ریپورتر
7th September 2010, 11:25 AM
در كشور ما، به‌دليل كاربرد وسيع «دست فنر نورد شده»1 يا به اصطلاح رايج «فنر پارابوليك» در صنعت خودرو از يك سو و رشد صنعت خودروي كشور و ساخت نمونه خودروهاي داراي اين نوع فنر در سال‌هاي اخير از سوي ديگر، نياز به شناخت «فنر نورد شده» در صنعت خودرو احساس مي‌شود.
مقاله حاضر تلاشي در جهت شناساندن اين نوع فنرهاست.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C54890418 6010746.jpg&X=250&Y=68 (http://porsaone.wordpress.com/)
سال‌هاست كه از دست فنر2 به‌عنوان عضو اصلي سيستم تعليق خودروها استفاده مي‌شود. اين فنر، ابتدا در سيستم تعليق جلو و عقب خودرو به‌كار مي‌رفت، اما كاربرد آن به مرور زمان، تنها به سيستم تعليق عقب خودرو محدود شد. وظيفه اصلي دست فنر جذب انرژي كرنشي ناشي از اعمال نيروهاي مختلف و تغيير شكل‌هاي مختلف است. در واقع اين نيروها يا تغيير شكل‌ها، از طريق چرخ خودرو وارد مي‌شود. دست فنر، بايد توانايي جذب تمام انرژي ناگهاني وارده به خود را داشته باشد در غير اين صورت، قسمتي از انرژي وارده به‌صورت ضربه به اتاق خودرو منتقل خواهد شد. البته به مرور انرژي جذب شده توسط دست فنر، از طريق كمك فنر به‌صورت حرارت دفع مي‌شود.
انرژي كه بايد در فنر ذخيره شود، ناشي از نيروهاي زير است:
1 . نيروهاي خمشي حاصل از وزن خودرو به اضافه بار
2 . نيروهاي طولي (كششي- فشاري) ناشي از ضربه‌هاي ترمز و نيروي كششي موتور به هنگام شتاب‌گيري خودرو
3 . نيروهاي جانبي ناشي از تغيير اندازه حركت زاويه‌اي در پيچ‌ها
4 . پيچش فنر
عامل محدود كننده حد جذب انرژي در دست فنرها، حد تنش در فنر است. اگر حد تنش بيش از حد تحمل فنر باشد، حتماً واماندگي3 يا شكست رخ مي‌دهد. لذا دقت بسيار در انتخاب نوع ماده دست فنر، اهميت داشته و بايد از موادي استفاده كرد كه توانايي جذب انرژي زيادي را داشته باشد. بجز عامل انتخاب نوع ماده، طراحي مناسب و بهينه نيز يكي از عوامل مهم افزايش اين توانايي است.
فنرهاي نورد شده
طراحان به‌منظور افزايش حد تحمل فنر، بدون ايجاد تغيير در ابعاد، مواد و… آن «فنرهاي نورد شده» را طراحي كرده‌اند. امروزه اين فنرها به‌صورت گسترده‌اي در وسائط نقليه به‌كار مي‌روند. در صورت اعمال شرايطي خاص در فرايند توليد آنها (مثلاً ساچمه‌زني تحت تنش) حد تحمل آنها را به طوري قابل توجه ميتوان بهبود داد.
«فنرهاي نورد شده» عموماً به فنرهايي اطلاق مي‌شود كه به روش نورد در ضخامت، ساخته مي‌شوند. اين فنرها، در وسط نسبت به دو انتها ضخامت بيشتري دارند. از اين‌رو، تحت بارهاي خمشي، تنش تقريباً يكساني در طول فنر ايجاد مي‌شود.
دليل اصلي طراحي و ساخت فنرهاي نورد شده، بالا بردن حد تحمل فنر بدون تغيير در ابعاد آن است. ديگر مزاياي استفاده و طراحي اين فنرها، عبارتند از:
- وزن كم فنرهاي نورد شده نسبت به دست فنرهاي معمولي. وزن آنها نسبت به نوع مشابه معمولي تقريباً 40 درصد سبك‌تر خواهد بود. اين كاهش وزن، بسيار قابل توجه بوده و مي‌تواند يكي از مهمترين انگيزه‌هاي جايگزيني فنر تخت ساده با نوع نورد شده باشد.
