النابض

نابض

Spring - Ressort

النابض

النابض spring عنصر ميكانيكي يقوم بتحويل العزم الميكانيكي (قوة، عزم فتل، ضغط، حرارة) إلى قدرة كامنة، وإعادة تحويل القدرة الكامنة المختزنة إلى عمل ميكانيكي بسبب شكله ومرونة المادة المصنّع منها والتبدلات المرنة التي تطرأ عليه، وهو من المكونات الميكانيكية المستخدمة في بناء الآلات والمركبات ومختلف التجهيزات الميكانيكية الداخلة في صناعة الساعات وأجهزة القياس والحواسيب والمفروشات والتجهيزات الرياضية وغيرها.

تستخدم النوابض لتحقيق أهداف مختلفة:

الشكل (1) نماذج من بعض أنواع النوابض

الشكل (2)

الشكل (3)

الشكل (4)

الشكل (5)

الشكل (6)

الشكل (7)

الشكل (8)

الشكل (9)

الشكل (10)

الشكل (11)

الشكل (12)

الشكل (13)

الشكل (14)

الشكل (15) نماذج مختلفة من آلات لف النوابض

ـ عنصر قوة يقاوم تأثير جهد معين على طول جزء محدد من الإزاحة.

ـ عنصر ميكانيكي لإحداث أثر ما على عنصر آخر، أو مصادر للحركة في الآليات mechanisms ـ مثل زنبركات الساعات ـ ونوابض الأسلحة.

ـ عنصر تخميد ومخففات للصدمات تتلقى الطاقة اللحظية للصدمة، فتبعثرها.

ـ عنصر اتصال مرن بين قطعتين أو أكثر.

ـ عنصر حساس في أجهزة قياس القوى أو القدرة.

ـ عنصر للمعالجة الطبية وللتجهيزات الطبية.

ـ عنصر للحاسبات ولأجهزة الاتصال المحمولة والأرضية.

 لمحة تاريخية

استخدمت النوابض المعدنية منذ العصر البرونزي مثلها مثل معظم العناصر الميكانيكية الأساسية المستخدمة في آليات نقل الحركة. كذلك استخدمت الأخشاب قبل استخدام المعادن في صنع العناصر الإنشائية المرنة كالقسيّ ومعدات الرماية ومعدات القتال.

وفي القرن الثالث قبل الميلاد طور المهندس اليوناني ستيسيبيوس الإسكندري Ctesibius طريقة تصنيع النابض من البرونز عن طريق زيادة نسبة القصدير في خليطة النحاس وتقسيتها بعد سكبها بالتطريق. وقد صنع منها وريقات نابضية استخدمت فيما بعد في صنع مصائد عسكرية، ولكنها لم تكن تتصف بالقوة الكافية.

وفي القرن الثاني قبل الميلاد قام فيلو Philo البيزنطي ـ وهو صانع مصائد آخر ـ ببناء مصائد مشابهة للسابقة لاقت نجاحاً مقبولاً. وفي عهد الامبراطورية الرومانية القديمة استخدمت الوريقات المعدنية على شكل أقواس في صنع الأقفال.

غير أن التطور المهم في تاريخ صناعة النوابض تم في عام 1250م على يد ڤيلار دي هونكور Villard de Honnecourt؛ إذ ابتكر منشاراً يتلقى حركته من دولاب الماء (ناعورة)، بحيث يدفع دولاب الماء نَصْلَ المنشار باتجاه الأمام بحركة دورية ويحني في الوقت نفسه قطباً معدنياً نابضياً، ويقوم النابض بإعادة نصل المنشار بالاتجاه المعاكس حين يعود إلى شكله الأصلي قبل الحني.

ظهر النابض الملولب حلزونياً مع بداية القرن الخامس عشر وحل محل منظومة الأثقال في صناعة الساعات. وقد تطورت صناعة النوابض الدقيقة لخدمة صناعة الساعات والتجهيزات الفلكية.

وفي القرن الثامن عشر ومع قيام الثورة الصناعية برزت الحاجة إلى نوابض دقيقة ورخيصة الثمن وكبيرة الحجم، مما دفع منتجي النوابض إلى التفكير في التصنيع الكمي. وقد طَوَّر صانع الأقفال البريطاني جوزيف براما[ر] Joseph Bramah عام 1780 آلة للفّ النوابض في معمله، ومخرطة لهذا الغرض، فاستبدل برأس القطع بكرة حاملة لسلك النابض، واستخدم للف السلك قضيباً مثبتاً على ترس المخرطة مكان قطر القضيب يتناسب مع القطر الداخلي للنابض. أما خطوة النابض فمرتبطة بسرعة تقدم حامل بكرة السلك، وهو مرتبط بخطوة المحور المدير لحامل السلك.

