스프링의 종류와 특징 (토션, 인장, 압축) 선정하기

스프링의 종류와 특징 (토션, 인장, 압축)

개념 및 사용 목적

스프링은 외부에서 가해지는 힘에 저항하여 변형하고, 그 변형 에너지를 저장했다가 복원하는 기계 요소입니다. 주로 힘의 완충, 에너지 저장, 진동 흡수 등의 목적으로 사용됩니다.

구조와 동작 원리

압축 스프링

압축 스프링은 축 방향으로 압축되는 힘을 받으면 변형되는 스프링입니다. 일반적으로 코일 형태로 감겨 있으며, 압축 시에 에너지를 저장합니다.

인장 스프링

인장 스프링은 양 끝을 당기는 힘에 저항하는 스프링입니다. 끝부분에 후크나 루프가 있어 힘을 전달합니다.

토션 스프링

토션 스프링은 축을 중심으로 비틀림 모멘트에 저항하는 스프링입니다. 주로 회전 운동의 토크를 제어하는 데 사용됩니다.

주요 계산식 및 계산기

압축 스프링 계산기

1. 스프링 상수 \( k \) 계산

스프링 상수 \( k \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$k = \frac{G d^4}{8 n D^3}$$ 전단 탄성 계수 \( G \) (GPa): 와이어 직경 \( d \) (mm): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

2. 변위에 따른 스프링 힘 \( F \) 계산

스프링에 작용하는 힘 \( F \)는 다음과 같습니다:

$$F = k \delta$$ 스프링 상수 \( k \) (N/mm): 변위 \( \delta \) (mm):

3. 요구 하중에 따른 와이어 직경 \( d \) 계산

필요한 힘과 스프링 사양으로부터 와이어 직경 \( d \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$d = \left( \frac{8 n D^3 k}{G} \right)^{1/4}$$ 필요한 힘 \( F \) (N): 변위 \( \delta \) (mm): 전단 탄성 계수 \( G \) (GPa): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

인장 스프링 계산기

1. 스프링 상수 \( k \) 계산

스프링 상수 \( k \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$k = \frac{G d^4}{8 n D^3}$$ 전단 탄성 계수 \( G \) (GPa): 와이어 직경 \( d \) (mm): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

2. 인장 스프링의 하중 \( F \) 계산

인장 스프링에 필요한 하중 \( F \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$F = k \delta$$ 스프링 상수 \( k \) (N/mm): 변위 \( \delta \) (mm):

3. 요구 하중에 따른 와이어 직경 \( d \) 계산

필요한 하중과 스프링 사양으로부터 와이어 직경 \( d \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$d = \left( \frac{8 n D^3 k}{G} \right)^{1/4}$$ 필요한 힘 \( F \) (N): 변위 \( \delta \) (mm): 전단 탄성 계수 \( G \) (GPa): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

토션 스프링 계산기

1. 토션 스프링 상수 \( k_t \) 계산

토션 스프링의 스프링 상수 \( k_t \)는 다음과 같습니다:

$$k_t = \frac{E d^4}{10.8 n D}$$ 탄성 계수 \( E \) (GPa): 와이어 직경 \( d \) (mm): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

2. 토크 \( T \) 계산

토션 스프링에 저장된 토크 \( T \)는 다음과 같습니다:

$$T = k_t \theta$$ 토션 스프링 상수 \( k_t \) (N·mm/rad): 회전 각도 \( \theta \) (deg):

3. 요구 토크에 따른 와이어 직경 \( d \) 계산

필요한 토크와 스프링 사양으로부터 와이어 직경 \( d \)는 다음과 같이 계산됩니다:

$$d = \left( \frac{10.8 n D k_t}{E} \right)^{1/4}$$ 필요한 토크 \( T \) (N·mm): 회전 각도 \( \theta \) (deg): 탄성 계수 \( E \) (GPa): 유효 코일 수 \( n \): 스프링 평균 직경 \( D \) (mm):

적용 분야와 응용

• 압축 스프링: 자동차 서스펜션, 기계 장치의 완충 장치
• 인장 스프링: 트램펄린, 스프링 스케일
• 토션 스프링: 옷핀, 시계의 메인스프링

장단점

장점

• 에너지 저장 및 완충 기능 제공
• 다양한 형태와 재질로 제작 가능
• 비교적 간단한 구조로 신뢰성 높음

주의점

• 과도한 하중 시 영구 변형 또는 파손 가능성
• 재질의 피로에 따른 수명 제한
• 환경 요인(부식 등)에 따른 성능 저하

스프링 소재별 특성표

소재	탄성 계수 \( E \) (GPa)	전단 탄성 계수 \( G \) (GPa)	인장 강도 (MPa)	밀도 (kg/m³)	특징
스테인리스강 (SUS304)	193	77	1000	7900	우수한 내식성과 내열성
티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)	113	44	900	4420	높은 내식성과 경량
피아노선 (SWP)	206	79.3	1960	7850	높은 인장 강도와 피로 강도
인청동 (Phosphor Bronze)	110	44	600	8900	내마모성과 전기 전도성 우수
베릴륨동 (Beryllium Copper)	128	50	1200	8250	높은 전도성과 스프링 성질