스프링 개요

종류

압축 스프링

스프링의 외경에따라 길이방향으로 일정한 경우와 변화가 있는 경우가 있다. 또한 스프링 끝단 처리 (연마, 개폐여부) 에 따라서도 달라진다.

인장 스프링

압축스프링과 유사하며 끝단 처리 (후크의 형태) 에 따라 달라진다.

판스프링

원형 단면을 가진 belleville 스프링과 리프 스프링 (leaf spring) 이 있다. 리프 스프링은 하중의 변화가 큰 트럭의 서스펜션에 주로 사용되는 비선형 스프링이다. 

대부분의 스프링 제작업체는 와이어포밍 (원하는 형상에 따라 선재를 가공함)도 수행한다.

압축스프링  인장스프링

http://www.kjspring.co.kr/sub3_2.php

http://www.wonspring.com/

---

재료

스프링 재료는 강도, 강성, 피로 한도가 클수록 대부분 유리하다. 강성은 적절한 값을 선택해야 한다. 소재는 열간 혹은 냉간 가공 (코일링, 스프링 형상으로 선재를 감는 것) 하며 열간은 선경 10~90 mm, 냉간은 0.1~10 mm 인 경우에 사용된다. 선경이 크면 당연히 가공에 큰 힘이 들어가므로 가공 힘을 줄이기 위해 고온에서 가공한다.

스프링에 사용하는 재료 (JIS 규격, KS도 유사함)

스프링 재료 선택에서 기계적 물성치이외에 내식성, 도전성, 비자기성, 내피로성 등을 고려해야 하는데 보통 내식성이 주요한 결정인자가 된다. 내식성이 없는 재료의 경우는 스프링이 부식이되어 녹과 같은 이물질이 발생할 수 있다. 내식성이 없는 재질에 내식성을 추가하려면 도금을 수행하면 된다. 도금을 하더라도 스프링 가이드 설계가 잘못되어 스프링과 가이드의 마찰이 발생하면 코팅이 벗겨지기도 하며 이러한 경우에 내식성을 잃어버려 재질의 부식이 발생할 수도 있다.

재료의 횡탄성계수 ( G ) - 단위 kg/mm2

JIS 규격에서 횡탄성계수로 나타내는 재질의 강성은 스프링강강재, 경강선, 피아노선, 오일템퍼선이 가장 크다. JIS 규격에 나타난 같은 스테인리스강이라도 300계열과 631J1은 강성이 다소 높은 점에 주의해야 한다.

JIS 나 KS 규격 상에 있는 재질(스프링강강재, 경강선, 피아노선, 오일템퍼선, 스테인리스 강선, 황동선, 양백선, 인청동선, 구리선) 이외에도 특수한 합금으로 니켈 합금 (Inconel, Monel), 티타늄합금 등이 사용되기도 한다. 또한 규격상에 나타난 스테인리스 강이외에 석출경화계 스테인리스 강 (17-7 PH, A286) 등이 사용되기도 한다. 일부 업체에서는 일부 합금의 재고가 없어 제작이 불가능하거나 지연되는 경우가 종종 있다.

강도는 보통 재질과 선경에 따른 값이 주어지며 설계 제한 조건으로 사용된다. 보통 상용스프링은 최대 변형에서의 응력이 인장강도의 일정한 배수 값 (약 0.4~0.5) 이하로 되게 설계한다. 따러서 큰 응력이 발생되는 스프링 (큰 변형, 큰 강성, 큰 힘 등) 에서는 강도가 높을수록 유리하다.

피로한도가 높을수록 수명이 높은 것은 당연하나 설계 과정에서는 보통 고려되지는 않는다. 이미 인장강도의 일정한 배수 값 이하라는 조건에 어느정도 고려가 되어 있다고 보아야 한다.

해외업체의 스프링 재료

http://www.springhouston.com/materials/

---

설계 

스프링 설계와 관련된 수식은 오래전부터 사용되어 이미 잘 알려져 있고 비슷비슷하다. 다소 수식이 많아 복잡하게 느껴질수도 있으나 수학적으로는 어렵지 않은 편이다. 중학교 수준의 연산만 하면 충분히 가능하다. 엑셀파일에서 A4 한페이지 분량 정도면 압축 코일 스프링 설계가 가능하다. 또한 인터넷 상에서 Java로 구현되어 쉽게 설계를 시도해 볼 수도 있다.