ومع بداية القرن التاسع عشر تطورت هذه الصناعة بتأسيس شركات كبرى متخصصة في صناعة النوابض في كل من أوربا وأمريكا، ومع دخول الحواسيب والآلات المبرمجة ومراكز التشغيل الحديثة إلى هذه الصناعة صار بالإمكان الحصول على أي نوع من النوابض تصميماً وإنتاجاً حسب الحاجة. وهناك معاهد متخصصة بتقانة النوابض في الدول الصناعية الكبرى.

تصنيف النوابض

تصنف النوابض وفقاً للمعايير الآتية:

1ـ بحسب شكل النابض:

ـ نابض صفائحي مسطح (مقص) (الشكل 2).

ـ نابض حلزوني spiral spring (الشكل 3).

ـ نابض قرصي disc spring (الشكل4).

ـ نابض حلقي spring washers(الشكل 5).

ـ نابض حلزوني لولبي coiled spring (الشكل 6).

ـ نابض قضيب منحنٍ profile bar spring (الشكل 7).

ـ نابض خاص special purpose spring.

2ـ حسب نوع واتجاه القوة الخارجية واتجاهها:

ـ نابض ضغط compression spring (الشكل 8)

ـ نابض شد extension spring (الشكل 9)

ـ نابض عزم فتل torsion spring (الشكل 10)

ـ نابض سحب drawbar spring (الشكل 11)

ـ نابض ضغط مخروطي (الشكل12).

ـ نابض شد مخروطي (الشكل 13).

ـ نابض قمط (الشكل 14).

3ـ حسب مقطع المادة الأولية المستخدمة في تصنيع النابض:

ـ نابض بمقطع دائري.

ـ نابض بمقطع مستطيل.

ـ نابض بمقطع مربع.

ـ نابض بمقطع مُجنب.

4ـ بحسب المادة المستخدمة في تصنيع النابض:

ـ نابض فولاذي.

ـ نابض معدني غير حديدي.

ـ نابض غير معدني.

5 ـ بحسب دور النابض وعمله في الآلة أو الجهاز:

ـ نابض تخميد.

ـ نابض تجميع للطاقة.

ـ نابض تثبيت الحمولة.

ـ نابض تنظيم.

ـ نابض قياس. 

6ـ بحسب جساءة stiffness النابض:

ـ نابض ثابت الجساءة.

ـ نابض متغير الجساءة.

المواد الأولية المستخدمة في صناعة النوابض:

إن اختيار نوع المعدن من الأمور المهمة في تصميم النوابض، ومن المواصفات الأساسية التي يجب أن يتصف بها معدن النابض:

ـ ثبات مرونة المواد الأولية بعد المعالجة الحرارية اللازمة.

ـ مقاومة المادة للشد وتميزّها بإجهاد شد مناسب.

ـ مقاومة الصدم والصدأ أو التآكل.

ـ الناقلية الكهربائية للنوابض المستخدمة (في بعض الأعمال التقانية الكهربائية).

الخلائط الفولاذية هي أكثر المواد استخداماً في صناعة النوابض ومنها:

ـ الفولاذ النابضي المرن.

ـ الفولاذ النابضي غير قابل للصدأ وخلائطه.

ـ الفولاذ عالي الكربون.

ـ الفولاذ منخفض الكربون.

ـ الفولاذ الكربوني المطلي بالنيكل.

ومن المواد الأخرى المستخدمة إضافة إلى الفولاذ الخاص بالنوابض:

ـ المعادن غير الحديدية المسحوبة بالجساءة المطلوبة.

ـ البيريليوم وخلائط نحاسية والتيتانيوم.

ـ البرونز الفسفوري.

ـ المواد اللدائنية والمطاطية.

ـ المواد الفحمية

ـ كما طُورِّت مواد من الخزف لصناعة النوابض الملفوفة من أجل الاستخدام في مجالات مرتفعة الحرارة.

مبادىء تصميم النوابض:

تعتمد مختلف العلاقات الرياضية المتعلقة بتحديد مواصفات النابض على ما يأتي:

ـ مادة النابض الأولية وحجمه وقطر لفاته وعددها.

ـ القوى المؤثرة في النابض.

ـ طبيعة عمل النابض من حيث مدة عمله، والحرارة التي يتعرض لها، والمحيط الذي يعمل به والذي قد يحتوي على مواد تؤثر في معدن النابض، وتواتر استخدامه وسرعة تطبيق الحمل عليه وعمره الافتراضي.

