기계장치에 사용되는 스프링은 압축 스프링, 인장 스프링, 토션 스프링, 판 스프링 등과 같은 다양한 종류가 있으며, 각 스프링을 선정하기 위해서 사용 목적과 하중 조건 그리고 내구성 등과 같은 스프링 제작 규격을 고려하고 절차에 맞춰 선정합니다.
하중 조건 : 스프링이 지지해야 하는 하중의 크기와 종류
공간 제약 : 스프링이 설치될 공간의 크기와 형태
내구성 : 스프링의 수명과 내구성
가격 : 스프링의 발휘 성능에 알맞은 제작 가격
스프링은 기계 장치에서 진동 흡수, 하중 지지, 운동 에너지 저장 등 다양한 기능을 수행하는 중요한 부품입니다. 적절한 스프링을 선정하는 것은 기계 장치의 성능과 수명에 큰 영향을 미치므로, 다양한 요소를 신중하게 고려해야 합니다.
“스프링의 올바른 선정은 기계 시스템의 성능과 안정성에 직결됨”
스프링의 형상에 따른 종류
▶ 압축 스프링 : 축선 방향으로 누르는 하중을 받는 스프링
▶ 인장 스프링 : 축선 방향으로 늘어나는 하중을 받는 스프링
▶ 토션 스프링 : 축선을 기준으로 양단이 비틀리는 하중을 받는 스프링
▶ 판 스프링 : 얇은 판을 한 장 또는 여러 장을 겹쳐서 만든 스프링
▶ 접시 스프링 : 평와셔와 비슷한 모양으로 생긴 스프링
이와 같은 스프링의 종류에 대하여 자세히 알고 싶으면 하기 링크를 열어 참고하시기를 바랍니다.
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스프링 선정 시 고려해야 하는 4대 요소
기계 장치에서 스프링의 선정할 때, 여러 가지 요소를 복합적으로 고려해야 하는데 그 내용으로 스프링의 형상과 크기, 하중 특성, 재료 등을 선택하여 장치의 성능과 안정성을 확보할 수 있습니다.
하중 및 하중 특성
기계 장치에서 받는 스프링의 작동 하중은 중요한 고려 사항으로, 정적 하중과 동적 하중으로 나누어집니다.
▶ 정적 하중 : 운동하지 않는 구조에 의해 일정하게 발생 하중
▶ 동적 하중 : 운동하는 구조에 의해 다변하게 발생하는 하중
위와 같은 하중의 특성을 파악하여 전달되는 하중을 계산하고 그에 알맞은 스프링을 선정합니다. 여기서 과도한 하중이 가해졌을 때, 탄성을 유지하지 못하고 파손되며, 또 너무 작은 하중에 맞춘 스프링은 제 성능을 발휘하지 못할 수 있습니다.
스프링의 재료
스프링 선재 또는 판재의 재료는 그 성능과 내구성에 큰 영향을 미칩니다.
▶ 탄소강(Spring Steel) : 가격이 저렴한 가장 일반적인 스프링 재료로, 기본적인 성능을 발휘합니다. 단, 내식성이나 내구성이 비교적 제한적일 수 있습니다.
▶ 합금강(Alloy Steel) : 고성능의 스프링에 적합한 재료로 강한 내구성 및 고온 환경에서 안정성이 탁월합니다.
▶ 스테인리스강(Stainless Steel) : 내구성과 내식성이 뛰어나기 때문에 부식 환경과 노출된 산업용 기계에 적합합니다.
일반적으로 대형 산업 기계를 제외하고 일반적인 기계 장치에서 스프링의 재질은 스테인리스강을 사용하여 습기에 따른 부식 환경에 대비하기도 합니다.
스프링의 크기 및 형태
스프링에 전달되는 하중에 따라 크기와 형태가 결정될 수 있으며, 스프링의 외경과 내경, 자유 길이와 감긴 횟수는 중요한 변수로 성능에 밀접한 관계가 있습니다.
