스프링 기본 사항 101: 전체 가이드

스프링은 탄성 특성으로 인해 기계 및 전자 산업 모두에서 널리 사용됩니다.

스프링에 하중이 가해지면 상당한 탄성 변형이 발생하여 기계적 일 또는 운동 에너지가 저장된 변형 에너지로 변환됩니다.

하중이 풀리면 스프링은 원래 상태로 돌아가며, 저장된 변형 에너지는 다시 기계적 일 또는 운동 에너지로 변환됩니다.

스프링 하중과 스프링 변형 사이의 관계를 스프링 강성이라고 합니다. 강성이 높을수록 스프링이 더 단단해집니다.

1. 스프링의 기능

스프링의 기능은 다음과 같습니다:

• 자동차 및 기차 서스펜션에 사용되는 댐핑 스프링과 다양한 완충 시스템과 같은 완충 및 감쇠 장치.
• 내연 기관의 밸브 스프링, 클러치의 제어 스프링과 같은 메커니즘의 움직임을 제어합니다.
• 시계 스프링과 건 래치 스프링과 같은 에너지 저장 및 방출.
• 스프링 저울이나 동력계의 스프링과 같은 힘을 측정합니다.

2. 스프링의 분류

스프링은 응력 특성에 따라 인장 스프링, 압축 스프링, 비틀림 스프링, 굽힘 스프링의 네 가지 유형으로 분류할 수 있습니다.

텐션 스프링은 축 방향 장력이 발생하는 코일 스프링의 일종입니다.

이러한 스프링은 일반적으로 원형 단면 재료로 만들어집니다.

장력 스프링의 코일은 하중을 받지 않을 때는 일반적으로 코일 사이에 틈이 없이 단단히 감겨 있습니다.

압축 스프링은 압축력을 견디도록 설계된 헬리컬 스프링의 일종입니다.

압축 스프링의 단면은 일반적으로 원형이지만 직사각형 또는 다중 가닥 강철로 만들 수도 있습니다.

이러한 스프링은 일반적으로 동일한 피치를 가지며 코일 사이에 작은 공간이 있습니다.

외부 하중을 받으면 압축 스프링이 압축되어 변형되고 그 변형에너지를 저장합니다.

토션 스프링은 코일 스프링의 일종입니다.

스프링 본체의 중심 축을 중심으로 포스 암을 회전시켜 각 에너지를 저장 및 방출하거나 장치를 정적 위치에 유지할 수 있습니다.

토션 스프링의 끝은 다른 구성 요소에 고정되어 있으며, 이러한 구성 요소가 스프링의 중심을 중심으로 회전하면 스프링이 원래 위치로 당겨서 토크 또는 회전력을 발생시킵니다.

일반적인 스프링의 종류에어 스프링과 탄소 나노튜브 스프링이라는 두 가지 색다른 유형도 있습니다.

에어 스프링은 비금속 스프링은 공기의 압축성을 활용하여 유연한 밀폐 용기에 가압된 공기를 넣어 탄성 효과를 만들어냅니다.

고급 차량 서스펜션 시스템에 사용되는 에어 스프링은 승차감을 크게 향상시켜 자동차 및 철도 기관차에서 널리 사용됩니다.

탄소 나노튜브 스프링은 탄소 나노튜브 필름을 준비하는 것부터 시작하여 방적 기술로 만들어집니다.

직경 수백 마이크론, 길이 수 센티미터의 탄소 나노튜브 스프링은 개폐식 도체, 유연한 전극, 마이크로 스트레인 센서, 슈퍼 커패시터, 집적 회로, 태양 전지, 전계 방출원, 에너지 분산 섬유 등 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 잠재력이 있습니다. 또한 장력 감지 붕대와 같은 의료 기기에도 사용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

3. 스프링 재질 및 허용 응력

스프링은 작동 중에 교대 하중과 충격 하중을 받는 경우가 많으며 상당한 변형을 겪어야 합니다. 따라서 스프링을 만드는 데 사용되는 소재는 인장 강도와 탄성 한계가 높아야 합니다. 피로 강도.

또한 제조 공정은 충분한 경화성, 다음에 대한 내성, 저항성을 가져야 합니다. 탈탄그리고 좋은 표면 품질을 제공합니다.

일반적인 스프링 재질 및 허용 전단 응력

참고:

• 스프링은 하중을 받는 사이클 수에 따라 세 가지 범주로 분류할 수 있습니다: 유형 I, n > 10⁶유형 II, n = 10³ ~ 10⁵ 및 충격 하중을 받는 경우, 그리고 n < 10인 유형 III³.
• 섀클 텐션 스프링의 허용 응력은 표에 나열된 값의 80%입니다. 스프링에 강한 압력 처리를 하면 허용 응력이 20%까지 증가할 수 있습니다.
• 탄소 케이블 스프링강은 기계적 특성에 따라 4가지 그룹으로 나뉘며, 그룹 1은 인장 강도가 가장 높고, 그룹 2는 두 번째, 그룹 3은 가장 낮으며, 그룹 4는 인장 강도는 그룹 2와 같지만 가소성이 더 우수합니다.

탄소 케이블 스프링 강선의 Sb는 표에서 확인할 수 있습니다.

탄소 스프링 강선의 강도

4. 스프링 제조

코일 스프링을 제작하는 과정에는 압연, 후크 제작 또는 엔드 페이스 링 완성, 열처리 및 성능 테스트가 포함됩니다.