وتتم برمجة المعادلات الحسابية لتصميم النابض باستخدام الحواسيب لتبسيط عملية التصميم، وتحديد الشروط التفصيلية لعمليات اختبار النابض، وتحديد عمره الافتراضي، وكذلك تحديد نسبة إخفاق النابض بالأرقام.

يأخذ التصميم الناجح في الحسبان اختيار المواد الأولية المناسبة لتحقيق النقاط التقنية الواردة أعلاه مع ضرورة وضع ضوابط شديدة على مراحل الإنتاج، وعلى اختبار المواد الأولية، والمعالجات الحرارية والسطحية للنوابض عن طريق تطبيق نظام جودة مناسب في مراحل الإنتاج المختلفة بما يضمن الحصول على نوابض ذات جودة عالية وعمر خدمة مديد وأداء جيد.

طرائق إنتاج النوابض:

تنتج النوابض بالطرائق الآتية:

1ـ تشكيل النوابض يدوياً: يتم تشكيل النوابض يدوياً باستخدام بعض المعدات والأدوات الخاصة من مماسك ولفافات يدوية، وماتزال هذه الطرائق مستخدمة في إنتاج النوابض بكميات قليلة وهي تعتمد على مهارة العامل.

2ـ لف النوابض على الباردcold winding : تستخدم المخارط للف النوابض على البارد باستخدام قضيب معدني مثبت على الترس الدوار للمخرطة، كما تستخدم أيضاً آلات خاصة للف النوابض باستخدام قضيب معدني يدعى «الشاقة» mandrel (عمود المخرطة)، كما يمكن أن يتم لف النوابض من دون استخدام الشاقة وذلك باستخدام مكنات تشغيل مركزية مبرمجة بالحاسوب  (central navigation computer machine) CNC  (شكل 15)، وبعد الانتهاء من عملية اللف تثنى نهايتا النابض إلى حلقتين داخليتين على شكل خطاف أو مقطع مستقيم لاستخدامهما ماسكين لنابض الشد والفتل.

3ـ اللف على الساخن :hot winding يجري لف أقطار الأسلاك الكبيرة أو المقاطع الكبيرة لمادة النابض بعد تسخينها لتصبح قابلة للتشكيل، ويمكن أن تقوم مكنات خاصة بتصنيع نوابض من أسلاك يصل قطرها حتى 75مم، ومن مقاطع يصل سمكها إلى 150مم. ويتم ذلك بعملية لف السلك أو المقطع ساخناً حول شاقة خاصة، ويتم نزعه عنها من فور انتهاء اللف ثم تغطيسه في سائل للتبريد وتقسيته، ويكون الفولاذ بهذه الحالة هشاً، ويجب أن يعالج حرارياً بإجراء عملية إرجاع حراري للحصول على بنية مناسبة لعمل المعدن نابضاً.

4ـ إزالة الزوائد المعدنية: بعد عملية تشكيل النابض هناك حاجة إلى إزالة الزوائد الناتجة من التصنيع وضبط طول النابض ونهايتيه المرنتين، ويتم ذلك بالقطع أو بالتجليخ أو بكليهما معاً، وذلك حسب الشروط التصميمية لنهاية النابض ودقة استوائية سطحيه الحرين. حيث يوضع النابض ضمن دليل تجليخ خاص لضمان دقة طوله واستواء سطحيه في أثناء عملية التجليخ، وللحصول على نوابض متماثلة تماماً، كما يمنع الدليل النابض من الدوران مع حجر الجلخ في أثناء عملية التجليخ. وعند الجلخ آلياً يجلخ طرفا النابض في آن واحد بوجود سائل تبريد يعمل على تبريد النابض وتزييت حجر الجلخ ويحمل معه برادة المعدن الناتجة من الجلخ لمنعها من التطاير.

5 ـ معالجة النوابض بالكرات المعدنية: تستخدم هذه الطريقة لزيادة مقاومة الفولاذ للكلل والتشقق في أثناء العمل، إذ يتم قذف النوابض بكرات فولاذية صغيرة جداً تصطدم بسطحه كاملاً فتضغط طبقة المعدن السطحية.

6ـ تثبيت طول النابض: يتم ضغط النابض بالكامل حتى تتجانس حلقاته بعضها مع بعض، وتكرَّر هذه العملية عدة مرات للحصول على نابض بطول ثابت وخطوة ثابتة بين لفة وأخرى.

