스프링의 종류

스프링은 에너지를 저장하고 방출하여 힘이나 토크에 대한 저항을 제공하는 필수적인 기계 구성 요소입니다. 자동차 서스펜션 시스템부터 소비자 제품에 이르기까지 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 이 기사에서는 하중 적용, 힘-변위 특성 및 제조 방법에 따라 다양한 유형의 스프링을 살펴봅니다.

하중이 적용되는 방식에 따른 분류

압축 스프링

압축 스프링은 가장 일반적인 유형의 스프링 중 하나입니다. 압축 스프링은 축 방향으로 가해지는 압축력을 저항하도록 설계되어 압축 시 기계적 에너지를 저장하고 하중이 제거되면 방출합니다. 이러한 스프링은 자동차 서스펜션 시스템, 산업 기계, 펜 및 쥐덫과 같은 소비자 제품을 포함하여 광범위한 응용 분야가 있습니다.

압축 스프링은 일반적으로 나선형으로 감긴 둥근 와이어로 만들어지며, 길이 전체에 걸쳐 일정한 직경을 갖습니다. 재료 선택은 하중 용량, 내식성 및 내열성과 같은 특정 응용 분야 요구 사항에 따라 달라집니다. 일반적인 재료로는 스프링 강철, 스테인리스 강철 및 인청동이 있습니다.

확장 스프링

인장 스프링이라고도 알려진 확장 스프링은 축 방향으로 가해지는 인장력을 저항하도록 설계되었습니다. 늘어지면 기계적 에너지를 저장하고 하중이 제거되면 방출합니다. 확장 스프링은 일반적으로 차고 도어 시스템, 농업 장비 및 운동 장비에 사용됩니다.

확장 스프링은 와이어를 나선형으로 감아서 만들고, 각 끝에 부착을 위한 후크나 루프를 형성합니다. 스프링의 초기 장력은 열처리 전에 스프링을 특정 길이로 늘리는 제조 공정에 의해 결정됩니다.

토션 스프링

토션 스프링은 축을 중심으로 가해지는 회전력 또는 토크에 저항하도록 설계되었습니다. 비틀면 기계적 에너지를 저장하고 토크가 제거되면 방출합니다. 토션 스프링은 도어 힌지, 자동차 시트 리클라이너, 윈도우 쉐이드 롤러를 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

토션 스프링은 일반적으로 직사각형 또는 정사각형 와이어를 나선형 모양으로 감아서 만들고, 끝은 부착을 위해 특정 모양으로 형성합니다. 재료 선택은 필요한 스프링 속도, 피로 수명 및 환경 조건에 따라 달라집니다. 일반적인 재료에는 스프링 강철과 스테인리스 강철이 있습니다.

힘과 변위에 따른 분류

선형 스프링

선형 스프링은 일정한 스프링 속도를 보입니다. 즉, 스프링을 압축하거나 늘리는 데 필요한 힘은 변위에 직접 비례합니다.

이 선형 관계는 후크의 법칙에 의해 설명됩니다: F = kx,

어디:

F는 힘이며,

k는 스프링 상수이고,

x는 변위입니다.

선형 스프링은 자동차 서스펜션 시스템 및 산업 기계와 같이 일관된 힘-변위 관계가 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 일반적으로 나선형으로 감긴 둥근 와이어로 만들어지며 길이 전체에 걸쳐 일정한 직경을 갖습니다.

가변 속도 스프링

가변 속도 스프링은 비선형 스프링이라고도 하며, 압축되거나 확장될 때 스프링 속도가 변합니다. 즉, 스프링을 압축하거나 확장하는 데 필요한 힘이 변위에 따라 비선형적으로 변합니다. 가변 속도 스프링은 자동차 밸브 스프링 및 오프로드 차량 서스펜션 시스템과 같이 특정 힘-변위 프로파일이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다.

가변 속도 스프링은 스프링 길이를 따라 코일 직경, 피치 또는 와이어 직경을 변경하여 설계할 수 있습니다. 원뿔형 스프링과 통 모양 스프링은 코일 직경이 스프링 길이를 따라 변하는 가변 속도 스프링의 예입니다.

일정한 힘의 스프링

일정 힘 스프링은 특정 범위의 동작에 걸쳐 일정한 힘 출력을 제공하도록 설계되었습니다. 일반적으로 스테인리스 스틸과 같은 사전 응력을 받은 소재 스트립으로 만들어지며 나선형으로 감겨 있습니다. 스프링이 확장되면 소재가 코일에서 풀리면서 동작 범위 전체에 걸쳐 일정한 힘을 유지합니다.