- عمر خستگي طولاني‌تر
- انعطاف‌پذيري4 بالاتر
- اين فنرها غالباً به‌صورت تك‌لايه ساخته مي‌شوند و در صورت چند لايه بودن نيز با توجه به اينكه تماس لايه‌ها فقط از سر لايه است، اصطكاك بين لايه‌اي حذف شده و يا به حداقل مي‌رسد. با اين كار، محاسبات فنر بهتر و دقيق‌تر انجام مي‌شود زيرا انرژي اصطكاكي به دقت قابل محاسبه نيست و در شرايط مختلف، متفاوت است.
انواع فنرهاي نورد شده
از آنجا كه اين فنرها غالباً به‌صورت تك لايه طراحي و ساخته مي‌شوند، به آنها فنرهاي «تك لايه»5 نيز گفته مي‌شود. در صورتي كه اين فنرها به‌صورت چند لايه طراحي و ساخته شوند، هر لايه نقش يك فنر را ايفا مي‌كند و به‌همين دليل، فنرهاي چند لايه با طول كامل طراحي مي‌شوند. غالباً اين نوع فنرها در صورت چندلايه بودن، حداكثر با 4 لايه طراحي مي‌شوند.
اين فنرها از نظر پروفيل نورد به دو دسته زير تقسيم مي‌شوند:
الف- فنر با پروفيل نورد خطي6
ب- فنر با پروفيل نورد غيرخطي7
در شكل زير، پروفيل نورد هر دو دسته به وضوح نشان داده شده است.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C48870086 8827239.jpg&X=250&Y=232 (http://porsaone.wordpress.com/)
الف- فنر با پروفيل نورد خطي
اين فنر همان‌طور كه در شكل مشاهده مي‌كنيد، به‌صورت خطي نورد مي‌شود. در اين فنرها، تغيير جابجايي8 دست فنر، با تغيير جايجايي هر لايه برابر است. هر لايه، براساس ضريب ثابت فنر9 خود نيرو را تحمل مي‌كند. به بياني ديگر، ضريب ثابت فنر دست فنر با مجموع ضرايب ثابت فنر هر لايه برابر است، در نتيجه طراحي با توجه به هر لايه مجزا صورت مي‌گيرد.
در مورد اين فنرها، گاهي اصطلاح «نورد بلند»10 نيز به‌كار مي‌رود.
ب- فنر با پروفيل نورد غيرخطي
پروفيل نورد اين فنر، سهمي گون11 بوده و به‌طور معمول، فرايند نورد آن از فرمول مندرج در شكل انتهاي صفحه تبعيت مي‌كند.
در اين نوع فنر نيز مشابه فنر «پروفيل نورد خطي» طراحي هر لايه به‌صورت مجزا صورت مي‌گيرد.
در اشكال زير، نحوه توزيع تنش در راستاي طول فنر با پروفيل نورد خطي و غيرخطي (پارابوليك) ارائه شده است. براساس اين شكل‌ها، توزيع انرژي در طول فنر ساخته شده با پروفيل نورد غيرخطي (پارابوليك)، يكنواخت‌تر است.
الف – توزيع تنش در فنر با پروفيل نورد خطي
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C13694390 9934613.jpg&X=330&Y=196 (http://porsaone.wordpress.com/)
ب – توزيع تنش در فنر با پروفيل نورد غيرخطي (پارابوليك)
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C14629839 9859708.jpg&X=316&Y=177 (http://porsaone.wordpress.com/)
نتيجه‌گيري
استفاده از دست فنر در اكسل‌هاي جلو و عقب خودروهاي سنگين (كاميون‌ها و تريلي‌ها) و خودروهاي نيمه سنگين (وانت‌ها) اجباري است زيرا در اين فنرها به سختي‌هاي بالا ميتوان دست يافت و حتي ميتوان تدابيري خاص انديشيد تا سختي فنر در حالت بدون بار و بار كامل، متفاوت باشد (فنرهاي با ضريب فنريت متغير)12.
از سوي ديگر، دست فنرها به‌طور مستقيم رابط چرخ يا اكسل و شاسي خودرو و در نتيجه اتاق هستند. اين در حالي است كه ساير انواع فنرها مانند فنرهاي مارپيچ، به تنهايي رابط اكسل و اتاق نبوده و نياز به متعلقاتي دارند.
از آنجا كه امروزه جهان با بحران انرژي و ضرورت صرفه‌جويي هر چه بيشتر در مصرف انرژي روبه‌روست، پرداختن به سبك‌سازي خودرو، از جمله جايگزيني فنر تخت ساده با فنر نوردشده، امري ضروري به‌نظر مي‌رسد. با توجه به مزاياي اين نوع فنر و امكان ساخت و طراحي تك لايه‌اي آن، طراحي فنر ساده‌تر و بررسي مطالعه رفتار فنر تحت تأثير بارهاي مختلف راحت‌تر و دقيق‌تر انجام مي‌شود. طراحي و ساخت اين فنرها، در حال حاضر گسترش يافته و به سرعت جايگزين فنرهاي تخت معمولي شده است.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C82402792 8849476.jpg&X=374&Y=278 (http://porsaone.wordpress.com/)
پانوشت‌ها
1. Tapered leaf spring
2. Leaf spring
3. Failure
4. Flexibility
5. Single leaf spring
6. Tapered Profile
7. Parabolic Profile
8. Deflection
9. Spring Constant
10. Long tape
11. Parabolic
12. 2- stage progressive leaf spring
منابع
1. استاندارد SAE HS 788
Design and Application of leaf springs
2 . استاندارد 2008: JIS B 2710- Part2
Leaf springs- Part2: Design method
3 . استاندارد 2008: JIS B 2710- Part4
Leaf springs- Part4: Specification of Products
4 . پوركمالي اناركي، علي «طراحي فنر شمش، ساخته شده از مواد مركب پليمري» بهار 1377.
porsaone.wordpress.com (http://www.porsaone.wordpress.com/) . 5
نويسنده : مجيد بيگلر – ماهنامه صنعت خودرو
مقاله حاضر تلاشي در جهت شناساندن اين نوع فنرهاست.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C54890418 6010746.jpg&X=250&Y=68 (http://porsaone.wordpress.com/)
سال‌هاست كه از دست فنر2 به‌عنوان عضو اصلي سيستم تعليق خودروها استفاده مي‌شود. اين فنر، ابتدا در سيستم تعليق جلو و عقب خودرو به‌كار مي‌رفت، اما كاربرد آن به مرور زمان، تنها به سيستم تعليق عقب خودرو محدود شد. وظيفه اصلي دست فنر جذب انرژي كرنشي ناشي از اعمال نيروهاي مختلف و تغيير شكل‌هاي مختلف است. در واقع اين نيروها يا تغيير شكل‌ها، از طريق چرخ خودرو وارد مي‌شود. دست فنر، بايد توانايي جذب تمام انرژي ناگهاني وارده به خود را داشته باشد در غير اين صورت، قسمتي از انرژي وارده به‌صورت ضربه به اتاق خودرو منتقل خواهد شد. البته به مرور انرژي جذب شده توسط دست فنر، از طريق كمك فنر به‌صورت حرارت دفع مي‌شود.
انرژي كه بايد در فنر ذخيره شود، ناشي از نيروهاي زير است:
1 . نيروهاي خمشي حاصل از وزن خودرو به اضافه بار
2 . نيروهاي طولي (كششي- فشاري) ناشي از ضربه‌هاي ترمز و نيروي كششي موتور به هنگام شتاب‌گيري خودرو
3 . نيروهاي جانبي ناشي از تغيير اندازه حركت زاويه‌اي در پيچ‌ها
4 . پيچش فنر
عامل محدود كننده حد جذب انرژي در دست فنرها، حد تنش در فنر است. اگر حد تنش بيش از حد تحمل فنر باشد، حتماً واماندگي3 يا شكست رخ مي‌دهد. لذا دقت بسيار در انتخاب نوع ماده دست فنر، اهميت داشته و بايد از موادي استفاده كرد كه توانايي جذب انرژي زيادي را داشته باشد. بجز عامل انتخاب نوع ماده، طراحي مناسب و بهينه نيز يكي از عوامل مهم افزايش اين توانايي است.
فنرهاي نورد شده
طراحان به‌منظور افزايش حد تحمل فنر، بدون ايجاد تغيير در ابعاد، مواد و… آن «فنرهاي نورد شده» را طراحي كرده‌اند. امروزه اين فنرها به‌صورت گسترده‌اي در وسائط نقليه به‌كار مي‌روند. در صورت اعمال شرايطي خاص در فرايند توليد آنها (مثلاً ساچمه‌زني تحت تنش) حد تحمل آنها را به طوري قابل توجه ميتوان بهبود داد.
«فنرهاي نورد شده» عموماً به فنرهايي اطلاق مي‌شود كه به روش نورد در ضخامت، ساخته مي‌شوند. اين فنرها، در وسط نسبت به دو انتها ضخامت بيشتري دارند. از اين‌رو، تحت بارهاي خمشي، تنش تقريباً يكساني در طول فنر ايجاد مي‌شود.
دليل اصلي طراحي و ساخت فنرهاي نورد شده، بالا بردن حد تحمل فنر بدون تغيير در ابعاد آن است. ديگر مزاياي استفاده و طراحي اين فنرها، عبارتند از:
- وزن كم فنرهاي نورد شده نسبت به دست فنرهاي معمولي. وزن آنها نسبت به نوع مشابه معمولي تقريباً 40 درصد سبك‌تر خواهد بود. اين كاهش وزن، بسيار قابل توجه بوده و مي‌تواند يكي از مهمترين انگيزه‌هاي جايگزيني فنر تخت ساده با نوع نورد شده باشد.
- عمر خستگي طولاني‌تر
- انعطاف‌پذيري4 بالاتر
- اين فنرها غالباً به‌صورت تك‌لايه ساخته مي‌شوند و در صورت چند لايه بودن نيز با توجه به اينكه تماس لايه‌ها فقط از سر لايه است، اصطكاك بين لايه‌اي حذف شده و يا به حداقل مي‌رسد. با اين كار، محاسبات فنر بهتر و دقيق‌تر انجام مي‌شود زيرا انرژي اصطكاكي به دقت قابل محاسبه نيست و در شرايط مختلف، متفاوت است.
انواع فنرهاي نورد شده
از آنجا كه اين فنرها غالباً به‌صورت تك لايه طراحي و ساخته مي‌شوند، به آنها فنرهاي «تك لايه»5 نيز گفته مي‌شود. در صورتي كه اين فنرها به‌صورت چند لايه طراحي و ساخته شوند، هر لايه نقش يك فنر را ايفا مي‌كند و به‌همين دليل، فنرهاي چند لايه با طول كامل طراحي مي‌شوند. غالباً اين نوع فنرها در صورت چندلايه بودن، حداكثر با 4 لايه طراحي مي‌شوند.
اين فنرها از نظر پروفيل نورد به دو دسته زير تقسيم مي‌شوند:
الف- فنر با پروفيل نورد خطي6
ب- فنر با پروفيل نورد غيرخطي7
در شكل زير، پروفيل نورد هر دو دسته به وضوح نشان داده شده است.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C48870086 8827239.jpg&X=250&Y=232 (http://porsaone.wordpress.com/)
الف- فنر با پروفيل نورد خطي
اين فنر همان‌طور كه در شكل مشاهده مي‌كنيد، به‌صورت خطي نورد مي‌شود. در اين فنرها، تغيير جابجايي8 دست فنر، با تغيير جايجايي هر لايه برابر است. هر لايه، براساس ضريب ثابت فنر9 خود نيرو را تحمل مي‌كند. به بياني ديگر، ضريب ثابت فنر دست فنر با مجموع ضرايب ثابت فنر هر لايه برابر است، در نتيجه طراحي با توجه به هر لايه مجزا صورت مي‌گيرد.
در مورد اين فنرها، گاهي اصطلاح «نورد بلند»10 نيز به‌كار مي‌رود.
ب- فنر با پروفيل نورد غيرخطي
پروفيل نورد اين فنر، سهمي گون11 بوده و به‌طور معمول، فرايند نورد آن از فرمول مندرج در شكل انتهاي صفحه تبعيت مي‌كند.
در اين نوع فنر نيز مشابه فنر «پروفيل نورد خطي» طراحي هر لايه به‌صورت مجزا صورت مي‌گيرد.
در اشكال زير، نحوه توزيع تنش در راستاي طول فنر با پروفيل نورد خطي و غيرخطي (پارابوليك) ارائه شده است. براساس اين شكل‌ها، توزيع انرژي در طول فنر ساخته شده با پروفيل نورد غيرخطي (پارابوليك)، يكنواخت‌تر است.
الف – توزيع تنش در فنر با پروفيل نورد خطي
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C13694390 9934613.jpg&X=330&Y=196 (http://porsaone.wordpress.com/)
ب – توزيع تنش در فنر با پروفيل نورد غيرخطي (پارابوليك)
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C14629839 9859708.jpg&X=316&Y=177 (http://porsaone.wordpress.com/)
نتيجه‌گيري
استفاده از دست فنر در اكسل‌هاي جلو و عقب خودروهاي سنگين (كاميون‌ها و تريلي‌ها) و خودروهاي نيمه سنگين (وانت‌ها) اجباري است زيرا در اين فنرها به سختي‌هاي بالا ميتوان دست يافت و حتي ميتوان تدابيري خاص انديشيد تا سختي فنر در حالت بدون بار و بار كامل، متفاوت باشد (فنرهاي با ضريب فنريت متغير)12.
از سوي ديگر، دست فنرها به‌طور مستقيم رابط چرخ يا اكسل و شاسي خودرو و در نتيجه اتاق هستند. اين در حالي است كه ساير انواع فنرها مانند فنرهاي مارپيچ، به تنهايي رابط اكسل و اتاق نبوده و نياز به متعلقاتي دارند.
از آنجا كه امروزه جهان با بحران انرژي و ضرورت صرفه‌جويي هر چه بيشتر در مصرف انرژي روبه‌روست، پرداختن به سبك‌سازي خودرو، از جمله جايگزيني فنر تخت ساده با فنر نوردشده، امري ضروري به‌نظر مي‌رسد. با توجه به مزاياي اين نوع فنر و امكان ساخت و طراحي تك لايه‌اي آن، طراحي فنر ساده‌تر و بررسي مطالعه رفتار فنر تحت تأثير بارهاي مختلف راحت‌تر و دقيق‌تر انجام مي‌شود. طراحي و ساخت اين فنرها، در حال حاضر گسترش يافته و به سرعت جايگزين فنرهاي تخت معمولي شده است.
http://www.sanatekhodro.com/CrThumb.aspx?Pic=sanatekh%5CImages%5C82%5C82402792 8849476.jpg&X=374&Y=278 (http://porsaone.wordpress.com/)
پانوشت‌ها
1. Tapered leaf spring
2. Leaf spring
3. Failure
4. Flexibility
5. Single leaf spring
6. Tapered Profile
7. Parabolic Profile
8. Deflection
9. Spring Constant
10. Long tape
11. Parabolic
12. 2- stage progressive leaf spring
منابع
1. استاندارد SAE HS 788
Design and Application of leaf springs
2 . استاندارد 2008: JIS B 2710- Part2
Leaf springs- Part2: Design method
3 . استاندارد 2008: JIS B 2710- Part4
Leaf springs- Part4: Specification of Products
4 . پوركمالي اناركي، علي «طراحي فنر شمش، ساخته شده از مواد مركب پليمري» بهار 1377.
porsaone.wordpress.com (http://www.porsaone.wordpress.com/) . 5
نويسنده : مجيد بيگلر – ماهنامه صنعت خودرو