المعالجة الحرارية للنوابض:

 سواء تم لف النابض المصنوع من الفولاذ الكربوني على البارد أو على الساخن فإن عملية لف المعدن تؤدي إلى ظهور إجهاد داخله. ولكي تتم إزالة الإجهاد الداخلي للمعدن والإبقاء على مرونة الفولاذ المميزة تُجرى عملية إرجاع للنابض في المجال الحراري (300ـ400) درجة مئوية. أما الفولاذ الإنشائي بنسبة كربون 0.7ـ 0.5% مع إضافة المنغنيز والسيليكون، فتجري معالجته حرارياً بتقسيته في الدرجة 870 ْ مئوية مع التبريد بالزيت، تليهاعملية إرجاع في الدرجة 460 ْم. كما تتم المعالجة نفسها في الحالات الخاصـة مـن النوابـض التـي تسـتخدم الفـولاذ بنسبة كربون 0.5% مع إضافة الكروم والڤاناديوم ( V0.15%xV, ء1%CR) فيتم الحصول على فولاذ يتصف بمرونة مرتفعة.

المعالجة السطحية للنوابض:

تتم حماية سطوح النوابض المعدنية لمنع تآكل المعدن وإطالة مدة خدمته، ويتم ذلك وفق إحدى الطرائق الآتية:

1ـ الفسفتة phosphating: وهي طريقة شائعة في معالجة النوابض سطحياً إذ تعالج الطبقة النهائية بالزيت أو الشمع من أجل تحسين مقاومة النابض للتآكل.

2ـ الغلفنة الانصهارية sherardizing: تسخن النوابض المطلوب غلفنتها في جو من غبار الزنك في الدرجة 400 ْ مئوية، فتتشكل عليها طبقة من الزنك ترتبط بالمعدن نتيجة عملية الانصهار، ويمكن أن تصل سماكة الطبقة حتى 300 ميكرون.

3ـ الغلفنة بطريقة دلتا delta ton coating: تعالج النوابض في حامل عضوي أو محلول يحتوي على مسحوق الزنك المعلّق. تدور النوابض في هذا المحلول وتجفف، ثم تعاد الكَرَّة حتى الوصول إلى السمك المطلوب، تُشوى بعدها النوابض حتى 200 ْم.

4ـ الغلفنة الميكانيكية: يتم بهذه الطريقة ترسيب طبقة من الزنك على سطح النوابض نتيجة لتصادم حبيبات الزنك وجسم النابض. يتكون المحلول من مسحوق الزنك مع حبيبات زجاجية ومساحيق معدنية أخرى، إضافة إلى بعض المواد المنشطة، وتتم العملية في برميل دوار.

يلي عملية الغلفنة عملية تخميل passivation سطحي لتحسين مقاومة النابض للتآكل ولتخفيف الأكسدة السطحية للطلاء.

5 ـ إلباس النوابض بالنيكل الكيمياوي nickel coating: يتم ترسيب معدن النيكل على سطح النوابض بطريقة كيمياوية، وهذه الطريقة من الطرائق المكلفة، إلا أنها من الطرائق الجيدة التي تعطي سطوحاً مقاومة للتآكل وناعمة الملمس.

6ـ الغلفنة بالترسيب الكهروكيمياوي electroplating: وهي من الطرائق الشائعة في غلفنة المعادن، إلا أن من مساوئها حدوث امتصاص للهدروجين في أثناء بعض الأعمال التحضيرية للفولاذ الكربوني، مما يتسبب في حدوث ظاهرة التقصف الهدروجيني hydrogen embrittlement، التي تتسبب في إضعاف النوابض، وهي من الظواهر الخطرة، خاصة في حالة المعادن العالية الكربون.

يمكن التخفيف من تأثير هذه الظاهرة بالمعالجة الحرارية لطرد الهدروجين قبل مضي أربع ساعات على عملية الغلفنة، إذ توضع النوابض في فرن تراوح حرارته بين 160 و190 ْ مئوية مدة تراوح من ساعتين إلى أربع ساعات. ويشكك بعضهم بوثوقية هذه المعالجة لطرد الهدروجين من الخليطة.

تسامحات أبعاد النوابض:

ثمة علاقة مباشرة بين الأبعاد الدقيقة للنابض وكلفة إنتاجه، لذا ينبغي على المصمم عدم المبالغة في وضع تسامحات دقيقة للنابض إلا عند الحاجة إليها؛ لأن دقة التسامحات تؤدي إلى البطء في عملية الإنتاج وزيادة في نسبة المرفوضات، ومن ثم زيادة في سعر النابض، كما يجب استخدام التسامحات حسب متطلبات أداء النابض، وإعطاء المجال المناسب لعملية ضبط الإنتاج من حيث الأبعاد والمواصفات.

