کمانش فنری: چرا فنرهای فشاری کمان می‌کنند و چگونه آن را زود هنگام در سرویس متوقف کنیم

یک فنر فشاری هنگامی که محور آن به‌جای این‌که در راستای بار باشد، به پهلو خم می‌شود، کمانش می‌کند. هیچ چیز ترک خورده است، سیم کمتر از اندازه نیست، و سرعت اندازه گیری شده در یک نمونه کوتاه درست بود. فنر به سادگی ناپایدار شده است، و به محض اینکه خم می شود، هر عددی که در نقاشی وجود دارد معنی آن را متوقف می کند.

در اینجا پاسخ کوتاه قبل از جزئیات است. کمانش فنری یک مشکل پایداری است نه مشکل استحکام. سه متغیر بیشتر در مورد آن تصمیم می گیرند: نسبت باریکی (طول آزاد تقسیم بر قطر سیم پیچ متوسط)، نحوه نشستن دو انتها روی صندلی خود، و میزان حرکت فنر برای جذب. سپس کنترل تولید تصمیم می گیرد که آیا فنری که روی کاغذ پایدار است در سطل زباله ثابت بماند یا خیر.

کمانش فنری چیست و چیست؟

فنر مارپیچ تحت بار محوری تا حدی مانند یک ستون و تا حدودی مانند یک شفت انعطاف پذیر عمل می کند. مارپیچ بار را عمدتاً به صورت پیچشی حمل می کند، اما سفتی خمشی نیز دارد و با فشرده شدن فنر، سفتی خمشی کاهش می یابد. هنگامی که بار اعمال شده حتی یک جزء جانبی کوچک را از طریق یک نشیمنگاه خارج از مرکز، یک سیم خمیده یا انتهای کمی مخروطی ایجاد می کند، انحراف جانبی سریعتر از انحراف محوری رشد می کند. در آن لحظه است که فنر از فنر بودن دست می‌کشد و شروع به تکیه‌گاهی ناپایدار می‌کند.

در تولید، کمانش به ندرت به عنوان یک ضربه جانبی چشمگیر ظاهر می شود. این فنری به صورت فنری ظاهر می شود که سوراخ خود را ساییده می کند، یک نوار جلا دهنده روشن در امتداد یک طرف سیم پیچ ها می بندد، طول آزاد خود را از دست می دهد، یا باری را با 80 درصد انحراف وارد می کند که به طور قابل اندازه گیری کمتر از محاسبه نرخ پیش بینی شده است.

کمانش، موج، تنظیم و خستگی چهار شکست مختلف هستند

• کمانش یک ناپایداری جانبی ایستا یا شبه استاتیک است. این به تدریج در طول ضربه فشرده سازی ایجاد می شود و به سطح بار و هندسه بستگی دارد.
• موج موجی یک موج دینامیکی است که در طول سیم پیچ ها با سرعت بالا حرکت می کند. این به دلیل فرکانس و توزیع جرم است، نه باریک بودن، و می تواند در یک فنر کاملاً مستقیم رخ دهد.
• مجموعه دائمی از دست دادن طول آزاد ناشی از تنش بیش از حد الاستیک سیم است. فنر می تواند کاملا صاف بماند و همچنان ارتفاع خود را از دست داده باشد.
• خستگی شروع ترک پس از چرخه های مکرر است. کمانش آن را بدتر می‌کند، زیرا تنش خمشی را به تنش پیچشی که طراحی قبلاً تحمل می‌کند، اضافه می‌کند.

دو نسبتی که تقریباً همه چیز را تعیین می کنند

تمرین طراحی فنر در سراسر جهان از اعداد دو بعدی کار می کند. اولی این است Lf/D طول آزاد تقسیم بر میانگین قطر سیم پیچ. دوم این است انحراف تقسیم بر طول آزاد ، به صورت کسری از Lf نوشته شده است. منحنی های کمانش استاندارد یکی در مقابل دیگری ترسیم می کنند و هر نقطه بالای منحنی به این معنی است که انتظار می رود فنر خم شود.

یک قانون غربالگری پرکاربرد از ادبیات طراحی بهار این است فنر فشاری با Lf/D کمتر از حدود 2.6 کمانش نمی کند ، صرف نظر از اینکه چقدر فشرده شده است. بین 2.6 تا 4 خطر بستگی به شرایط سفر و پایان دارد و بالاتر از 4 فنر باید به عنوان یک جزء هدایت شده از ابتدای طراحی در نظر گرفته شود، نه به عنوان یک فکر بعدی.

شرایط پایان مهم است زیرا آنها طول موثر ستون معادل را تغییر می دهند. در رابطه کلاسیک اویلر، بار بحرانی با آن متفاوت است یک تقسیم بر مجذور ضریب طول موثر K بنابراین، بهبود K از 1.0 به 0.5 آستانه کمانش را دو برابر نمی کند، آن را چهار برابر می کند.

جایی که یک فنر "ایمن" هنوز سگک می‌زند: تنوع تولید

نمودار طراحی میانگین فنر را توصیف می کند. شکایات کمانش همیشه از دم توزیع می آید، جایی که سه یا چهار انحراف کوچک در یک جهت قرار می گیرند. در عمل، منابع تنوع زیر باعث بیشتر شکایاتی می شود که در سطح مغازه و در ممیزی مشتریان مشاهده می کنیم.

• پخش طول رایگان. یک نوار تولید معمولی برای فنر فشاری اغلب یک تا دو درصد طول آزاد اسمی است. فنری که در انتهای کوتاه آن نوار قرار دارد، همراه با یک صندلی که کمی خارج از مرکز قرار دارد، می تواند با حدود 60 درصد انحراف که نمودار طراحی آن را بحرانی می نامد، خم شود.
• سیم مستقیم و ریخته گری. سیمی که با انحنای باقیمانده وارد می شود سیم پیچی تولید می کند که محور آن قبلاً در حالت آزاد خم شده است. هنگامی که فنر فشرده می شود، کمان ناپدید نمی شود، فقط جهتی را انتخاب می کند.
• یکنواختی گام تغییر گام چند دهم میلی متری در سراسر سیم پیچ های فعال به این معنی است که برخی از سیم پیچ ها قبل از بقیه به جامد نزدیک می شوند. آن کویل های بسته به عنوان یک لولای جانبی عمل می کنند و آستانه کمانش به شدت کاهش می یابد.
• رانش قطر سیم پیچ. اگر قطر متوسط ​​در طول طول تغییر کند، نرخ موضعی تغییر می کند و فنر به طور ناموزون فشرده می شود. بخش سفت تر انحراف کمتری دارد و بخش نرم تر انحراف را انجام می دهد.

کویلینگ تحت کنترل سروو مستقیماً به این موضوع می پردازد. گام قابل برنامه ریزی، تصحیح قطر بیرونی حلقه بسته و فشار تغذیه ثابت سیم، طول، گام و قطر آزاد را در یک نوار محکم نگه می دارد، که ارزان ترین راه برای دور کردن کل تولید از منحنی کمانش است.

دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-335 3AXES دستگاه سیم پیچ فنری CNC TK-335 3AXES مشاهده محصول →

در تجهیزات این کلاس، تغذیه سیم، اصلاح گام و قطر توسط سیستم کنترل به جای بادامک های مکانیکی انجام می شود، بنابراین تغییر تعداد سیم به طور خودکار به معنای تغییر هندسه فنر نیست. برای فنری که فقط تا حدی پایدار است، این تکرارپذیری اغلب تفاوت بین مقاله اول عبوری و شکست خورده است.

پایان مربع و سنگ زنی: ارزان ترین تعمیر کمانش

محاسبات در اینجا صریح است و ارزش انجام آن را قبل از تغییر اندازه سیم دارد. انحراف سه درجه در انتهای فنر با طول آزاد 100 میلی متر، انتهای آن را حدود 5.2 میلی متر از محور دور می کند. ، زیرا سه درجه دارای مماس تقریباً 0.052 است. همین مقدار خارج از مرکز برای فشار دادن یک فنر مرزی بر روی منحنی کمانش در اولین حرکت فشاری کافی است.

هدف تمرین خوب سنگ زنی، یک سطح تماس مسطح در عرض حداقل سه چهارم قطر سیم، با دو وجه انتهایی موازی با کسری کوچک از قطر سیم است. عملیات سنگ زنی همچنین باید از گرم شدن بیش از حد انتهای سیم جلوگیری کند: سوختگی سنگ زنی، که به صورت کاهی یا رنگ آبی قابل مشاهده است، در انتهای فنر، دقیقاً جایی که بار ستون وارد می شود، لولا نرم تری به جای می گذارد.

سازنده دستگاه آسیاب فنری CNC ماشین سنگ زنی انتهای فنری CNC WNM2.5 WNM مشاهده محصول →

آسیاب های انتهایی اتوماتیک با نرخ تغذیه کنترل شده و فشار آسیاب متغیر اپراتور را حذف می کنند. در جایی که یک وجه انتهایی به طور ناهموار زمین می‌شود، هیچ مقداری از بازرسی پایین دست مربعی از دست رفته را بازیابی نمی‌کند و فنر به دلیل علامتی که به نظر می‌رسد مشکل طراحی است، رد می‌شود.

تعدیل، استرس باقیمانده و چرا یک فنر وقتی نباید تعظیم می کند

فنرهای فشاری با سیم پیچ سرد فشارهای پسماند زیادی را از عملیات سیم پیچی تحمل می کنند. بدون چرخه کاهش تنش، این تنش ها به آرامی تحت بار شل می شوند و فنر هم طول آزاد و هم صافی خود را از دست می دهد. فنرهای فولادی کربنی با سیم پیچ سرد معمولاً در جایی در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد به مدت 30 تا 60 دقیقه تنش را کاهش می دهند، با پنجره دقیق بسته به درجه سیم و سطح تنشی که طراحی اجازه می دهد.

جزئیات کوره که برای کمانش اهمیت دارد یکنواختی است، نه دمای اوج. اگر یک طرف بار در ناحیه خنک‌تری قرار گیرد، یک طرف سیم پیچ استرس کمتری نسبت به طرف دیگر کاهش می‌دهد و فنر کوره را که قبلاً خم شده است، ترک می‌کند. یکنواختی ناحیه کاری در چند درجه سانتیگراد چیزی است که کوره ای را که از فنرهای مستقیم پشتیبانی می کند از کوره ای که به آرامی ضایعات تولید می کند جدا می کند.

چشمه‌های داغ از مسیر متفاوتی می‌گذرند، با توالی آستنیته، خاموش کردن و تلطیف در دماهای بسیار بالاتر. در اینجا یک خاموش کننده ناهموار، کمانی ایجاد می کند که هیچ مقداری از ساییدن انتهایی نمی تواند آن را اصلاح کند، زیرا انحنای آن به جای نشستن در انتهای فنر، در کل بدنه فنر جریان دارد.

کوره فنری WNJ210 (سری Panint) کوره فنری سری Panint WNJ مشاهده محصول →

هر طراحی کوره ای که استفاده می شود، آزمایش عملی ساده است: یک دسته را اجرا کنید، بگذارید در یک قفسه مستقیم خنک شود و کمان محور را روی صفحه سطحی اندازه گیری کنید. اگر کمان با موقعیت در کوره به جای با موقعیت در سیم پیچ همبستگی دارد، عملیات حرارتی مشکل است، نه دستگاه سیم پیچ.

طراحی اهرم هایی که آستانه کمانش را بالا می برند

وقتی فنر در حال کمانش در مزرعه است، این اهرم‌ها در واقع نتیجه را تغییر می‌دهند، تقریباً به ترتیب هزینه اجرای آنها.

1. بهار را راهنمایی کنید. یک میله در داخل سوراخ یا یک آستین روی قطر بیرونی آزادی تعظیم را از بین می برد. کارگاه معمولی یک میله راهنما را تقریباً 90 درصد از حداقل قطر داخلی و یک سوراخ را تقریباً 110 درصد از حداکثر قطر خارجی اندازه می دهد. فاصله بسیار کم و فنر روی راهنما می نشیند. خیلی زیاد است و راهنما تا زمانی که فنر چندین میلی متر خم نشده باشد کاری انجام نمی دهد.
2. طول آزاد را کوتاه کنید. کاهش Lf/D مستقیم ترین راه حل است، اما معمولاً به سیم پیچ های بیشتری برای همان سرعت نیاز دارد، بنابراین ارتفاع جامد رشد می کند. بررسی کنید که فنر هنوز در حالت فشرده سازی کامل حرکتی داشته باشد.
3. پیش بارگذاری را اضافه کنید و سفر کاری را کاهش دهید. نصب فنر در طول فشرده، کسر انحرافی را که باید در طول سرویس جذب کند، کاهش می‌دهد، که نقطه کار را به سمت پایین و به چپ در منحنی کمانش حرکت می‌دهد.
4. وضعیت پایانی را بهبود بخشید. انتهای زمینی و بسته روی صندلی های موازی مسطح، K را به سمت 0.5 حرکت می دهد. این اغلب به جای تغییر فنری، طراحی مجدد صندلی است و معمولاً کم هزینه ترین بهبود موجود است.
5. از فنرهای تو در تو استفاده کنید. دو فنر متحدالمرکز باریکتر بار را به اشتراک می گذارند. هر یک به طور جداگانه دورتر از منحنی کمانش قرار می گیرد، و اگر یکی خم شود، دیگری مجموعه را در مرکز نگه می دارد.
6. قبل از تغییر درجه سیم، مدول مواد را بررسی کنید. هر فولاد فنری معمولی، از سیم موزیک گرفته تا سیلیکون کروم، تقریباً 200 تا 210 گیگا پاسکال است. حرکت به درجه کششی بالاتر تنش مجاز را افزایش می دهد اما برای کمانش کاری انجام نمی دهد. تیتانیوم، در حدود 110 گیگا پاسکال، کمانش را بدتر می کند. برای بحث کاملتر در مورد نحوه تعامل انتخاب نمره با هندسه، به این راهنما مراجعه کنید انتخاب مواد فنر برای ماشین های فنری .
7. صندلی را بررسی کنید، نه فقط فنر. یک جیب فرسوده یا تغییر شکل می‌تواند یک فنر با K 0.5 را به K موثر 1.5 تبدیل کند بدون اینکه کسی به طراحی فنر دست بزند.