▶ 외경과 내경 : 하중과 장치의 공간에 맞춰 결정합니다. 지나치게 크거나 작으면 효율이 낮아져 제 성능을 발휘하지 못합니다.
▶ 자유 길이 : 스프링이 압축되거나 인장되었을 때의 길이로, 스프링의 하중에 따른 탄성 유지 성능을 결정하는 중요한 요소입니다.
▶ 감긴 횟수 : 스프링의 감긴 횟수는 하중에 따른 변형을 결정하는데 일반적으로 많이 감긴 스프링은 비교적 부드럽게 운동하고, 적게 감긴 스프링은 강한 하중을 견딥니다.
피로 수명 및 내구성
스프링은 지속적인 하중(정적 또는 동적) 변화에 의해 피로 현상이 발생하며, 이는 변형 또는 파손에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다.
▶ 내구성 : 반복 하중을 받는 스프링은 반드시 피로 수명을 고려하여 알맞은 재료를 결정해야 합니다.
▶ 피로 강도 : 고속으로 작동되는 고성능 기계에서는 반드시 고려해야 하는 중요한 요소입니다.
위 4대 중요 요소 이외에도 사용 환경 조건, 제작 가격과 재료의 공급성 등과 같은 부수적인 사항도 추가로 고려하여 스프링을 선정하기도 합니다.
스프링 선정을 위한 절차
스프링을 선정하기 위한 고려 사항의 연장선상으로 선정 과정에 따른 절차 순서는
1. 환경에 따른 요구 사항 분석 -> 2. 스프링의 종류 결정 -> 3. 하중 분석 -> 4. 재료의 결정 -> 5. 크기와 형태 결정 -> 6. 내구성 분석 -> 7. 가격과 공급성 분석
과 같은 순서로 결정됩니다.
▶ 환경에 따른 요구 사항 분석 : 기계 장치가 작동되는 환경의 하중, 온도, 습도 등을 분석합니다.
▶ 스프링의 종류 결정 : 장치의 구성에 맞는 스프링의 종류(인장, 압축, 비틀림, 토션 등)를 결정합니다. 이때, 하중에 따른 변형량, 스프링 상수 등을 고려합니다.
▶ 하중 분석 : 스프링에 적용되는 하중을 계산합니다. 이때, 동적 하중과 정적 하중을 고려하여 크기와 방향, 패턴 등을 분석합니다.
▶ 재료 결정 : 장치의 사용 환경과 계산된 하중에 맞는 적합한 재료를 결정합니다.
▶ 크기 및 형태 결정 : 장치의 설계에 성능에 맞춰 하중 조건, 자유 길이와 변형량, 감긴 횟수 등을 결정합니다.
▶ 내구성 분석 : 사용 수명을 고려하여 피로 강도와 내구성을 분석합니다.
▶ 가격 및 공급성 분석 : 요구하는 성능에 맞춰 결정된 사양에 맞춰 저렴한 제작 가격, 원활한 재료의 공급을 분석하여 최적의 스프링 사양을 결정합니다.
이와 같은 스프링의 선정 절차에 따라 장치가 사용되는 환경의 특성과 목표 성능에 접합한 결정으로 비용 절감과 장치의 성능을 효율적으로 향상하는 스프링을 결정하고 선정할 수 있습니다.
이외 스프링을 선정하기 위한 참고 사항으로 설계 데이터 북의 스프링 설계편과 스프링 제조사의 카탈로그 자료 마지막으로 제조사 전문가와의 상담을 통해서 올바른 선정을 위한 다양한 정보와 기술 자료, 선정 계산식 등을 참고하여 선정할 수 있습니다.
글을 마치며,
스프링은 설계 목적에 따른 기계 장치의 성능과 수명에 영향을 미치는 기계요소 부품으로, 다양한 주요 요소를 신중히 올바르게 고려하여 적절한 스프링을 선정해야 합니다. 본 내용을 통해서 조금이라도 쉽게 이해하고 업무에 도움이 되었기를 바랍니다.
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