ضبط جودة النوابض:

 تتم عملية تدقيق مواصفات النوابض وضبطها باستخدام آلات وتجهيزات مختلفة، وكذلك الحال فيما يتصل بضبط مواصفات المواد الأولية المستخدمة في صناعة النوابض؛ إذ تبين أن ثلث مشكلات النوابض ناتج من عيوب في الإنتاج وثلثيها ناتج من عيوب في المواد الأولية المستخدمة في صنع النوابض، وهذا ما دفع الباحثين في عام 1998 إلى إيجاد طريقة لاختبار قابلية الأسلاك للاستخدام في صناعة النوابض عرفت باسم فراكمات (FRACMAT)، ويمكن بهذه الطريقة اختبار السلك قبل استخدامه في الإنتاج.

أدى دخول الحواسب والمكنات المبرمجة في صناعة النوابض إلى تحسن نوعية النوابض عن طريقين:

1ـ ضبط قطر النابض وخطواته بدقة أكثر من العمل اليدوي.

2ـ استخدام الضبط الآلي لمواصفات النابض بمكنات التشغيل المبرمجة CNC وبذلك تنخفض نسبة المرفوضات إلى درجة كبيرة.

يتم اختبار النوابض وفقاً لمواصفات محددة ولحالة النوابض المنتجة وفقاً لها. أما النوابض الخاصة غير الموجودة في المواصفة فيتم تحديد مجال اختبارها من قبل المصمم المختص.

وفيما يأتي الاختبارات المطبقة على النوابض:

1ـ اختبارات الحمل والفتل ومقاومة الكلَلَ.

2ـ تطبيق إجهاد مسبق على النابض.

3ـ اختبارات المواد الأولية الداخلة في إنتاج النابض (التركيب، القساوة، التشوه).

ويضمن تطبيق هذه الاختبارات وثوقية النابض، وتحسن أدائه، وضبط الإنتاج وإنقاص المرفوضات، ومن ثم إنقاص أزمنة التوقف على خط الإنتاج وتحسين إنتاجيته.

مستقبل استخدام النوابض:

إن السرعة في تطور الحواسيب والهواتف الخليوية والاستخدامات الطبية وتزايد الطلب عليها، دفعت مصنِّعي النوابض إلى العمل على تلبية هذه الاحتياجات بإنتاج نوابض صغيرة الحجم وموثوقة من أجل استخدامها في مفاتيح ملامس لوحات التشغيل والتحكم، كما استخدمت النوابض الطبية أيضاً في عمليات القثطرة باستخدام أسلاك خاصة لتحري بعض حالات انسداد الشرايين القلبية ومعالجتها. وهناك جانب غير ظاهر في تطبيقات النوابض، وهو استخدام النوابض الميكروية تقنيةَ نقلٍ في أجهزة اختبار أنصاف النواقل، لا تتجاوز أبعادها الميلمتر الواحد، وبهذا الاستخدام يتم التأسيس لارتباطات كهربائية موثوقة جداً. كما طورت أيضاً أسلاك خاصة لصناعة نوابض قطرها 92 ميكروناً من أسلاك قطرها 30 ميكروناً وما تزال هذه المنتجات قابلة لتطوير مستقبلي.

وهناك أبحاث جارية لإنتاج نوابض أصغر مما ذكر لم تجد تطبيقاً لها بعد، كما هي الحال بالنسبة إلى النابض الجزيئي الذي طوّره العالم النمساوي الكيميائي بيرنارد كراوتلر Bernard Krautler.

يدل ما تقدم على أن النوابض عناصر أساسية في ميادين صناعة المكنات والآلات والمعدات والتجهيزات المختلفة، إضافة إلى مجالات الصحة والخدمات الطبية والإلكترونيات، وهي ما تزال في حالة تطور مستمر لتلبية احتياجات المستقبل من التقانات المعاصرة.

محمود إبراهيم

أجهزة التعليق في المركبات ـ المعالجة الحرارية التعدينية ـ الميزان والقبان.

- The 2006-2011 World Outlook for Precision Mechanical Compression-Type Wire Springs (Icon Group International, Inc. 2005).

- ETHAN BIER, The Coiled Spring: How Life Begins (Cold Spring Harbor Laboratory Press 2000).

- T. KUWABARA, FEM for Springs (Springer 2003).

التصنيف : الصناعة

المجلد: المجلد العشرون

رقم الصفحة ضمن المجلد : 316

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية