اصول ابتدایی فنر حلزونی apokafanar.com

یک فنر حلزونی (power spiral spring) در ساده ترین شکل خود، یک تسمه تخت از جنس فولاد فنری یا استنلس استیل است که بصورت طولی برش خورده و به دور یک محور پیچیده و سپس داخل یک محفظه یا هوزینگ خود را رها میکند.
اسامی متفاوتی برای این نوع فنر عنوان شده که از جمله آنها عبارتند از: فنر اسپیرال، فنر حلزونی، فنر مارپیچ،  فنر کوکی، فنر ذغالی، فنر ساعت، فنر سیم جمع کن، فنر برگردان و فنر استند
عملکرد این فنر بواسطه ابعاد متریال فنر (شامل ضخامت تسمه (t)، عرض تسمه (b)، و طول (l)) و همچنین فضای در دسترس ( شامل قطر هوزینگ (D)و قطر شفت (a) ) تعیین میشود. متاسفانه علیرغم ابتدایی و پایه ای بودن این پارامترها، طراحی و عملکرد فنرهای حلزونی موضوع پیچیده ای است و توسط صنعتگران محدودی قابل درک  است.

گروه صنعتی آپوکا در زمینه تولید فنرهای حلزونی بالاخص فنر سیم جمع کن جاروبرقی و  فنر کمربند ایمنی خودرو تجربه قابل قبولی را داشته و نسبت به سایر انواع فنر بیشترین تمرکز خود را بر تولید این نوع فنرها منعطف کرده است.
مطالبی که در ادامه ارائه شده، خلاصه ای است از مراحل اولیه طراحی و تولید فنرهای مارپیچ:
فنرهای حلزونی پاور (PRESTRESSED) و فنرهای حلزونی متعارف:
یکی از تفاوتهای پنهان در بحث فنرهای اسپیرال، به حالتی مربوط میشود که فنر درون محفظه خود جای نگرفته و در حالت آزاد است.
یک فنر حلزونی متعارف و عادی به شکلی است که حلقه های دور از مرکز در همان جهتی هستند که فنر پیچیده شده است.
این در حالی است که فنرهایی که دارای پیش بار هستند شامل دو بخش هستند که جهت چرخش فنر در این دو بخش متفاوت میباشد.
در حالتیکه فنرهای اسپیرال داخل محفظه یا هوزینگ جای میگیرند، تشخیص اینکه از کدام نوع هستند بسیار مشکل است و هر دو نوع به یک شکل دیده میشوند. اگرچه نوع پاور شده (پیش بار) تنشهای بیشتر و در نتیجه گشتاور بیشتری را اعمال میکند. اما هر دو نوع فنر مزایا و معایب خود را داشته و بهترین انتخاب به نوع کاربرد و نیازمندیهای آن بستگی دارد.
فنر حلزونی معمولی:
امتیازات: تنش کمتر- سیکل عمر بیشتر -  تولید ساده تر
معایب: گشتاور کمتر- تعداد حلقه های کمتر- گشتاور ناصاف و غیر تخت




فنر حلزونی پیش تنش:
مزایا: گشتاور بیشتر- گشتاور مستقیم و تخت
معایب: سیکل عمر کمتر- مشکل بودن و اغلب پرهزینه بودن تولید- محدودیت های ابعادی و روشهای شکل دهی


نمودار گشتاور زیر نمایش دهنده مقایسه ای است میان فنرهایی که دارای ابعاد مشابه و روشهای تولید متفاوت میباشند.بیشترین تنش ایجاد شده مربوط است به فنری که به شیوه پیش بار تولید شده است.
فرآیند پریکویل نیز میتواند منجر به افزایش گشتاور خروجی شود و به واسطه کاهش تعداد حلقه های غیر فعال یا همان حلقه هایی که درحالت آزاد در محفظه قابل رویت است قابل شناسایی است.



گشتاور و چرخش:
گشتاور و نیروی چرخشی مهمترین خروجی ها در فرآیند طراحی فنر ذغالی هستند. بطور معمول گشتاور از صفر شروع شده و در چرخشهای اولیه به سرعت زیادی افزایش یافته و تا زمانی که بصورت کامل پیچ بخورد به افزایش خود با سرعت کمتر ادامه میدهد. منحنی گشتاوری که نمایش داده شده در بسیاری از کاربردها مفید خواهد بود.


این منحنی شامل دو گراف آبی و قرمز است. منحنی قرمز رنگ نشان دهنده گشتاور پیچ خوردن یا همان زمان رفت فنر و منحنی آبی رنگ گشتاور باز شدن یا همان حالت برگشت فنر تسمه ای را نشان میدهد. همانطور که مشهود است گشتاور حالت برگشت همیشه کمتر از گشتاور پیچش است که این مسئله با پدیده هیسترزیس یا بحث اصطکاک مرتبط است. هرچند که در بسیاری موارد از طریق طراحی مناسب، روغنکاری و تکنیکهای ویژه اصطکاک قابل کاهش است.