일정한 힘 스프링은 카운터밸런스 메커니즘, 도어 클로저, 텐셔닝 장치와 같이 일정한 힘이 필요한 응용 분야에서 사용됩니다. 이 스프링은 소형 크기, 긴 서비스 수명, 동작 범위에 걸친 일관된 성능과 같은 장점을 제공합니다.

제조방법에 따른 분류

코일 스프링

코일 스프링은 와이어를 나선형으로 감아 만든 가장 일반적인 유형의 스프링입니다. 응용 프로그램 요구 사항에 따라 압축, 확장 또는 토션 스프링으로 설계할 수 있습니다. 코일 스프링은 핫 코일링, 콜드 코일링 및 CNC 코일링을 포함한 다양한 방법을 사용하여 제조됩니다.

제조 방법의 선택은 스프링 소재, 와이어 직경, 생산량과 같은 요인에 따라 달라집니다. 핫 코일링은 일반적으로 더 큰 와이어 직경과 고강도 소재에 사용되는 반면, 콜드 코일링은 더 작은 와이어 직경과 강도가 낮은 소재에 사용됩니다. CNC 코일링은 높은 정밀도와 유연성을 제공하여 복잡한 스프링 형상을 생산할 수 있습니다.

플랫 스프링스

플랫 스프링은 일반적으로 스프링 강철 또는 스테인리스 강철과 같은 평평한 재료 스트립으로 만들어지며, 리프 스프링, 벨빌 와셔, 웨이브 스프링과 같은 다양한 모양으로 형성됩니다. 특정 구성에 따라 굽힘 또는 압축력에 대한 저항을 제공하도록 설계되었습니다.

리프 스프링은 자동차 서스펜션 시스템, 특히 중장비 차량에 일반적으로 사용되어 차량의 무게를 지지하고 충격 흡수를 제공합니다. 리프 스프링은 여러 겹의 곡선 스프링 강철(리프라고 함)로 구성되어 있으며, 서로 겹쳐져 있고 스프링 섀클을 사용하여 끝부분이 연결됩니다.

벨빌 와셔는 디스크 스프링이라고도 하며, 축 방향 하중에 대한 저항력을 제공하는 원뿔 모양의 와셔입니다. 다음과 같이 쌓을 수 있습니다. 직렬 또는 병렬 원하는 하중-변형 특성을 달성하므로 공간이 제한적이고 하중 요구 사항이 높은 응용 분야에 적합합니다.

웨이브 스프링은 평평한 와이어를 물결 모양으로 형성하여 축 하중에 대한 저항성을 제공하는 동시에 최소한의 공간을 차지합니다. 항공우주 및 산업 장비와 같이 높은 하중과 작은 처짐이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.

디스크 스프링

디스크 스프링은 벨빌 스프링이라고도 하며, 축 방향 하중에 대한 저항력을 제공하는 원뿔 모양의 와셔입니다. 특정 원뿔 각도와 내경 및 외경을 가진 평평한 원형 디스크를 스탬핑 또는 단조하여 만듭니다. 디스크 스프링은 원하는 하중-변형 특성을 달성하기 위해 직렬 또는 병렬로 쌓을 수 있습니다.

디스크 스프링은 높은 하중 용량, 작은 처짐, 컴팩트한 크기를 포함하여 기존 코일 스프링에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다. 디스크 스프링은 중장비, 자동차 클러치, 밸브와 같이 높은 하중과 제한된 공간이 중요한 요소인 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

가공된 스프링

기계 가공 스프링은 밀링, 터닝, 연삭과 같은 CNC 기계 가공 공정을 사용하여 제조된 맞춤 설계 스프링입니다. 일반적으로 스프링 강철, 스테인리스 강철 또는 티타늄과 같은 재료의 단단한 막대 또는 튜브로 만들어지며 특정 하중 처짐 요구 사항을 충족하도록 설계할 수 있습니다.

기계 가공 스프링은 고정밀, 복잡한 형상, 장착 구멍 및 나사산과 같은 기능을 통합하는 기능을 포함하여 기존 스프링 제조 방법에 비해 여러 가지 이점을 제공합니다. 항공우주, 의료 기기 및 고성능 산업 장비와 같은 특수 응용 분야에서 사용됩니다.

