스프링 설계의 계산식
LCA(Low Cost Automation)에서 스프링 설계 대상은 대부분 압축 코일 스프링이나 인장 코일 스프링입니다. 이 두 종류의 스프링 설계에서는 다음과 같은 항목들이 검토 과제입니다. 여기서는 그 중 a), b), c)에 대해 해설합니다.
- 사용 범위에서의 변형량과 이때의 스프링 하중: 스프링 정수
- 스프링을 설치하는 장소의 공간: 길이와 외형
- 스프링 고정 방법: 스프링의 양끝 형상과 고정 방법
- 기타: 스프링 변형(영구 변형), 피로
(1) 스프링 정수와 스프링 형상 치수의 관계식
스프링의 변형량과 이때의 스프링 하중 사이의 관계는 “압축 코일 스프링에 가해지는 하중과 변형의 관계“에서 해설한 “훅의 법칙”으로 표현됩니다:
\( P = k \cdot \delta \)
여기서:
- P: 스프링 하중
- k: 스프링 정수
- δ: 스프링의 변형량
“스프링 정수 k“는 스프링 재료 특성과 스프링 형상을 통해 다음과 같은 식으로 표현됩니다. 이 식은 압축 코일 스프링과 인장 코일 스프링 모두에서 사용할 수 있습니다:
\( k = P/ \delta = G \times d^{4} / 8 \times n \times D^{3} \)
여기서:
- G: 횡탄성 계수(영율)
- d: 선경
- n: 유효 감은 수
- D: 평균 코일 직경
이 식을 변형하여 평균 코일 직경 D, 선경 d, 스프링 정수 k 등을 임의로 설정하여 유효 감은 수 n을 산출하거나, 이미 알려진 P, D, d, n 값을 통해 변형량 δ를 구할 수 있습니다.
(2) 스프링 길이, 외형 설계
스프링 길이는 “허용 변형량”과 스프링 하중의 관계에서 선정 및 설계합니다. “허용 변형량”은 스프링이 늘어나 변형되거나 파손될 수 있는 직전까지의 한계 변형량을 의미합니다 【그림1】 참조.
스프링 고정 방법
스프링 고정 방법은 스프링의 거동과 안정성을 확보하는 데 중요합니다. 압축 코일 스프링과 인장 코일 스프링의 고정 방법에 대해 더 자세히 살펴보려면, 이전에 다루었던 “스프링의 고정 방법“을 참조하십시오.
출처: 한국 미스미
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