기계요소 (24) – 스프링 설계의 계산식

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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.

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:

“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:

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.

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 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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