أنواع الينابيع

الينابيع هي مكونات ميكانيكية أساسية تخزن الطاقة وتطلقها، وتوفر مقاومة للقوة أو عزم الدوران. تلعب دورًا حاسمًا في تطبيقات مختلفة، من أنظمة تعليق السيارات إلى المنتجات الاستهلاكية. تستكشف هذه المقالة الأنواع المختلفة من الينابيع بناءً على تطبيق الحمل وخصائص القوة والإزاحة وطرق التصنيع.

التصنيف على أساس كيفية تطبيق الحمل

نوابض الضغط

تُعد نوابض الضغط أحد أكثر أنواع النوابض شيوعًا. وهي مصممة لمقاومة قوى الضغط المطبقة محوريًا، وتخزين الطاقة الميكانيكية عند ضغطها وإطلاقها عند إزالة الحمل. تتمتع هذه النوابض بمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك أنظمة تعليق السيارات والآلات الصناعية والمنتجات الاستهلاكية مثل الأقلام ومصائد الفئران.

تُصنع نوابض الضغط عادةً من سلك دائري ملفوف على شكل حلزوني، بقطر ثابت على طوله. يعتمد اختيار المادة على متطلبات التطبيق المحددة، مثل سعة التحميل ومقاومة التآكل ومقاومة درجات الحرارة. تشمل المواد الشائعة الفولاذ الزنبركي والفولاذ المقاوم للصدأ والبرونز الفسفوري.

نوابض التمديد

تم تصميم نوابض التمدد، المعروفة أيضًا باسم نوابض الشد، لمقاومة قوى الشد المطبقة محوريًا. فهي تخزن الطاقة الميكانيكية عند تمددها وتطلقها عند إزالة الحمل. تُستخدم نوابض التمدد بشكل شائع في أنظمة أبواب المرآب والمعدات الزراعية ومعدات التمرين.

يتم تصنيع نوابض التمديد عن طريق لف سلك على شكل حلزوني، مع تشكيل خطافات أو حلقات في كل طرف للتثبيت. يتم تحديد الشد الأولي في الزنبرك من خلال عملية التصنيع، والتي تتضمن شد الزنبرك إلى طول محدد قبل المعالجة الحرارية.

نوابض الالتواء

تم تصميم نوابض الالتواء لمقاومة القوى الدورانية أو عزم الدوران المطبق حول محورها. فهي تخزن الطاقة الميكانيكية عند لفها وتطلقها عند إزالة عزم الدوران. تُستخدم نوابض الالتواء في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك مفصلات الأبواب، وكراسي السيارات، وبكرات تظليل النوافذ.

تُصنع نوابض الالتواء عادةً عن طريق لف سلك مستطيل أو مربع على شكل حلزوني، مع تشكيل الأطراف بأشكال محددة للتثبيت. يعتمد اختيار المادة على معدل الزنبرك المطلوب وعمر التعب والظروف البيئية. تشمل المواد الشائعة الفولاذ الزنبركي والفولاذ المقاوم للصدأ.

التصنيف على أساس القوة والإزاحة

نوابض خطية

تظهر الينابيع الخطية معدل زنبرك ثابت، مما يعني أن القوة المطلوبة لضغط أو تمديد الزنبرك تتناسب بشكل مباشر مع الإزاحة.

يتم وصف هذه العلاقة الخطية بقانون هوك: F = kx،

أين:

F هي القوة،

k هو ثابت الزنبرك،

x هو الإزاحة.

تُستخدم النوابض الخطية في التطبيقات التي تتطلب علاقة ثابتة بين القوة والإزاحة، مثل أنظمة تعليق السيارات والآلات الصناعية. وعادةً ما تكون مصنوعة من سلك دائري ملفوف على شكل حلزوني، بقطر ثابت على طولها.

نوابض ذات معدل متغير

تتميز النوابض ذات المعدل المتغير، والمعروفة أيضًا باسم النوابض غير الخطية، بمعدل نوابض متغير أثناء ضغطها أو تمديدها. وهذا يعني أن القوة المطلوبة لضغط أو تمديد النوابض تتغير بشكل غير خطي مع الإزاحة. تُستخدم النوابض ذات المعدل المتغير في التطبيقات التي تتطلب ملف تعريف قوة إزاحة محدد، مثل نوابض صمامات السيارات وأنظمة تعليق المركبات على الطرق الوعرة.

يمكن تصميم النوابض ذات المعدل المتغير عن طريق تغيير قطر الملف أو الخطوة أو قطر السلك بطول الزنبرك. النوابض المخروطية والنوابض على شكل برميل هي أمثلة على النوابض ذات المعدل المتغير، حيث يتغير قطر الملف بطول الزنبرك.

نوابض القوة الثابتة

تم تصميم نوابض القوة الثابتة لتوفير قوة ثابتة على مدى نطاق معين من الحركة. وهي مصنوعة من شريط مسبق الإجهاد من مادة، عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي يتم لفها في شكل حلزوني. مع تمديد الزنبرك، تنفصل المادة عن الملف، مما يحافظ على قوة ثابتة طوال نطاق حركتها.

