فنرهای نیروی ثابت با فنرهای مارپیچی سنتی متفاوت است. آنها از نوارهای فلزی (اغلب فولاد ضد زنگ) از پیش تنیده و با عملکرد بالا بر خلاف سیم ساخته شده اند.

فنرهای نیروی ثابت به عنوان فنرهای افزایشی طبقه بندی می شوند. هنگامی که سیم پیچ می شود، نوار فلزی با نیروی مقاومت تقریباً ثابت در برابر باز شدن سیم پیچ مقاومت می کند. هنگامی که افزایش می یابد، تنش داخلی فلز در برابر هر نیروی بارگذاری با نرخ تقریباً ثابت مقاومت می کند.

هنگامی که فنر به طول 1.25 برابر قطر آن کشیده می شود، بار کامل می رسد و نیروی تقریباً ثابتی ایجاد می شود. بسته به اندازه فنر و باری که تحمل می کند، فنرهای نیروی ثابت دارای چرخه عمر خستگی بین 2500 سیکل تا 1000000 سیکل هستند.

خواص فنرهای نیروی ثابت

فنرهای نیروی ثابت نتایج مشابهی را با فنرهای محدود شده توسط قانون هوک نشان نمی دهند (این نیروی کشش متناسب با طول توسعه یافته است). بنابراین، ثابت نیروی فنر اعمال نمی شود، زیرا زمانی که به حداکثر بار مشخصی رسید، نیروی نزدیک به ثابت اعمال می شود (نمودار زیر را ببینید).

اگر یک فنر با نیروی ثابت را برای کاربرد خاصی انتخاب می کنید، ابتدا باید چندین فاکتور را در نظر بگیرید.

انتخاب مواد و همچنین ضخامت و عرض نوار فلزی مهم است. متداول ترین فلز مورد استفاده فولاد ضد زنگ درجه 301 است، زیرا فنرهایی با نیروی ثابت با کیفیت بالا و مستحکم ایجاد می کند. مواد دیگری مانند فولاد پر کربن، اینکونل و غیره در دسترس هستند که ممکن است برای فنرهایی که نیاز به مقاومت در برابر نیروهای بارگذاری بالا دارند مناسب تر باشند.

برای انتخاب یا ساخت فنر صحیح، باید نیروی اولیه یا بار تقریبی را که فنرها برای رسیدن به مرحله “نیروی ثابت” (یعنی قسمت صاف خط آبی در نمودار بالا) باید بر آن غلبه کنند، بدانید. هرچه بار اولیه بیشتر باشد، به قطر فنر بیشتری نیاز خواهید داشت.

همچنین، جزئیات انتهای فنر باید طوری طراحی شود که قطعه ای را که سیم پیچ و باز می کند، نگه دارد یا به آن متصل شود.

نصب فنر با نیروی ثابت

برای تصمیم گیری در مورد ابعاد فنرهای نیروی ثابت، دستورالعمل های خاصی باید رعایت شود.

• فنر نیروی ثابت در ابتدا به آرامی دور یک درام پیچیده می شود
• انتهای آزاد به نیروی بارگذاری متصل است (مانند یک برنامه تعادل)
• قطر درام باید 10 تا 20 درصد بیشتر از قطر نوار طبیعی باشد
• حداقل 1.5 بسته بندی نوار باید روی درام در حالت امتداد کامل باشد
• برای اکستنشن های طولانی، نوار باید به گونه ای هدایت شود که هنگام عقب نشینی از چرخش یا پیچ خوردگی جلوگیری کند.

برای محاسبه طول کل نوار فنر می توان از رابطه زیر استفاده کرد:

طول کل = محیط پیچیده شده روی درام + انحراف اولیه + حداکثر انحراف کاری

= (ID x π x 1.5) + I_f + دبلیو_f

برای فنرهای استاندارد که از قانون هوک پیروی می کنند، می توان از یک ماشین حساب ساده فنر پیچشی برای محاسبه ثابت فنر و در نتیجه تنظیم طول و نیروهای بارگذاری متناسب با کاربرد استفاده کرد. این می تواند برای هر فنر پیچشی، کششی یا فشاری که در یک بار خاص به نیروی تقریباً ثابتی نمی رسد استفاده شود.

از آنجایی که فنرهای نیروی ثابت از قانون هوک تبعیت نمی کنند، تناسب را نمی توان اعمال کرد، بنابراین معادلات زیر باید به جای آن استفاده شود:

برای N ≤ 10

P=Ebt³/6.5D_D²

برای N > 10

P=Ebt³/6.5D₁(2/D_n-1/D₁)

S=Et/D_n

جایی که:

P=بار (N، پوند)

E=مدول الاستیسیته (Pa، psi)

D₁=قطر سیم پیچ خارجی (میلی متر، اینچ)

D_D= قطر درام (میلی متر، اینچ)

D_n= قطر طبیعی (میلی متر، اینچ)

b=عرض فنر (میلی متر، اینچ)

t=ضخامت (میلی متر، اینچ)

N=تعداد دور سیم پیچ

S=استرس Mpa (psi)

برای طرح های معمولی، نسبت b/t = 100 و نسبت DD/Dn = 1.2.

کاربرد فنرهای با نیروی ثابت

فنرهای نیروی ثابت برای کاربردهایی که نیاز به برگشت صاف، تعادل و کشش یا بارگذاری مجدد دارند ایده آل هستند. این ویدیو برخی از برنامه هایی را که از این عملکردها بهره می برند را برجسته می کند.

فنرهای نیروی ثابت معمولاً در مهندسی خودرو، مهندسی هوافضا، پزشکی و خرده فروشی استفاده می شود.

برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

• جمع کننده کابل
• موتورهای الکتریکی
• وسایل نقلیه فضایی
• تجهیزات بدنسازی
• بسته های درب
• رتریورهای شلنگی
• اسکنرهای ام آر آی
• دستگاه های اشعه ایکس
• نمایشگر نقاط فروش
• اسباب بازی
• قطعات مبلمان
• نوارهای جمع شونده یا سرب های سگ
• سیم های جاروبرقی جمع شونده

محدودیت فنرهای نیروی ثابت

عوامل خارجی می توانند چرخه عمر فنرهای نیروی ثابت را محدود کنند.

به عنوان مثال، زباله ها یا ذرات می توانند سیستم را مسدود کنند و باعث کند شدن یا ممانعت از سیم پیچی و باز شدن آن شوند. اگر مکانیزم فنر به روی عناصر باز باشد یا در تماس منظم با سیالات خورنده باشد، ممکن است خوردگی رخ دهد و حرکت فنر را به خطر بیندازد.

دماهای شدید نیز ممکن است بر عملکرد فنر تأثیر بگذارد. این ممکن است نگرانی خاصی در مهندسی هوافضا باشد.