기계요소 (7) – 스프링의 계산

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스프링 설계의 기본 개념과 중요 고려사항

스프링 설계의 기본 개념과 중요 고려사항

스프링은 기계적 장치에서 중요한 역할을 하는 부품으로, 다양한 종류의 하중을 받을 때 특정한 방식으로 반응합니다. 스프링 설계 시 사용되는 주요 기호와 계산식, 그리고 설계 과정에서 고려해야 할 중요 사항들에 대해 자세히 설명하겠습니다.

스프링 설계에 사용되는 기호

기호	기호의 의미	단위
d	재료의 직경	mm
D 1	코일 내경	mm
D 2	코일 외경	mm
D	코일 평균 직경 = (D 1 + D 2 ) / 2	mm
Nt	총 감은 수	–
Na	유효 감은 수	–
L	자유 높이 (길이)	mm
Hs	밀착 높이	mm
p	피치	mm
Pi	초기 장력	N {kgf}
c	스프링 지수 c = D / d	–
G	횡탄성 계수	N / mm 2 {kgf / mm 2 }
P	스프링에 걸리는 하중	N {kgf}
δ	스프링의 휨	mm
k	스프링 정수	N / mm {kgf / mm}
τ0	비틀림 응력	N / mm 2 {kgf / mm 2 }
τ	비틀림 수정 응력	N / mm 2 {kgf / mm 2 }
τi	초기 응력	N / mm 2 {kgf / mm 2 }
χ	응용 수정 계수	–
f	진동수	Hz
U	스프링에 축적되는 에너지	N-mm {kgf · mm}
Ω	재료의 단위 체적당 질량	kg / mm 3
W	스프링의 운동 부분의 질량	kg
g	중력 가속도 * 1	mm / s 2

스프링 설계에 사용되는 기호를 정리한 표입니다. 이 표는 스프링의 물리적 특성과 설계 파라미터를 나타내는 다양한 기호를 포함합니다.

스프링 설계의 기본식

압축 스프링 및 초기 장력이 없는 인장 스프링의 경우

초기 장력이 있는 인장 스프링의 경우 (단, P> Pi)

스프링 설계 시 고려해야 할 사항

횡탄성 계수

재료		G의 값 N / mm 2 (kgf / mm 2 )	기호
스프링강 강재		78 × 10 3 {8 × 10 3 }	SUP6,7,9,9A, 10,11A 12,13
경강선		78 × 10 3 {8 × 10 3 }	SW-B, SW-C
피아노 선		78 × 10 3 {8 × 10 3 }	SWP
오일 템퍼선		78 × 10 3 {8 × 10 3 }	SWO, SWO-V, SWOC-V, SWOSC-V, SWOSM, SWOSC-B
스테인리스 강선	SUS 302	69 × 10 3 {7 × 10 3 }	SUS 302
	SUS 304		SUS 304
	SUS 304N1		SUS 304N1
	SUS 316		SUS 316
	SUS 631 J1	74 × 10 3 {7.5 × 10 3 }	SUS 631 J1

스프링 설계에 사용되는 횡탄성 계수(G)의 값을 제공하는 표입니다. 이 표는 다양한 재료에 대한 횡탄성 계수를 나타내며, 스프링의 탄성 특성을 계산할 때 중요한 참고 자료입니다.

유효 감은 수

압축 스프링의 경우

Na = Nt- (X1 + X2)
(a)코일 선단만이 다음 자유 코일에 접하고 있는 경우

X1 = X2 = 1
따라서 Na = Nt-2
(b)코일 선단이 다음 코일에 접하지 않고 자리 감김부의 길이 3/4 감김의 경우

X1 = X2 = 0.75
따라서 Na = Nt-1.5

인장 스프링의 경우

인장 스프링의 유효 감은 수는 다음을 따른다. 단, 훅 부분은 제외.
Na = Nt

응용 수정 계수와 밀착 높이

스프링의 밀착 높이는 일반적으로 다음 약산식으로 산출한다.
단, 압축 스프링의 밀착 높이는 일반적으로 발주자는 지정하지 않는다.

그리고 특히 양단부 밀착 높이를 아래 그림의 (b), (c), (e) 및 (f)의 압축 스프링으로 지정해야 할 때는, 다음 식으로 구한 값을 밀착 높이의 최대값으로 지정하지만 스프링의 형상에 따라 이 값보다 커질 수 있으므로 주의를 요한다.

인장 스프링의 초기 장력

인장 스프링의 초기 장력과 관련된 설계 정보를 제공합니다. 초기 장력은 인장 스프링이 성형 과정에서 자연적으로 가지게 되는 장력으로, 스프링의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

(1) 스테인리스 강선의 경우 강선의 초기 응력의 15％ 감소로 한다.
(2) 성형 후 저온 어닐링을 실시하는 경우, 상기에서 구한 값에 대해 피아노선, 경강선 등의 강선에서 20～35％ 감소, 스테인리스 강선에서 15～25％ 감소로 한다.
참고　저온 어닐링 전의 초기 응력 값을 그림 3에서 판독하는 대신, 다음 경험식으로 산출해도 좋다.