مکانیزم فنر پیچشی واقعاً چگونه کار می کند؟?

You're designing a product with a hinged lid that needs to snap shut or open with assistance. می دانید که یک فنر پیچشی درگیر است, اما چگونه همه قطعات با هم کار می کنند تا کنترل شده را ایجاد کنند, نیروی چرخشی?

A torsion spring mechanism translates the spring's stored energy into useful work by using a central shaft, یک نقطه لنگر, and the spring's legs. همانطور که مکانیسم حرکت می کند, یک پای فنر را منحرف می کند, ایجاد گشتاوری که به دنبال بازگرداندن قطعه به موقعیت اولیه است.

از دیدگاه تولید, می بینیم که خود بهار فقط نیمی از داستان است. فنر پیچشی کاملاً ساخته شده بدون مکانیزمی که به خوبی طراحی شده است برای پشتیبانی از آن بی فایده است. I've seen many designs fail not because the spring was wrong, but because the parts around it didn't allow it to function correctly. جادوی واقعی زمانی اتفاق می افتد که بهار می آید, شفت, و نقاط لنگر همه با هم به عنوان یک واحد کار می کنند, سیستم قابل اعتماد.

اجزای اصلی مکانیزم فنر پیچشی چیست؟?

طراحی شما به یک تابع چرخشی نیاز دارد, but a simple pivot isn't enough. می دانید که یک فنر نیرو را تامین می کند, but you're unsure how to properly mount and engage it within your assembly.

مکانیزم فنر پیچشی استاندارد از چهار قسمت کلیدی تشکیل شده است: خود فنر پیچشی, یک شفت مرکزی (یا درختکاری) که آن را بیش از حد, یک لنگر ثابت برای یک پا, و یک جزء متحرک که پای دوم را درگیر می کند.

اشتباه رایجی که در طراحی های جدید می بینم فراموش کردن شفت مرکزی است. یک مشتری یک بار یک نمونه اولیه برای ما فرستاد که در آن فنر فقط در یک حفره شناور بود. وقتی درب باز شد, فنر سعی کرد سفت شود, اما به جای ایجاد گشتاور, تمام بدنش فقط خم شد و به طرفین خم شد. فنر پیچشی باید به صورت داخلی پشتیبانی شود. شفت, یا درختکاری, از این اتفاق جلوگیری می کند و اطمینان حاصل می کند که تمام انرژی صرف ایجاد تمیز می شود, نیروی چرخشی.

آناتومی نیروی چرخشی

هر قسمت از مکانیزم کار خاصی دارد. اگر یکی از آنها اشتباه طراحی شده باشد, کل سیستم مطابق انتظار عمل نمی کند.

• فنر پیچشی: این موتور مکانیزم است. قطر سیم آن, قطر سیم پیچ, و تعداد سیم پیچ ها میزان گشتاوری را که می تواند تولید کند تعیین می کند.
• درختستان (یا سنبه): این میله یا پین است که از مرکز فنر می گذرد. وظیفه اصلی آن این است که فنر را در یک راستا نگه دارد و از کمانش آن تحت بار جلوگیری کند. The arbor's diameter must be small enough to allow the spring's inside diameter to shrink as it is wound.
• لنگر ثابت: یک پایه فنر باید محکم به قسمت غیر متحرک مجموعه ثابت شود. این نقطه واکنشی را که در آن گشتاور تولید می شود، فراهم می کند. این می تواند یک شکاف باشد, یک سوراخ, یا یک سنجاق.
• نقطه تعامل فعال: پایه دیگر فنر به قسمتی که باید حرکت کند فشار می آورد, مانند یک درب, a lever, یا یک در. همانطور که این قسمت می چرخد, آن "بار می شود" فنر با انحراف این پای فعال.

چگونه گشتاور در یک مکانیسم محاسبه و اعمال می شود?

مکانیسم شما به مقدار خاصی از نیروی بسته شدن نیاز دارد, but you're not sure how to translate that into a spring specification. Choosing a spring that's too weak or too strong will make your product fail.

Torque is calculated based on how far the spring's leg is rotated (انحراف زاویه ای) از موقعیت آزاد خود. مهندسان یک "نرخ فنری" را مشخص می کنند" در واحدهایی مانند نیوتن میلی متر بر درجه, که تعیین می کند برای هر درجه چرخش چقدر گشتاور تولید می شود.

