فنرهای گام متغیر، فنرهایی هستند که فاصله بین فنرها ثابت نیست. این نوع طراحی فنر مزایای متعددی را ارائه میدهد و طیف گستردهای از محصولات برای ارائه عملکرد بهینه به فنرهای گام متغیر وابسته هستند.
برای درک فنرهای گام متغیر، دانستن دو پارامتر کلیدی فنر مهم است: گام و سرعت. گام فنر فاصله بین دو فنر مجاور است که از نقطه میانی ماده فنر اندازهگیری میشود. سرعت فنر نسبت نیروی مورد نیاز برای تغییر شکل فنر به میزان تغییر شکل است. در فنرهای فشاری، سرعت فنر میزان سختی فشردهسازی فنر را اندازهگیری میکند. در فنرهای کششی، سرعت فنر میزان سختی باز کردن فنر را اندازهگیری میکند.
فنرهای گام متغیر زمانی استفاده میشوند که سازنده میخواهد سرعت فنر را کنترل کند، بنابراین این دو مفهوم ارتباط نزدیکی با هم دارند. سرعت فنر را میتوان با تنظیم قطر فنر نیز کنترل کرد، اما فنرهای گام متغیر میتوانند ضمن حفظ قطر ثابت فنر، پروفیلهای سرعت مشابهی را ارائه دهند.
مزایای فنرهای با گام متغیر
تولیدکنندگان مزایای متعددی را در توانایی تغییر گام فنر میبینند. به عنوان مثال، فنرهای مخروطی (و سایر انواع فنرهای با قطر متغیر) را میتوان طوری ساخت که با نرخ خطی منحرف شوند. گام متغیر همچنین میتواند برای جلوگیری از بسته شدن کامل حلقهها در فنرهای "نرم" یا فنرهایی با نرخ فنر پایین استفاده شود. هر دو فنر کششی و فشاری گاهی اوقات میتوانند از گنجاندن چندین ردیف حلقه بسته بهرهمند شوند، که همچنان امکان انعطافپذیری را فراهم میکند اما از گره خوردن جلوگیری میکند.
یک مزیت فنیتر، جلوگیری از موج فنر است. موج فنر زمانی رخ میدهد که فرکانس طبیعی فنر با فرکانس نیروی اعمال شده مطابقت داشته باشد و باعث شود فنر به جلو و عقب نوسان کند (شبیه به نحوه حرکت یک فنر در دو انتها). موج فنر عمر فنرها را کوتاه میکند و در برخی موارد میتواند باعث خرابی فوری شود. با تغییر گام فنر، تولیدکنندگان میتوانند از موج فنر در کاربردهای فرکانس بالا مانند شیرها و سلاحهای خودکار جلوگیری کنند.
نحوه عملکرد فنرهای با گام متغیر
اگر قطر سیمپیچ و قطر سیم هر دو ثابت باشند، فنرهایی با گام بالاتر (فاصله بیشتر بین سیمپیچهای مجاور) برای انحراف به نیروی بیشتری نیاز دارند. در فنرهای با گام متغیر، سیمپیچهای با گام پایینتر ابتدا منحرف میشوند و به نیروی کمتری نیاز دارند. با افزایش نیروی اعمال شده، سیمپیچهای با گام بالاتر شروع به انحراف میکنند و نرخ فنر مشاهده شده نیز افزایش مییابد.
فنرهای با گام متغیر میتوانند از نظر عملکرد مشابه مجموعهای از فنرهای معمولی باشند که هر کدام گام متفاوتی دارند. قبل از اینکه تجهیزات مدرن امکان تولید دقیق فنرهای با گام متغیر را فراهم کنند، این دستهها بسیار رایجتر بودند. با این حال، با توجه به توانایی تولید یک فنر واحد با ویژگیهای مشابه، تولیدکنندگان اغلب قطعات متعددی را برای یک فنر واحد و ساده مبادله میکنند.
موارد استفاده از فنرهای گام متغیر
سیستم تعلیق خودرو با عملکرد بالا
در خودروهای با عملکرد بالا، سیستم تعلیق باید ضربات و پستی و بلندیهای جاده را جذب کند و در عین حال راننده را در کنترل داشته باشد. فنرهای گام متغیر میتوانند سواری نرمی را بدون تأثیر منفی بر عملکرد، به خصوص هنگام پیچیدن با سرعت بالا، ارائه دهند.
سیستم تعلیق خودروهای تجاری
خودروهای تجاری، مانند کامیونهای حمل بار و ونهای مسافربری، نیاز به ارائه سیستم تعلیق نرم در زیر بارهای مختلف دارند. فنرهای گام متغیر را میتوان طوری طراحی کرد که عملکرد مشابهی را در چندین سطح انحراف، متناسب با میزان خالی یا پر بودن وسیله نقلیه، ارائه دهند.
تشکهای سطح بالا
با عملکرد تحت همین اصل، فنرهای گام متغیر نیز از فنرهای گام متغیر برای ایجاد یک تشک نرمتر و واکنشپذیرتر استفاده میکنند که همچنان درجه بالایی از پشتیبانی زیرین را فراهم میکند.
سوپاپها
به دلیل توانایی آنها در به حداقل رساندن جهش فنر، فنرهای گام متغیر اغلب در کاربردهای دینامیکی استفاده میشوند که در آن فنر به سرعت با سرعتی نزدیک به فرکانس رزونانس فنر فشرده و از حالت فشرده خارج میشود. فنرهای سوپاپ یکی از این کاربردها هستند.
تولید فنرهای با گام متغیر
با استفاده از تجهیزات مدرن سیمپیچ فنر، تولیدکنندگان فنر با گام متغیر میتوانند فنرهایی را طراحی و تولید کنند که با طیف گستردهای از محصولات نهایی مطابقت داشته باشند. کنترلهای CNC، مانند سیستمهای کنترل مبتنی بر کامپیوتر ما، تنظیم پارامترهای گام را در کنار سایر ویژگیها مانند قطر و طول آسان میکنند. تولیدکنندگان فنر میتوانند بخشهایی با گامهای مختلف را به وضوح مشخص کنند یا فنرهایی با نرخ تغییر برنامهریزیشده تولید کنند. کنترلهای مبتنی بر کامپیوتر به اپراتورها اجازه میدهند هر پیکربندی را طراحی کنند.
علاوه بر متغیرهای استاندارد فنر فشاری مانند قطر سیم و نحوهی پرداخت انتهایی، تولیدکنندگان فنرهای با گام متغیر باید موارد زیر را نیز در نظر بگیرند:
نرخ فنر: آیا فنر باید نیروی خطی، نیروی ثابت یا نیروی متغیر دیگری را تقریب بزند؟
قطر فنر: آیا قطر فنر باید ثابت باشد یا فنر مخروطی، بشکهای یا ساعت شنی مطلوبتر است؟
فرکانس رزونانس: در کاربردهای دینامیکی، فنر در چه فرکانسی فشرده و از حالت فشرده خارج میشود؟
با تجهیزات قوی سیمپیچ فنر CNC، تولیدکنندگان میتوانند به راحتی فنرهای با گام متغیر را با طیف گستردهای از پارامترهای سفارشی تولید کنند. خط تولید فنرهای CNC را میتوان طوری پیکربندی کرد که فنرهای فشاری و فنرهای کششی را تقریباً با هر پیکربندی گامی تولید کند.