تُستخدم نوابض القوة الثابتة في التطبيقات التي تتطلب قوة ثابتة، مثل آليات موازنة الوزن، وأجهزة إغلاق الأبواب، وأجهزة الشد. وهي توفر مزايا مثل الحجم الصغير، وعمر الخدمة الطويل، والأداء الثابت على مدى نطاق حركتها.

التصنيف حسب طريقة التصنيع

نوابض لولبية

الزنبركات الحلزونية هي النوع الأكثر شيوعًا من الزنبركات، والتي يتم تصنيعها عن طريق لف سلك على شكل حلزوني. ويمكن تصميمها كنوابض ضغط أو تمدد أو التواء، اعتمادًا على متطلبات التطبيق. يتم تصنيع الزنبركات الحلزونية باستخدام طرق مختلفة، بما في ذلك اللف الساخن واللف البارد واللف باستخدام الحاسب الآلي.

يعتمد اختيار طريقة التصنيع على عوامل مثل مادة الزنبرك وقطر السلك وحجم الإنتاج. تُستخدم اللفات الساخنة عادةً لأقطار الأسلاك الأكبر والمواد عالية القوة، بينما تُستخدم اللفات الباردة لأقطار الأسلاك الأصغر والمواد منخفضة القوة. توفر اللفات باستخدام الحاسب الآلي دقة ومرونة عالية، مما يتيح إنتاج أشكال هندسية معقدة للزنبركات.

ينابيع مسطحة

تُصنع الينابيع المسطحة من شرائح مسطحة من مادة، عادةً من الفولاذ الزنبركي أو الفولاذ المقاوم للصدأ، وتُشكل بأشكال مختلفة مثل الينابيع الورقية، وغسالات بيلفيل، والينابيع الموجية. وهي مصممة لتوفير مقاومة لقوى الانحناء أو الضغط، اعتمادًا على التكوين المحدد.

تُستخدم نوابض الأوراق بشكل شائع في أنظمة تعليق السيارات، وخاصة في المركبات الثقيلة، لدعم وزن المركبة وتوفير امتصاص الصدمات. وتتكون من عدة طبقات من فولاذ زنبركي منحني، يُعرف باسم الأوراق، مكدسة معًا ومتصلة في الأطراف باستخدام أغلال زنبركية.

تُعرف غسالات بيلفيل أيضًا باسم نوابض القرص، وهي غسالات مخروطية الشكل توفر مقاومة للأحمال المحورية. ويمكن تكديسها على التوالي أو بالتوازي لتحقيق خصائص انحراف الحمل المطلوبة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات المساحة المحدودة ومتطلبات الحمل العالية.

يتم تصنيع نوابض الموجة عن طريق تشكيل سلك مسطح على شكل متموج، مما يوفر مقاومة للأحمال المحورية مع شغل مساحة ضئيلة. يتم استخدامها في التطبيقات التي تتطلب أحمالًا عالية وانحرافات صغيرة، مثل المعدات الفضائية والصناعية.

نوابض القرص

تُعرف نوابض القرص أيضًا باسم نوابض بيلفيل، وهي عبارة عن غسالات مخروطية الشكل توفر مقاومة للأحمال المحورية. يتم تصنيعها عن طريق ختم أو تشكيل قرص دائري مسطح بزاوية مخروطية محددة وأقطار داخلية وخارجية. يمكن تكديس نوابض القرص على التوالي أو بالتوازي لتحقيق خصائص انحراف الحمل المطلوبة.

توفر نوابض القرص العديد من المزايا مقارنة بنوابض الملفوف التقليدية، بما في ذلك قدرة عالية على تحمل الأحمال، وانحراف صغير، وحجم صغير. تُستخدم في تطبيقات مختلفة، مثل الآلات الثقيلة، وقوابض السيارات، والصمامات، حيث تكون الأحمال العالية والمساحة المحدودة عوامل حاسمة.

نوابض آلية

الزنبركات المصنعة هي زنبركات مصممة خصيصًا ومصنعة باستخدام عمليات التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، مثل الطحن والتحويل والطحن. وعادة ما تكون مصنوعة من قضبان أو أنابيب صلبة من مواد مثل الفولاذ الزنبركي أو الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم، ويمكن تصميمها لتلبية متطلبات انحراف الحمل المحددة.

توفر النوابض المصنعة آليًا العديد من المزايا مقارنة بطرق تصنيع النوابض التقليدية، بما في ذلك الدقة العالية والأشكال الهندسية المعقدة والقدرة على دمج ميزات مثل فتحات التثبيت والخيوط. تُستخدم في تطبيقات متخصصة، مثل الفضاء والأجهزة الطبية والمعدات الصناعية عالية الأداء.

نوابض مصبوبة

يتم تصنيع النوابض المصبوبة عن طريق حقن مادة بوليمرية، مثل البولي يوريثين أو النايلون، في تجويف قالب على شكل هندسة النوابض المطلوبة. وهي توفر خصائص فريدة مقارنة بالنوابض المعدنية، مثل مقاومة التآكل العالية، وخفة الوزن، والقدرة على تخفيف الاهتزازات.

