압축 스프링은 압축될 때 기계적 에너지를 저장하고 하중이 제거될 때 기계적 에너지를 방출합니다. 압축 스프링은 일반적으로 스프링 강으로 만들어지지만 탄소, 마그네슘, 니켈, 크롬, 주석, 구리, 텅스텐 및 알루미늄을 포함할 수도 있습니다.
다양한 재료는 압축 스프링에 대해 다양한 수준의 탄성과 에너지 저장 용량을 생성합니다.
로버트 훅(Robert Hooke)은 1676년에 용수철의 신장에 비례하는 힘을 계산하기 위한 공식을 제안했습니다.
압축 스프링은 축 압축 하중을 감지하도록 특별히 설계된 기계 장치입니다. 일반적으로 한 지점으로 늘어나거나 회전할 수도 있습니다. 일반적으로 압축 스프링은 압축 하중을 받을 때 기계적 에너지를 저장할 수 있습니다. 하중이 제거되면 탄성 변형을 통해 원래의 모양과 크기로 돌아갑니다.
위치 에너지를 저장하는 이러한 독특한 능력과 상대적인 단순성 및 경제성이 결합되어 압축 스프링은 광범위한 응용 분야에서 가치가 있습니다. 기계식 키보드 버튼, 매트리스, 볼펜부터 총기류, 자동차 서스펜션 충격 흡수 장치까지. 15세기부터 우리는 압축 스프링을 사용해 왔으며, 최초의 압축 스프링은 시계 장치에 사용되었습니다.
압축 스프링의 종류
압축 스프링은 다양한 기하학적 형태를 가질 수 있습니다. 가장 일반적인 것은 코일 또는 나선형 스프링입니다. 이 모양은 원활한 높은 압축과 한 지점까지의 확장이 가능하기 때문에 다른 모양보다 더 인기가 있습니다. 또한 압축 하중 흡수 요구 사항을 충족하기 위해 더 적은 수의 재료를 사용하기 때문에 더 가볍습니다. 마지막으로, 코일 스프링의 모양은 이 유형에 상대적으로 큰 스프링 상수를 제공합니다(이에 대해서는 나중에 자세히 설명합니다).
이 범주는 다음을 포함하는 하위 범주로 더 나뉩니다.
압축 스프링의 재질
압축 스프링은 일반적으로 높은 항복 강도를 갖는 강철 유형인 스프링 강철로 만들어집니다. 이를 통해 극단적으로 변형되더라도 원래의 모양, 크기 및 모양을 유지할 수 있습니다. 따라서 이들 강은 응력 하에서 큰 탄성 변형 공간을 갖습니다. 이는 분자 수준에서 발생하므로 이러한 강철의 구성은 탄성에 상당한 영향을 미칩니다.
일반적으로 스프링 강에는 탄소와 망간뿐만 아니라 니켈, 크롬, 몰리브덴, 주석, 바나듐, 구리, 철, 텅스텐 및 알루미늄이 포함되어 있습니다. 스프링 강은 항복 강도와 경도를 기준으로 공식 ASTM에 의해 분류되므로 다양한 재료 구성이 다양한 응용 분야에 적합할 수 있습니다. 예를 들어 ASTM A228은 피아노 현에 사용되며 0.7% -1% 탄소와 0.2% -0.6% 망간을 함유하고 최대 수율을 나타냅니다. 강도는 530메가파스칼이고 인장강도는 400메가파스칼입니다.
압축 스프링의 특성
이 섹션에서는 가장 널리 사용되는 압축 스프링인 코일형 코일 스프링을 소개하는 데 중점을 둘 것입니다. 이 스프링은 성능에 큰 의미를 갖는 특정 특성을 가지고 있습니다. 외경(D)은 위에서 보았을 때 스프링에 의해 형성된 원통의 직경을 나타냅니다. 코일 직경은 역시 원통형인 스프링 와이어의 두께(d)를 나타냅니다. 자유 길이(L)는 압축되지 않은 스프링의 전체 길이를 의미하고, 유효 나선(na)과 전체 나선(n)은 기계적 에너지를 저장하고 방출하는 코일 수와 버스 코일 수( 적어도 2개는 스프링의 끝/베이스 전용입니다. 또 다른 중요한 형태학적 속성은 왼쪽이나 오른쪽이 될 수 있는 회전 방향입니다.
스프링에 의해 가해지는 힘은 첫 번째 스프링이 적용된 후 몇 년 내에 1676년 Robert Hooke가 제안한 법칙인 신장률에 비례합니다. Hooke는 이 공식을 세상에 소개했습니다. "F=- kx", 여기서 F는 스프링 힘, x는 신축 거리, k는 스프링 상수입니다. 각 스프링은 다르며 제조업체가 실험을 통해 결정하거나 사용자가 공식을 통해 결정합니다. K=Gd4/[83dna]. 앞서 언급했듯이 배럴 및 원추형 코일은 비선형 스프링이므로 Hooke의 법칙이 적용되지 않습니다. Hooke의 법칙은 이미 변형되었거나 일반적인 탄성 한계를 초과한 스프링에는 적용되지 않습니다.
완전히 압축된 스프링의 힘
완전히 압축된 스프링의 힘을 계산하기 위해 다음 공식을 사용할 수 있습니다. Fmax=Ed4(L-nd)/[16(1)+ ν)(Dd) 3n]. E는 영률, d는 강선의 직경, L은 자유 길이, n은 유효 나선/코일 수, ν는 푸아송 비, D는 외경입니다. 그 중 일부는 설계자가 선택한 강철에 따라 결정되는 반면 다른 일부는 스프링의 형태, 모양 및 크기에 따라 결정되는 것은 분명합니다.
디자인 고려 사항
압축 스프링을 설계할 때 가장 먼저 결정해야 할 것은 어떤 재료를 사용할지입니다. 그런 다음 데이터 테이블에서 전단 계수(G)와 인장 강도(TS)를 찾습니다. 이 두 요소는 예를 들어 하중 요구 사항(100* σ/)을 계산할 때 응력 비율을 결정하는 데 중요합니다. 인장 강도를 기준으로 특정 하중이 유도될 때 스프링이 압축되는 정도를 계산합니다.
또 다른 중요한 고려 사항은 최대 지점까지 압축될 때 스프링의 직경입니다. 나선형 압축 스프링은 압축 중에 직경이 증가하는 경향이 있습니다. 따라서 "팽창={sz [(Dd) 2+(p2-d2/π 2)+d] - D}" 공식을 사용하여 이 전개를 계산하는 것이 중요합니다.
스프링의 지수는 중요하며 설계자는 이를 4~10 범위 내에서 유지하려고 합니다. 계산 방법은 "C=(Dd/d)"로 와이어의 비율에 대한 좋은 개념을 제공합니다. 두께 대 스프링 직경. 이는 스프링의 전체 강도를 결정합니다(작을수록 강하지만 클수록 압축하기 쉽습니다).