وقتی با مهندسان کار می کنیم, این مهم ترین گفتگو است. ممکن است بگویند, "من باید این درب را با آن باز نگه دارم 2 N-m of force when it's at 90 درجه" وظیفه ما طراحی فنری است که گشتاور دقیقی را در آن زاویه خاص به دست آورد. اندازه سیم را تنظیم می کنیم, قطر سیم پیچ, و تعداد سیم پیچ هایی که باید به آن هدف ضربه بزنند. We also have to consider the maximum angle the spring will travel to ensure the wire isn't overstressed, که می تواند باعث تغییر شکل یا شکستگی دائمی آن شود.

طراحی برای یک نیروی خاص

هدف مکانیسم اعمال مقدار مناسب نیرو در زمان مناسب است. This is controlled by the spring's design and its position within the assembly.

• تعریف نرخ بهار: نرخ فنر هسته اصلی محاسبه است. یک "سفت" بهار نرخ بالایی دارد (گشتاور بیشتری در هر درجه تولید می کند), در حالی که یک "نرم" بهار نرخ پایینی دارد. این توسط خواص فیزیکی فنر تعیین می شود.
• تنش اولیه و بارگذاری اولیه: در برخی مکانیسم ها, فنر طوری نصب شده است که پاهای آن حتی در حالت استراحت کمی منحرف شده است. به این حالت پیش بار یا کشش اولیه می گویند. این تضمین می کند که فنر از همان ابتدای حرکت خود مقداری نیرو وارد می کند, که می تواند شلی یا جغجغه در مکانیسم را از بین ببرد.
• حداکثر انحراف و استرس: باید بدانید حداکثر زاویه فنر به آن می چرخد. فشار دادن فنر فراتر از حد کشسانی آن باعث تسلیم شدن آن می شود, meaning it won't return to its original shape and will lose most of its force. ما همیشه با یک حاشیه ایمنی طراحی می کنیم تا از این امر جلوگیری کنیم.

رایج ترین نقاط شکست در مکانیزم پیچشی چیست؟?

Your prototype works, but you're worried about its long-term reliability. You want to know what parts are most likely to break so you can strengthen them before going into production.

The most common failure points are spring fatigue, incorrect mounting, and wear at the point of contact between the spring leg and the moving part. An undersized arbor that allows the spring to buckle is another frequent problem.

I've inspected hundreds of failed mechanisms over the years. The most common story is fatigue failure. The spring simply breaks after being used thousands of times. This almost always happens because the wrong material was chosen or the stress on the wire was too high for the application. A spring for a car door that's used every day needs a much more robust design than one for a battery compartment that's opened once a year. A good design matches the spring's expected عمر چرخه[^1] to the product's intended use.

ساختمان برای دوام

یک مکانیسم قابل اعتماد از طریق طراحی هوشمند و از خرابی های رایج جلوگیری می کند انتخاب مواد[^2].

• خستگی بهاری: این شکستگی ناشی از بارگیری و تخلیه مکرر است. معمولاً در نقطه بالاترین استرس رخ می دهد, which is often where the leg bends away from the spring's body. با استفاده از مواد قوی تر می توان از این امر جلوگیری کرد (مثل سیم موسیقی), انتخاب قطر سیم بزرگتر برای کاهش تنش, یا استفاده از فرآیندهایی مانند شات پینینگ.
• خرابی نقطه لنگر: اگر شکاف یا سنجاقی که پای ثابت را نگه می دارد به اندازه کافی قوی نیست, it can deform or break under the spring's constant force. مواد محفظه باید به اندازه کافی محکم باشد تا بتواند فشار را تحمل کند.
• پوشیدن و گند زدن: پایه فعال فنر دائماً به جزء متحرک ساییده می شود. با گذشت زمان, این می تواند باعث ساییدگی شیار در بدنه یا خود ساق شود. استفاده از یک درج فولادی سخت شده یا یک غلتک در نقطه تماس می تواند این مشکل را در مکانیزم های پرکاربرد برطرف کند.

نتیجه گیری

مکانیزم فنر پیچشی موفق یک سیستم کامل است که در آن فنر, شفت, و لنگرها طوری طراحی شده اند که با هم کار کنند تا دقیق ارائه شوند, نیروی چرخشی قابل تکرار برای عمر محصول.

[^1]: درک عمر چرخه به شما کمک می کند فنرهایی را طراحی کنید که نیازهای مورد نظر آنها را برآورده کند.
[^2]: انتخاب مواد مناسب برای عملکرد و دوام مکانیزم شما بسیار مهم است.