نحوه گرفتن کمانش قبل از اینکه مشتری انجام دهد

کمانش مدت ها قبل از اینکه به شکایت تبدیل شود، شواهدی را به همراه دارد. یک روال اولیه بازرسی ورودی بیشتر آن را تشخیص می دهد.

• بارگیری در چهار نقطه، نه یک نقطه. در 25، 50، 75 و 100 درصد حداکثر انحراف کاری آزمایش کنید. اگر بارها در نقاط بالاتر از دو نقطه اول به زیر خط مستقیم بیفتند، انرژی به سمت خم می رود.
• ضربه برگشت را تماشا کنید. فنرهای کماندار هیسترزیس را نشان می دهند: بار در مسیر برگشت کمتر از بار در همان انحراف در راه است، زیرا اصطکاک در برابر راهنما یا سوراخ کار می کند.
• به دنبال نوارهای پولیش باشید. یک نوار سایش روشن در امتداد یک طرف سیم پیچ ها، یا یک روکش آینه ای روی میله راهنما، شواهد مستقیمی از تماس جانبی است.
• عمود بودن را بررسی کنید. فنر را روی یک صفحه سطحی در مقابل یک مربع قرار دهید و فاصله بین محور و مرجع در سیم پیچ بالایی را اندازه بگیرید.
• طول آزاد را پس از یک چرخه فشرده سازی کامل دوباره اندازه گیری کنید. یک مجموعه جانبی دائمی از یک تا سه میلی‌متر پس از یک چرخه، نشانگر قوی است که فنر بسیار نزدیک به آستانه کمانش خود عمل می‌کند.
• فنر را روی یک صفحه سطح بغلتانید. فنری که به جای اینکه به آرامی غلت بخورد، خم می شود، و فنر خمیده ای عمر مفید خود را تا حدودی به سمت کمانش شروع می کند.

جایی که کمانش بیشترین هزینه را دارد

کمانش به ندرت یک مشکل تک قسمتی است. این یک مشکل سیستمی است و صنایعی که کمترین تحمل را برای حرکت جانبی در یک مجموعه دارند ابتدا آن را احساس می کنند.

در کاربردهای سیستم تعلیق و صندلی خودرو، فنری که در داخل صندلی خم می‌شود، نرخ چرخ را تغییر می‌دهد، عایق صندلی را می‌پوشد و صدایی تولید می‌کند که مشتریان بلافاصله گزارش می‌دهند. در تولید فنر خودرو دقیقاً به همین دلیل، قوام قطر سیم پیچ و مربع انتهایی به عنوان الزامات عملکردی در نظر گرفته می شوند. فنرهای قطار سوپاپ در سوراخ‌های محکمی کار می‌کنند که هر گونه تماس جانبی به سایش روی نگهدارنده و سر تبدیل می‌شود. مجموعه‌های هوافضا و پزشکی اغلب از فنرهای بلند و باریک در حفره‌های محدود استفاده می‌کنند، بنابراین طراحان به جای اینکه منتظر شکست آزمایشی باشند، یک راهنما از اولین طرح می‌سازند. فنرهای مخابراتی و رابط به قدری کوتاه هستند که کمانش به ندرت مشکل ساز می شود، اما همان گام و کنترل کیفیت انتهایی که از کمانش جلوگیری می کند، از قوام نیروی تماس نیز محافظت می کند.

نکته تجاری ساده است. خرابی کمانش معمولاً در هنگام مونتاژ یا پس از تحویل مشاهده می شود که به معنای کار مجدد، مرتب سازی و بازنگری طراحی است. هزینه هر سه بسیار بیشتر از سیم پیچ سیم پیچی است که می توانست شرایط را در دستگاه از بین ببرد.

