استفاده از فنر در مهندسی مکانیک قدمت زیادی دارد اما یکی از انواع این وسیله فراگیر که دست کم گرفته شده است، فنر موج‌دار است که به نوبه خود در صنایع مختلف تاثیرگذار است.

معرفی

فنرهایی که بیشتر مردم با آن آشنا هستند، فنرهای مارپیچ هستن، فنرهایی که به شکل سیم‌هایی با مقطع دایره در خودکار یا سیستم تعلیق اتومبیل‌ها مشاهده می‌کنید. اما فنرهای موج‌دار متفاوتند، زیرا پیچشی نیستند و فقط خمش خالص دارند. آن‌ها هر دو فرمول نیروی خمشی و تنش خمشی را دارند. چیزی که از این دو استخراج می‌شود، به این دلیل که فرمول‌ها متفاوت هستند، همان میزان نیرو و همان مقدار جابه‌جایی را تولید می‌کند. این فنرها نسبت به فنرهای مارپیچ ارتفاع کمتری دارند، بنابراین در مواردی که باید اندازه وسیله کوچکتر باشد می‌توان در طراحی از این فنرها استفاده کرد.

تاریخچه

اولین فنرهای موج‌دار که در واقه حدود نیم قرن پیش یا قبل‌تر از آن ساخته شدند، چیزی شبیه به یک واشر تخت اما موج‌دار بودند. این فنرها را در پیش بارگذاری استفاده می‌کردند، هنگامی که به نیروی کوچک با تغییر شکل کم نیاز بود، بهترین گزینه فنرهای موج‌دار  بودند. پس از آن رفته رفته فنرهای موج‌دار مارپیچ تولید شدند که برای یک دور نبودند و میتوانستند چندین بار پیچ بخورند. در واقع دورهای چندتایی چیزی بودند که به ما اجازه می‌دادند فنر تاج موج داشته باشد. فنری شبیه به یک نوع طرح لانه زنبوری. این فنرها حدودا 40 سال پیش تولید شدند و تا به حال هدف تکامل بخشیدن به این فنرها بوده است. برای مثال، در 10 سال اخیر، تولید فنرهایی با سی‌های مقطع دایره آغاز شده است زیرا می‌توانند بار بیشتری را در فضای شعاعی کوچک تولید کنند.

کاربرد

یکی از تکنولوژی‌هایی که معمولا از فنرهای موج‌دار در آن استفاده می‌شود، پیش بارگذاری یاتاقان‌ها است. در مواردی که از یاتاقان‌ها در موتورهای الکتریکی یا جاهای دیگر استفاده می‌شود، هنگامی که دوران در سرعت بالایی انجام می‌شود، یاتاقان‌ها ممکن است بلرزند و سر و صدای زیادی ایجاد کنند و کوجب خرابی زودرس شوند. اگر از یک فنر موج‌دار به همراه یاتاقان استفاده شود، لقی داخلی یاتاقان مهار شده، عمر یاتاقان افزایش یافته و سر و صدای کمتری تولید می‌شود. از این ایده می‌توان در هر کاربردی که دارای لقی داخلی است، استفاده کرد، به طور مثال این کار می‌تواند انبساط حرارتی یا چیزهای این چنینی باشد.

کاربری ویژه در صنعت نفت

همچنین مدل تاج به تاج این فنرها را می‌توان در صنعت نفت به کرات مشاهده کرد. در این صنایه به نیروهای بزرگ احتیاج دارند، در حالیکه می‌خوهندهمانند یک فنر معمولی جابه‌جایی داشته باشند. یکی از موارد استفاده جایی است که به اتصال موری برای نگه داشتتن پلتفر کلی نفت در محل نیاز است یا جایی که شیرهای توپی را مهر و موم می‌کنند. در این موارد باید مطمئن شوند که مهر و موم انجام شده قشار زیادی به توپی شیر وارد می‌کند. در اینجا برای اینکه توپی سرجای خود باقی‌ بماند از فنرهایی با موج‌های تودرتو استفاده می‌کنند تا نیروی زیادی را به توپی اعمال نند در غیر این صورت شیر نشتس خواهد داشت.