تُستخدم النوابض المصبوبة في تطبيقات مختلفة، مثل البطانات المعلقة للسيارات، وعوازل الاهتزازات الصناعية، والأجهزة الطبية. يعتمد اختيار مادة البوليمر على عوامل مثل سعة التحميل، ومقاومة درجات الحرارة، والتوافق الكيميائي مع بيئة التشغيل.

ينابيع الغاز

الينابيع الغازية هي نوع من الينابيع التي تستخدم الغاز المضغوط، وعادة ما يكون النيتروجين، لتوفير مقاومة لقوى الضغط. وهي تتكون من أسطوانة محكمة الغلق تحتوي على مكبس وغاز مضغوط، والذي يمارس قوة على المكبس عندما يتم ضغط الزنبرك.

توفر نوابض الغاز العديد من المزايا مقارنة بالنوابض الميكانيكية، بما في ذلك القدرة على تعديل قوة الإخراج، والحجم الصغير، والقدرة على توفير التخميد. تُستخدم في تطبيقات مختلفة، مثل دعامات رفع غطاء محرك السيارة وصندوق الأمتعة، وآليات ضبط ارتفاع كرسي المكتب، والآلات الصناعية.

نوابض هوائية

تستخدم الينابيع الهوائية، المعروفة أيضًا باسم الينابيع الهوائية، الهواء المضغوط لتوفير مقاومة لقوى الضغط. وهي تتكون من منفاخ مرن أو غشاء مملوء بالهواء المضغوط، والذي يتمدد وينكمش مع تحميل الزنبرك وتفريغه.

توفر النوابض الهوائية العديد من المزايا مقارنة بالنوابض الميكانيكية، بما في ذلك الصلابة القابلة للتعديل، وقدرات تسوية الحمل، وعزل الاهتزاز. تُستخدم في تطبيقات مختلفة، مثل أنظمة التعليق الهوائي للسيارات، وحوامل عزل الاهتزاز الصناعية، والمعدات الزراعية.

ينابيع الأوراق

نوابض الأوراق هي نوع من النوابض المسطحة المستخدمة بشكل شائع في أنظمة تعليق السيارات، وخاصة في المركبات الثقيلة. وهي تتكون من عدة طبقات من فولاذ النوابض المنحني، المعروف باسم الأوراق، مكدسة معًا ومتصلة في الأطراف باستخدام أغلال نوابض.

تم تصميم نوابض الأوراق لدعم وزن السيارة وتوفير امتصاص الصدمات، مما يساعد على تحسين راحة الركوب والتعامل. يمكن تكوينها بطرق مختلفة، مثل شبه بيضاوي أو ربع بيضاوي أو ذراع تعليق، اعتمادًا على متطلبات التطبيق المحددة.

يعتمد اختيار تصميم نوابض الأوراق على عوامل مثل سعة التحميل وتوزيع وزن السيارة والمساحة المتاحة. تشتهر نوابض الأوراق بمتانتها وقدرتها على تحمل الأحمال وقدرتها على توفير الاستقرار الجانبي، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الشاقة مثل الشاحنات التجارية والمركبات على الطرق الوعرة.

الينابيع الحلزونية

الزنبركات الحلزونية هي نوع من الزنبركات الحلزونية المصنوعة عن طريق لف سلك على شكل حلزوني، بقطر ثابت أو متغير. ويمكن تصميمها كنوابض ضغط أو تمدد أو التواء، اعتمادًا على متطلبات التطبيق.

مبادئ Spring الأساسية

الزنبركات هي أجهزة ميكانيكية تخزن الطاقة وتطلقها بناءً على مبادئ المرونة وقانون هوك. عندما يتم تطبيق قوة على زنبرك، فإنه يتشوه، ويخزن الطاقة الكامنة في شكل طاقة إجهاد. عندما تتم إزالة القوة، يعود الزنبرك إلى شكله الأصلي، ويطلق الطاقة المخزنة.

يتم وصف العلاقة بين القوة المطبقة والتشوه الناتج عن طريق قانون هوك، F = kx، حيث F هي القوة، وk هو ثابت الزنبرك، وx هو التشوه. يحدد ثابت الزنبرك، المعروف أيضًا بمعدل الزنبرك، صلابة الزنبرك ويعتمد على عوامل مثل خصائص المادة، ومساحة المقطع العرضي، وطول الزنبرك.

تم تصميم النوابض للعمل ضمن حدود مرونتها، حيث يكون التشوه متناسبًا بشكل مباشر مع القوة المطبقة. إذا تجاوزت القوة حد المرونة، فقد يتعرض النابض لتشوه دائم أو فشل، مما يعرض أدائه وسلامته للخطر.

يتم تحديد سعة تخزين الطاقة للزنبرك من خلال هندسته وخصائص المادة والحمل المطبق عليه. يحدث أقصى تخزين للطاقة عندما يتم ضغط الزنبرك أو تمديده إلى ارتفاعه الصلب أو أقصى امتداد له على التوالي.