سوالات متداول در مورد کمانش فنری

فنر فشاری با چه نسبت باریکی شروع به کمانش می کند؟

یک مقدار غربالگری که به طور گسترده استفاده می شود، نسبت Lf به D در حدود 2.6 است. کمتر از آن، کمانش به عنوان یک نگرانی عملی در نظر گرفته نمی شود. تقریباً بالای 4، فنر باید هدایت شود یا طرح باید دوباره کار شود. بین این دو شکل، پاسخ به مقدار طول آزاد استفاده شده و شرایط پایان بستگی دارد.

آیا کمانش فقط در فشرده سازی کامل اتفاق می افتد؟

نه. آستانه کمانش معمولاً در 60 تا 80 درصد انحراف بحرانی محاسبه شده به دست می‌آید و فنر می‌تواند در نیمه دوم حرکت خود در حالت خمیده قرار گیرد. به همین دلیل است که یک فنر می تواند آزمایش بارگذاری تک نقطه ای را در ارتفاع کار انجام دهد و همچنان در سرویس از کار بیفتد.

آیا انتهای زمین به تنهایی می تواند از کمانش جلوگیری کند؟

انتهای زمین خروج از مرکز را کاهش می دهد و ضریب طول موثر را به سمت 0.5 حرکت می دهد که می تواند آستانه را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. آنها یک راهنما را روی یک فنر باریک واقعی جایگزین نمی کنند. سنگ زنی مقدمه بار را رفع می کند. نمی تواند این واقعیت را تغییر دهد که خود فنر نسبت به قطر آن بسیار طولانی است.

آیا تعویض سیم با کشش بالاتر، کمانش را متوقف می کند؟

تقریبا هرگز. کمانش به هندسه و مدول الاستیک بستگی دارد و مدول هر فولاد فنری معمولی در چند درصد از 200 تا 210 گیگا پاسکال است. درجه بالاتر استرسی را که سیم می تواند دوام بیاورد افزایش می دهد، که یک سوال خستگی و تنظیم است، نه یک سوال ثبات.

آیا کاهش استرس واقعاً بر صاف بودن تأثیر می گذارد؟

این کار را انجام می دهد و تأثیر آن قابل اندازه گیری است. فنر با سیم پیچ سرد که تنش را به درستی از بین نبرده باشد، تحت بار به طور ناهموار شل می شود و شل شدن آن در سمت سیم پیچی است که بیشترین تنش پسماند را حمل می کند. نتیجه یک کمان است که در چند صد چرخه اول رشد می کند.

آیا میله راهنما همیشه جوابگو است؟

این تنها قابل اعتمادترین معیار است، اما مشکلات خاص خود را به همراه دارد: اصطکاک، ضایعات سایش، و فاصله ای که باید به اندازه کافی محکم باشد تا کار کند و در عین حال به اندازه کافی شل باشد تا از گیر افتادن جلوگیری شود. در جاهایی که راهنما غیرممکن است، فنرهای تو در تو یا طراحی کوتاه تر و سفت تر با کاهش سفر معمولاً نتیجه کلی بهتری می دهد.

کمانش چه تفاوتی با موج سواری دارد؟

کمانش یک ناپایداری جانبی ایستا است که ناشی از بار و باریکی است. موج ناگهانی یک پدیده پویا است که توسط فرکانس تحریک هدایت می شود و یک فنر کوتاه و اسکوات می تواند به شدت بالا بیاید در حالی که هرگز به کمانش نزدیک نمی شود. راه حل ها ارتباطی ندارند، به همین دلیل است که تشخیص باید قبل از اقدام اصلاحی انجام شود.

کمانش بهار قابل پیش بینی است و این خبر خوب است. نسبت باریکی را محاسبه کنید، شرایط پایان موثر را تعیین کنید، نقطه عملیاتی را در برابر منحنی کمانش صنعت رسم کنید، سپس بروید و بررسی کنید که آیا فرآیند واقعاً می‌تواند هندسه محاسبه‌شده را حفظ کند. در بیشتر موارد، راه حل یک فنر کوتاه‌تر، یک انتهای زمین، یک راهنمای با اندازه مناسب، یا یک فرآیند سیم پیچی و عملیات حرارتی است که دسته‌ای پس از دسته‌ای صافی را حفظ می‌کند.

ابتدا اعداد را اجرا کنید، در مرحله دوم صندلی ها را بررسی کنید و تنها پس از آن فنر را عوض کنید. این سفارش بیشترین صرفه جویی در زمان و بیشترین سیم را دارد.