대규모 생산에서는 범용 자동 코일링 기계를 사용하여 스프링을 압연합니다. 개별 부품 또는 소량 생산의 경우 전통적인 선반을 사용하거나 수작업으로 제작합니다. 스프링 와이어의 직경이 8mm 이하인 경우 일반적으로 콜드 코일링 방식을 사용합니다.

코일링 전에는 열처리가 필요하며, 코일링 후에는 저온 템퍼링이 필요합니다. 직경이 8mm보다 큰 경우 800°C~1000°C 범위의 온도에서 열간 코일링 방법을 사용해야 합니다. 열간 코일링 후 스프링은 다음과 같아야 합니다. 담금질 및 템퍼링 중간 온도에서.

스프링이 형성된 후에는 표면 품질 검사를 수행하여 매끈하고 흉터와 같은 결함이 없는지 확인해야 합니다, 탈탄및 기타 결함. 가변 하중을 받는 스프링은 또한 표면 처리샷 피닝 등 피로 수명을 개선하기 위해 사용합니다.

5. 스프링의 끝 구조

압축 스프링의 변형에 참여하는 유효 회전 수 N은 스프링이 균일하게 작동하고 중심선이 끝면과 수직이 되도록 하는 데 매우 중요합니다.

이를 위해 스프링의 양쪽 끝에 데드 서클 또는 지지 링이라고 하는 단단한 지지 역할을 하는 3/4~7/4 회전이 있습니다. 이러한 회전은 작업 중 변형에 관여하지 않습니다.

텐션 스프링의 끝에는 설치 및 적재를 위한 후크가 장착되어 있으며, 반원형 걸쇠, 원형 걸쇠, 조절 가능한 후크, 회전 가능한 후크의 네 가지 일반적인 유형의 끝 구조가 있습니다.

반원형 및 원형 걸쇠는 제조가 쉽고 널리 사용되지만 후크 전환 시 굽힘 응력이 높기 때문에 스프링 와이어 직경 d ≤ 10mm의 스프링에만 적합합니다. 반면에 조절 및 회전 가능한 후크는 응력 조건이 양호하고 원하는 위치로 돌릴 수 있어 설치가 용이합니다.

6. 스프링의 응력 계산

압축 스프링의 응력 분석

그림 (a)는 축 방향 작업 하중 F를 견디는 원통형 헬리컬 압축 스프링을 보여줍니다.

단면법 분석에 따르면 스프링 와이어 섹션에는 전단력 F와 토크 T가 모두 작용하며, 토크는 F에 D를 2로 나눈 값과 같습니다. 토크는 전단 응력을 발생시키며, 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

전단력 F와 스프링 와이어의 나선형 곡률에 의해 발생하는 전단 응력의 영향을 고려하면 그림 (b)와 같이 스프링의 안쪽에서 최대 전단 응력 t를 찾을 수 있습니다. 그 값과 강도 조건은 다음과 같습니다:

Where,

C - 권선 비율,

C = D / D, 표 1에 따라 선택할 수 있습니다.

K - 스프링 곡률 계수입니다,

K는 표 2에서 직접 확인할 수도 있습니다.

표를 보면 C가 클수록 K가 T에 미치는 영향이 작아진다는 것을 알 수 있습니다;

F - 스프링의 작동 부하, N;

D - 스프링의 피치 직경, mm;

D - 재료 직경 mm.

표 1 권선 비율 권장 값

표 2 곡률 계수 K

방정식 1에서 강도 조건에 따른 스프링 강선의 직경을 계산하는 공식은 f를 스프링의 최대 작동 하중 F2로 대체하면 얻을 수 있습니다:

인장 스프링의 강도를 계산하는 방법은 압축 스프링의 강도를 계산하는 방법과 동일합니다.

7. 스프링이 제자리에 있지 않으며 실패 이유

실제 작업에서는 스프링이 움직이는 물체를 지정된 위치로 밀어낼 수 없어 계산된 스프링의 자유 길이가 짧아지는 상황이 흔히 발생합니다.

이 문제의 원인은 스프링을 압축 높이까지 압축하거나 필요한 경우 상당한 힘을 사용하여 높이를 조인 다음 스프링을 풀어 원래의 자유 길이로 돌아가도록 하는 초기 압축 처리의 부족입니다.

스프링이 짧아진 양을 "초기 압축 수축"이라고 합니다.

일반적으로 3~6회 압축을 받으면 스프링의 길이가 더 이상 짧아지지 않고 "제자리에 안착"하게 됩니다.

초기 압축을 거친 후에는 스프링이 영구적으로 변형된다는 점에 유의해야 합니다.

8. 봄철 주의 사항

실제 적용에서 압축 스프링은 재료의 탄성 한계를 초과하는 힘을 받더라도 작동 길이를 유지할 수 있어야 합니다.

결과적으로 완성된 스프링의 길이는 계산된 스프링의 길이에 초기 압축 수축을 더한 길이와 같아야 합니다. 이렇게 하면 스프링이 제자리에 있지 않고 스프링 코일이 함께 조여져 스프링이 비정상적으로 휘어지는 위험한 응력의 위험을 줄일 수 있습니다.

완성된 스프링의 열처리, 특히 경화 및 템퍼링 공정에서는 자체 무게로 인해 스프링이 짧아져 작동이 제대로 되지 않는 것을 방지하기 위해 공작물을 용광로에 수평으로(눕혀서) 놓는 것이 중요합니다.