기계설계 : 압축 코일스프링 계산식 정리

# 1. 압축 코일 스프링 계산

: 스프링이란 원래는 힘을 가하면 형태가 변화하고, 그 힘을 다시 제거하게 되면 

 원래의 형태로 되돌아가는 탄력성 물체입니다.

: 압축 코일 스프링은 하중의 방향이 말 그대로 스프링을 압축할 때 사용하는 계산법입니다.

: 예를 들면 볼펜 안에 있는 스프링 또는 어렸을 때 스카이 콩콩?? 같은 원리라고 생각하면 

  될 것 같습니다.

# 2. 스프링 재료의 특성 

2.1 금속 스프링 

: 강 스프링과 비철 스프링이 있으며, 강 스프링은 합금강과 탄소강, 비철 스프링은 동합금 또는 니켈 합금이 사용됩니다

2.1 비금속 스프링 

: 고무, 실리콘 스폰지, 쇼바 ( 가스 스프링 ), 에어 스프링, 액체 스프링,  FRP 가 있습니다.

표 2.3 (= KS 규격)

종류	기 호	전단(가로) 탄성계수 G [ N/㎟ ]	종 (세로) 탄성계수 G [ N/㎟ ]	용도
				일반	도전	비자	내열	내식	내피로
스프링 강재 (D 3701)	SPS(=SUP) 6 , 7 , 9 , 9A, 11A , 12, 13			●
경강선 (D 3510)	SW-B , SW-C			●
피아노선 (D 3556)	SWP			●
오일 템퍼선 (D 3579)	SWO			●					●
스테인리스 강선 (D 3535)	STS302, 304, 316			●				●
	STS 631J1						●
황동선 (D 5101)	C 2600W C 2700W C 2800W				●	●		●
양백선 (D 5102)	C 7521W C 7541W C 7701W				●	●		●
인청동선 (D 5102)	C 5102W C 5191W  C 5212W				●	●		●
베릴륨동선 (D 5102)	C 1720W				●	●		●

# 3. 스프링 모양에 따른 분류

3.1 코일 스프링 ( Coil Spring )

: 하중방향에 따라 압축 코일 스프링과 인장 코일 스프링으로 분류됩니다.

: 비틀림을 받는 비틀림 코일 스프링도 있습니다.

3.2 겹판 스프링 ( Leaf spring )

: 자동차의 현가장치에 적용되며, 너비가 넓고 얇은 판 ( ex 평철 ) 을 여러장 겹쳐서 사용합니다.

3.3 토션바 ( Torsion bar )

: 원형봉 ( ex 문 손잡이 ) 에 비틀림모멘트를 가하여 변형이 생기는 원리를 이용합니다.

3.4 태엽 스프링 ( Sprial spring )

: 시계 태엽, 태엽으로 구성된 장난감 등에 이용되며 변형 ( 철판이 말아져 있는 형상 )에너지를 저장하였다가, 회복되면서 움직이는 원리입니다.

3.5 벌류트 스프링 ( Volute spring )

: 태엽 스프링은 수직방향으로 감아 올려 사용하는 것으로 압축용으로 쓰입니다.

3.6 접시 스프링 ( Disk spring )

: 원추모양의 와셔처럼 생겼으며, 프레스의 완충 작용에 쓰입니다. 

3.7 와이어 스프링 ( Wire spring )

: 탄성에 강한 선형재료로 여러가지 모양으로 만들어 탄성에 의한 복원력을 이용합니다.

3.8 스프링 와셔 ( Spring washer )

: 볼트와 너트 사이에서 부품 또는 장비 체결용으로 사용됩니다.

# 4. 식 정리

4.1 스프링지수 (C) 

: 스프링지수는 소선의 지름에 대한 스프링의 평균 지름의 비입니다.

d = 소선의 지름 ( 스프링 선의 지름 )

D = 스프링 전체의 평균지름 ( (코일 스프링 외경 + 내경) / 2 )

r  = 소선의 반지름

R = 스프링 전체의 반지름

4.2 전단응력 ( τ )

4.2.1 스프링 소선에 작용하는 비틀림 모멘트 T

T = D·P/2

4.2.2 비틀림 모멘트에 의한 전단응력

   

4.2.3 위 두식을 연립하면

4.2.4 왈의 응력수정계수

: 위 식의 이론적인 응력값은 실제 실험값에 비해 약간 작게 나타나므로 계수를 적용합니다.

4.2.5 최종

4.3 스프링의 유효감김수, 처짐량 식

4.3.1 유효감김수 (n)

: 코일 스프링에 감겨져 있는 총수를 온 감김수, 스프링의 양 끝 변형하지 않는 감김수를 무효감김수라고 합니다.

유효감김수 (n) = 온감김수 (Nt) - 무효감김수 (N1)

참고로 무효감김수는 양 끝 선의 수 " 2 " 라고 들은 기억이 있어요.. 정확성은.. 좀 떨어짐 ㅎㅎ;;

4.3.2 스프링 소선의 유효 길이 L

: L ≒ πdn

4.3.3 스프링의 처짐량 (변위) δ

4.3.4 스프링 상수 k

G = 스프링 선 재질의 가로탄성계수

d = 스프링 선 지름

n = 유효감김수

D = 스프링 전체의 평균지름

4.3.5 내부 탄성에너지 ( U )

4.3.6 스프링선 ( 소선 )의 유효길이가 차지하는 부피(체적)

위 내용은 개인적인 학습을 통해 정리한 자료를 토대로 작성하였습니다. 

도움이 되시길 바랍니다.

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자료 첨부 :     스프링 설계자료 FILE DOWNLOAD

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