수식

http://www.kjspring.co.kr/sub3_3.php

압축 스프링 자동 계산식

http://www.kjspring.co.kr/sub3_4.php?m=1

http://www.efunda.com/designstandards/springs/calc_comp_designer.cfm

인장 스프링 자동 계산식

http://www.kjspring.co.kr/sub3_4.php?m=2

토션 스프링 자동 계산식

http://www.kjspring.co.kr/sub3_4.php?m=3

설계 수식

스프링 강성 k

k = G d^4 / (8 Na D^3)

스프링 강성은 횡성탄성 계수, 선경의 네제곱에 비례하고 유효권수, 코일 평균 직경의 세제곱에 반비례한다.

비틀림 응력 tau

τ0 = G d delta / (pi Na D^2)

비틀림 응력은 횡탄성 계수, 선경, 변위량에 비례하고 유효권수, 코일 평균 직경의 제곱에 반비례 한다.

스프링 설계의 가장 어려운 부분은 스프링 강성을 최대한 높이는 설계이다. 

스프링 강성을 높이는 설계 변수들을 조정하면 비틀림 응력도 함께 증가한다. 선경의 경우는 스프링 강성에는 네제곱에, 응력에는 정비례하므로 선경을 높이는 설계가 효과적이며, 평균 직경의 경우는 스프링 강성에는 세제곱에, 응력에는 제곱에 반비례하므로 평균 직경을 작게하는 설계가 효과적이다. 그러나 선경을 크게하고 평균직경을 작게하는 이러한 설계는 스프링 지수의 범위로 인하여 하한 비율 (4) 이 제한적이다.  

이러한 설계에서 재질은 탄성계수가 가장 크고 강도가 제일 큰 재료를 선택하는 것이 유리하다.

유효권수는 강성과 응력에 미치는 영향이 같아 변경 범위가 적다. 그리고 종횡비에도 제한을 받는다.

설계제한조건

비틀림 응력

일정 응력 이하이어야 한다.

스프링 지수 

스프링 지수가 작아지면 국부 응력이 과대해지고 스프링 지수가 큰 경우 및 작은 경우는 가공성이 문제가 된다. 따라서 스프링 지수는 열간으로 성형하는 경우에는 4~15, 냉간으로 성형하는 경우에는 4~22의 범위에서 선택하는 것이 좋다.

종횡비 (L/D)

압축 스프링의 종횡비(자유 높이와 코일 평균 직경과의 비율) 는 유효 권수의 확보를 위해 0.8 이상으로 하며, 또한 좌굴을 고려해서 일반적으로는 0.8~4.0의 범위에서 선택하는 것이 좋다.

유효 권수 

유효 권수는 3 미만에서는 스프링 특성이 불안정해지므로 3 이상으로 하는 것이 좋다.

피치 

피치가 0.5D를 넘으면 일반적으로 굴곡(하중)의 증가에 따라 코일 직경이 변화하므로, 기본식으로 구한 굴곡 및 뒤틀림 응력의 수정이 필요해지기 때문에 0.5D 이하로 한다

---

제작

세부적인 절차는 업체에 따라 다르다.

- 재료 준비 : 와이어

- 코일링 : 와이어를 요구되는 형상에 맞게 감음 (냉간은 상온에서, 열간은 고온에서 한 후 퀀칭).

- 열처리 : 코일링 과정에서 발생한 잔류 응력 제거, 취성 제거, 요구되는 스프링 강성을 맞추기 위해 (피아노 선의 경우는 260 도씨에서 한시간 유지하고 서서히 냉각함)

- 좌면 연마 혹은 그라인딩 : 대부분의 스프링은 끝단을 평평하게 만듬

- 쇼트피닝 : 내구성 향상을 위해 표면 잔류 응력 제거

- 세팅 : 영구변형 방지를 위해 최대한 압축을 함 (일부 업체는 여러번 수행함)

- 표면처리 : 부식방지 혹은 미관을 위해 도금이나 도장

- 검사 : 치수검사, 압축힘 측정, 수명시험 등 

http://www.kjspring.co.kr/sub1_7.php

http://www.wonspring.com/

종합

http://en.wikipedia.org/wiki/Coil_spring

http://www.springhouston.com/spring-information/reference-materials.html

http://www.efunda.com/designstandards/springs/spring_introduction.cfm

http://www.engineersedge.com/engineering/Products_Directory/Fastening_Joining_Assembly/Spring_Directory/Coil_Spring/

http://www.ist.org.uk/products.php

http://www.smihq.org/

http://www.leespring.com/

http://www.centuryspring.com/

표준

JIS B 2704-1:2009

Coil springs-part1:basic calculation methods on helical compression and extension springs

http://autoparts-standard.org/index/images/userfiles/media/JIS%20B2704-1-2009.pdf

JIS B 2704-2:2009

Coil springs-part2:

http://autoparts-standard.org/index/images/userfiles/media/JIS%20B2704-2-2009.pdf