میشود تا در اثر رطوبت یا استریل شدن مداوم دچار زنگ زدگی نشوند. در بخش لوازم خانگی نیز وسایلی مانند قفل درب ماشین لباسشویی، لولای درب مایکروویو و جاروبرقی ها بدون حضور این قطعات کارایی خود را از دست میدهند.

جدول مقایسه ویژگی های فنر پیچشی با سایر فنرهای صنعتی

بررسی پدیده خستگی فلز و راهکارهای پیشگیری از آن

خستگی فلز زمانی رخ میدهد که قطعه برای مدت طولانی تحت بارهای متناوب و تکراری قرار گیرد که این امر به مرور زمان باعث ایجاد ترک های ریز میکروسکوپی در بافت فولاد میشود. برای جلوگیری از این پدیده، فرآیندی به نام ساچمه زنی یا شات پینینگ روی سطح فنر انجام میشود که با ایجاد تنش های پسماند فشاری، مقاومت سطح فلز را در برابر رشد ترک ها به شدت افزایش میدهد. این کار باعث میشود قطعه در شرایط سخت کاری دوام بسیار بیشتری داشته باشد.