올바른 스프링 선택 Tip 8
올바른 스프링 선택 Tip 8
  • 오현식 기자
  • 승인 2019.01.30 13:11
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1. 설계 문제 정의
필요한 스프링 종류는 적용 분야에 따라 다르다. 가장 먼저 압축, 장력 또는 토크와 같은 필요한 힘의 유형을 살핀 다음 치수 제약 조건도 검토해야 한다. 가끔씩 동일한 애플리케이션에서 두 가지 이상의 스프링 유형을 구성할 수 있기 때문이다. 하지만 대부분의 경우에는 사용 가능한 공간에서 한 가지 유형만 작동한다.

2. 스프링 구성의 선택
스프링은 다양한 구성으로 제공된다. 예를 들어 압축 스프링은 원형 또는 와이어 형태로 제공된다. 또 피치를 조절하여 가변 속도 스프링도 만들 수 있다. 와셔형 스프링에는 웨이브 와셔, 홈 붙이 와셔 및 곡선 와셔가 있으며, 모두 낮은 하중에서 높은 하중까지 처리할 수 있다. 이들 외에도 다양한 스프링 유형이 존재하기 때문에 설계 초기 단계에서 공급 업체 추가 제안 사항을 문의하는 것이 좋다.

3. 적절한 소재 선택
이상적인 스프링 소재는 높은 강도를 가지면서 부식에 강하고, 고온에 견딜 수 있다. 또 적은 공간에서 작동할 수 있는 낮은 계수를 갖기도 한다. 물론 저렴하고 쉽게 사용할 수 있어야 한다. 단일 물질이 이들 요소를 모두 포함할 수 없기에 중요성에 따라 소재를 선택해야 한다. 철사는 저렴하고 인장 강도가 우수한 소재이며, 피아노 선은 가벼운 애플리케이션에 적합한 스프링 소재이다. 강도와 내충격성을 높이기 위해서는 크롬 실리콘과 같은 합금강이 적절한 선택이며, 니켈 합금은 강도와 내부식성이 뛰어나다.

4. 스트레스 수준에 맞는 디자인
필요한 힘과 사용 가능한 공간이 결정되면, 다음 단계는 예비 스프링 설계이다. 인터넷에는 단순한 스프링 디자인 계산기뿐 아니라 상업적으로 이용 가능한 스프링 디자인 프로그램이 존재한다. 스프링 설계 프로그램을 통해 스프링의 과압(예 : 와이어 최소 인장 강도의 45% 이상)과 수명주기에 대한 도움을 얻을 수 있다. 

5. 높은 스트레스의 극복
높은 스트레스 극복에 도움이되는 두 가지 주요 제조 공정이 있다. 하나는 스프링 설정으로 필요한 높이보다 더 큰 높이로 스프링을 감고 압축하여 소성 변형을 유도하는 방법이며, 다른 하나는 조절 된 속도의 펠렛 (샷)을 사용하여 스프링을 제어 된 속도로 충돌 시킴으로써 표면 경화를 일으키는 샷 피닝이다. 이 작업을 통해 압축 잔류 응력이 생겨 피로 수명이 크게 향상된다. 

6. 부정적 요인 최소화
자주 간과되는 매개 변수 중 하나가 스프링 인덱스이다. 이는 평균 직경을 와이어 크기로 나눈 값으로 정의되는데, 6에서 10사이가 이상적인 수치이다. 인덱스가 4보다 작은 스프링은 형성이 어려우며, 인덱스가 10보다 높은 스프링은 높은 공차를 필요로 한다. 

7. 지정 전 최적화
스프링 크기와 유형을 결정했다면, 이제 스프링 설계를 최적화할 때이다. 먼저 필요한 힘, 처짐, 수명 등 요구되는 모든 사항을 검토하고, 스프링의 최종 설계를 실행한다. 스프링 매개 변수를 변경하는 경우에는 다른 매개 변수에 영향을 주지 않도록 해당 매개 변수를 재검토해야 한다. 

8. 요구되는 허용 오차 정의
공차를 가능한 한 넓게 유지하는 것이 좋다. 가공 작업을 위한 표준인 공차는 스프링에 대해서는 엄격한 것으로 간주된다. 즉 이로 인해 불필요한 비용이 추가될 수 있는 것이다. 두 개의 로드가 지정된 경우,  여유 길이를 참조해야 한다. 일반적으로 선형 범위 내에서 ±10 %의 공차가 표준으로 고려되며 공차가 클수록 스프링 비용이 추가될 수 있다. 


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