기계요소 (15) – 압축 코일 스프링에 가해지는 하중과 변형의 관계

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압축 코일 스프링은 다양한 산업 및 기계적 응용 분야에서 흔히 사용되는 스프링 유형입니다. 이 장에서는 압축 코일 스프링에 가해지는 하중과 변형의 관계, 그리고 선형 및 비선형 특성을 지닌 다양한 스프링 설계 방법에 대해 다룹니다.

스프링에 가해지는 하중 𝑃P와 변형량 𝛿δ 사이의 관계가 선형일 때, 이를 “훅의 법칙”이라고 합니다. 이때 비례 정수 𝑘k를 “스프링 정수”라고 부르며, 하중과 변형의 관계는 아래와 같습니다:

𝑃=𝑘⋅𝛿P=k⋅δ

**스프링 정수 𝑘k**는 스프링의 강도를 나타내며, **【그림1】**에서 기울기로 표현됩니다. 이러한 성질은 사물의 무게를 측정하는 “스프링 저울”이나 특정한 힘으로 작동하는 안전 밸브용 스프링의 설계 및 제작에 활용됩니다.

스프링의 하중-변형 관계에는 선형 특성 외에 비선형 특성도 존재합니다. 압축 코일 스프링에서 하중과 변형의 비선형 특성을 갖게 하는 방법에는 다음과 같은 3가지가 있습니다:

비선형 특성을 가진 압축 코일 스프링의 대표적인 설계 방법은 [1] 코일 직경, [2] 피치, [3] 선경을 조절하여 하중 증가에 따라 스프링 선끼리 또는 선과 좌면이 접촉하게 하는 것입니다.

비선형 특성 스프링은 그 설계에 따라 다양한 장점과 단점을 제공합니다. 아래 표는 대표적인 비선형 특성 스프링의 장점과 단점을 정리한 것입니다:

비선형 특성 스프링의 종류	장점	단점
원추 코일 스프링	– 스프링 변형 시 바깥 둘레 인접물을 피할 수 있다. – 좌면 접촉형은 밀착 높이를 낮출 수 있다.	– 등선경형에서는 코일 직경이 작아짐에 따라 에너지 흡수 효율이 작아진다. – 선간 접촉형은 밀착 높이가 높아진다.
부등 피치 스프링	– 저렴한 가격	– 밀착 높이가 높다. – 질량이 크다.
테이퍼 코일 스프링	– 밀착 높이가 낮다. – 부등 피치 스프링보다 질량이 작다.	– 고가격