مزایای فنر موج‌دار

• فنرهای موج‌دار مزایایی نسبت به فنر مارپیچ سنتی یا یک واشر دارد
• فضای محوری تا 50٪ کاهش می یابد. در نتیجه ، اندازه کلی مونتاژ کوچکتر می شود و وزن و هزینه تولید کاهش می یابد.
• بار در جهت محوری 100٪ قابل انتقال است.
• یک فنر موج‌دار چند چرخشی را جایگزین واشر‌های چند موج‌دار می‌کند. این کار نصب را آسان می‌کند و زمان نگهداری را کاهش می‌دهد.
• فنرهای موج‌دار می‌تواند بار محوری بیشتری را در فضای محوری تحمل کنند زیرا فقط اندازه سیم ، تعداد امواج ، ارتفاع موج و تعداد چرخش‌ها باید تنظیم شوند تا بار و فشار بیشتری وارد شود.

انواع مختلف فنر موج‌دار

انواع مختلفی فنر موج‌دار در‌دسترس هستند: فنرهای موج‌دار تک چرخشی شامل شکاف تک راه و نوع تک چرخشی هستند. انواع فنرهای موج‌دار چند چرخشی ، انواع خاتمه دهنده و انتهای ساده را شامل می‌شوند. فنرهای موج‌دار تو در تو موج‌های کوچکتر را در موج‌های بزرگتر شامل می‌شوند.

فنرهای موج‌دار تک چرخشی Single-turn wave spring

تک چرخشی برای کاربردهای دارای جابه‌جایی کوتاه و نیروهای کم تا متوسط ​​بهترین انتخاب است. تعداد امواج و ضخامت مواد برای جابجایی نیروهای قوی تر قابل تغییر است. این برای تحمل بارهای پیش ساخته یا پیش بارگذاری استفاده می‌شود.

فنرهای موج‌دار چند چرخشی Multi-turn wave spring

فنرهای موج‌دار چند چرخشی می‌تواند فضای محوری مورد نیاز را کاهش دهد. این مناسب برای کاربردهای دارای انحراف بزرگ و سرعت جابه‌جایی کوچک است. طیف گسترده‌ای از نیروها قابل استفاده هستند.

فنرهای موج‌دار توخالی Nested wave spring

مواد به‌کار رفته در فنرهای موج‌دار

• فولاد کربن Carbon steel (استاندارد)
• فولاد ضد زنگ Stainless steel (مناسب برای استرس زیاد ، کاربردهای خستگی)
• مس بریلیم Beryllium copper (مقاومت در برابر خوردگی ، به ویژه در محیط های دریایی)
• اینکونل Inconel (مناسب برای محیط های با درجه حرارت بالا و خوردگی)
• Elgiloy (مقاومت در برابر خوردگی ، به ویژه در محیط های دریایی)

چشم انداز

در حالیکه در بسیاری از موارد فنرهای موج‌دار به حداکثر توانایی‌های بالقوه‌ی خود نزدیک شده‌اند، در یکی از زمینه‌ها هنوز جای پیشرفت زیادی باقی مانده است؛ کوچکتر شدن سایز. کوچکترین قطعه‌ای که ما می‌توانیم داشته باشیم قطری برابر یک چهارم اینچ دارد، ما می‌خواهیم از این عدد فراتر برویم. این امرمی‌تواند صنایعی مثل پزشکی را به شدت تحت را به شدت تحت تاثیر قرار دهد، زیرا لوازم جراحی باید در قطرهای کوچکتری بچرخند، در حالیکه نیاز است طول کمتری هم داشته باشند. مردم نمی‌دانند که این فنرها تا چه حد می‌توانند به این امر کمک کنند.

منبع