스프링을 설계할 때 고려해야 하는 사항
횡탄성 계수
스프링의 설계에 이용하는 횡탄성 계수G의 값은 표 2를 따르는 것이 좋다.
표 2 횡탄성 계수(G)
| 재료 |
G의 값 N / mm 2 (kgf / mm 2 ) |
기호 |
| 스프링강 강재 |
78 × 103 {8 × 103} |
SUP6,7,9,9A, 10,11A 12,13 |
| 경강선 |
78 × 103 {8 × 103} |
SW-B, SW-C |
| 피아노 선 |
78 × 103 {8 × 103 } |
SWP |
| 오일 템퍼선 |
78 × 103 {8 × 103 } |
SWO, SWO-V, SWOC-V,
SWOSC-V, SWOSM, SWOSC-B |
| 스테인리스 강선 |
SUS 302 |
69 × 103 {7 × 103 } |
SUS 302 |
| SUS 304 |
SUS 304 |
| SUS 304N1 |
SUS 304N1 |
| SUS 316 |
SUS 316 |
| SUS 631 J1 |
74 × 103 {7.5 × 103 } |
SUS 631 J1 |
유효 감은 수
스프링의 설계에 이용하는 유효 감은 수는 다음을 따른다.
압축 스프링의 경우
Na = Nt- (X1 + X2)
(a)코일 선단만이 다음 자유 코일에 접하고 있는 경우[그림 2의 (a)～(c)에 상당한다]
X1 = X2 = 1
따라서 Na = Nt-2
(b)코일 선단이 다음 코일에 접하지 않고 자리 감김부의 길이 3/4 감김의 경우[그림 2 (e) 및 (f)에 상당한다]
X1 = X2 = 0.75
따라서 Na = Nt-1.5
인장 스프링의 경우
인장 스프링의 유효 감은 수는 다음을 따른다. 단, 훅 부분은 제외.
Na = Nt
응용 수정 계수
스프링 지수 c의 값에 대한 응력 수정 계수는 다음 식 또는 그림 1을 따른다.
표 2 횡탄성 계수(G)
밀착 높이
스프링의 밀착 높이는 일반적으로 다음 약산식으로 산출한다.
단, 압축 스프링의 밀착 높이는 일반적으로 발주자는 지정하지 않는다.
여기에서 (t1＋t2): 코일 양단부 각각의 두께의 합
그리고 특히 양단부 밀착 높이를 아래 그림의 (b), (c), (e) 및 (f)의 압축 스프링으로 지정해야 할 때는, 다음 식으로 구한 값을 밀착 높이의 최대값으로 지정하지만 스프링의 형상에 따라 이 값보다 커질 수 있으므로 주의를 요한다.
여기에 dmax : d 허용차의 최대 값을 취한 직경
그림 2 코일 단부 형상
인장 스프링의 초기 장력
밀착 감김의 냉간 성형 인장 코일 스프링에는 초기 장력 Pi가 발생한다.
이 경우 초기 장력은 다음 식으로 산출한다.
또한 피아노선, 경강선 등의 강선으로 밀착 감김을 성형하고 저온 어닐링하지 않은 경우의 초기 응력 τi는 그림 3의 사선 범위 내로 한다. 단, 강선 이외의 재질 및 저온 어닐링의 실시에 의해 그림 3의 사선 범위 내에서 판독한 초기 응력의 값을 다음과 같이 수정한다.
그림 3 초기 응력: τi(동선으로 성형된 저온 어닐링 전의 값)
(1) 스테인리스 강선의 경우 강선의 초기 응력의 15％ 감소로 한다.
(2) 성형 후 저온 어닐링을 실시하는 경우, 상기에서 구한 값에 대해 피아노선, 경강선 등의 강선에서 20～35％ 감소, 스테인리스 강선에서 15～25％ 감소로 한다.
참고 저온 어닐링 전의 초기 응력 값을 그림 3에서 판독하는 대신, 다음 경험식으로 산출해도 좋다.
피아노선 및 경강선의 경우 [G = 78 × 103 N / mm2 {8 × 103 kgf / mm2 }]
스테인리스 강선의 경우 [G = 69 × 103 N / mm2 {7 × 103 kgf / mm2 }]
서징
서징을 피하기 위해 스프링의 고유 진동수는 스프링에 작용하는 가진원의 모든 진동과 공진하지 않도록 선택해야 한다.
또한 스프링의 고유 진동수는 다음 식으로 산출한다.
강의 G = 78 × 103 N / mm2 {8 × 103 kgf / mm2 }
w = 76.93 × 10-6 N / mm3 {7.85 × 10-6 kgf / mm3 }과 봄 양단 자유 또는 고정하면 스프링의 1 차 고유 진동수는 다음 식에 따라 산출한다 .
기타 고려해야 하는 사항
스프링의 설계 계산에서는 다음과 같은 사항에 대해서도 고려해야 한다.
스프링 지수
스프링 지수가 작아지면 부분 응력이 과대해지고 또한 스프링 지수가 큰 경우 및 작은 경우는 가공성이 문제된다. 따라서 스프링 지수는 열간으로 성형하는 경우 4～15, 냉간으로 성형하는 경우는 4～22의 범위에서 선택하면 좋다.
종횡비
압축 스프링의 종횡비(자유 높이와 코일 평균 직경의 비율)는 유효 감은 수를 확보하기 위해 0.8 이상으로 하고 또한 좌굴을 고려하여 일반적으로 0.8～4의 범위에서 선택하면 좋다.
유효 감은 수
유효 감은 수는 3 미만에서 스프링 특성이 불안정하므로 3 이상으로 하는 것이 좋다.
피치
피치가 0.5D를 초과하면 일반적으로 휨(하중)이 증가하면서 코일 직경이 변화하기 때문에, 기본식에서 구한 휨 및 비틀림 응력을 수정해야 하므로0.5D 이하로 한다. 또한 일반적으로 피치의 추정은 다음 약산식을 따른다.