성형 스프링

성형 스프링은 폴리우레탄이나 나일론과 같은 폴리머 소재를 원하는 스프링 형상과 같은 모양의 몰드 캐비티에 주입하여 만들어집니다. 금속 스프링과 비교했을 때 높은 내식성, 낮은 무게, 진동을 감쇠하는 능력과 같은 고유한 특성을 제공합니다.

성형 스프링은 자동차 서스펜션 부싱, 산업용 진동 분리기, 의료 기기 등 다양한 용도로 사용됩니다. 폴리머 소재의 선택은 하중 용량, 내열성, 작동 환경과의 화학적 호환성과 같은 요인에 따라 달라집니다.

가스 스프링

가스 스프링은 압축 가스(일반적으로 질소)를 사용하여 압축력에 대한 저항을 제공하는 스프링 유형입니다. 피스톤과 압축 가스를 포함하는 밀폐된 실린더로 구성되어 있으며, 스프링이 압축될 때 피스톤에 힘을 가합니다.

가스 스프링은 기계적 스프링에 비해 조절 가능한 힘 출력, 소형 크기, 댐핑 제공 능력 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 자동차 후드 및 트렁크 리프트 지지대, 사무실 의자 높이 조절 메커니즘, 산업 기계 등 다양한 용도로 사용됩니다.

에어 스프링

공기 스프링은 공압 스프링이라고도 하며, 압축 공기를 사용하여 압축력에 대한 저항을 제공합니다. 압축 공기로 채워진 유연한 벨로우즈 또는 다이어프램으로 구성되어 있으며, 스프링에 하중이 가해지거나 하중이 해제됨에 따라 팽창하고 수축합니다.

에어 스프링은 기계적 스프링에 비해 조절 가능한 강성, 하중 평준화 기능, 진동 분리 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 자동차 에어 서스펜션 시스템, 산업용 진동 분리 마운트, 농업 장비 등 다양한 용도로 사용됩니다.

리프 스프링

리프 스프링은 자동차 서스펜션 시스템, 특히 중장비 차량에 일반적으로 사용되는 플랫 스프링의 한 유형입니다. 리프라고 알려진 여러 겹의 곡선 스프링 강철로 구성되어 있으며, 서로 겹쳐져 있고 스프링 섀클을 사용하여 끝부분이 연결됩니다.

리프 스프링은 차량의 무게를 지지하고 충격 흡수를 제공하여 승차감과 핸들링을 개선하도록 설계되었습니다. 특정 애플리케이션 요구 사항에 따라 반타원형, 1/4타원형 또는 캔틸레버와 같이 다양한 방식으로 구성할 수 있습니다.

리프 스프링 설계의 선택은 하중 용량, 차량 중량 분포, 사용 가능한 공간과 같은 요인에 따라 달라집니다. 리프 스프링은 내구성, 하중 지지 용량, 측면 안정성을 제공하는 능력으로 알려져 있어 상업용 트럭 및 오프로드 차량과 같은 중장비 애플리케이션에 적합합니다.

나선형 스프링

나선형 스프링은 와이어를 나선형으로 감아 만든 코일 스프링의 한 유형으로, 일정하거나 가변적인 직경을 갖습니다. 응용 프로그램 요구 사항에 따라 압축, 확장 또는 토션 스프링으로 설계할 수 있습니다.

기본 스프링 원칙

스프링은 탄성 원리와 후크의 법칙에 따라 에너지를 저장하고 방출하는 기계 장치입니다. 스프링에 힘을 가하면 변형되어 변형 에너지의 형태로 잠재 에너지를 저장합니다. 힘이 제거되면 스프링은 원래 모양으로 돌아가 저장된 에너지를 방출합니다.

적용된 힘과 결과적인 변형 간의 관계는 후크의 법칙, F = kx로 설명되며, 여기서 F는 힘이고, k는 스프링 상수이고, x는 변형입니다. 스프링 상수는 스프링 속도가라고도 하며, 스프링의 강성을 결정하며 재료 속성, 단면적, 스프링 길이와 같은 요인에 따라 달라집니다.

스프링은 탄성 한계 내에서 작동하도록 설계되었으며, 여기서 변형은 가해진 힘에 정비례합니다. 힘이 탄성 한계를 초과하면 스프링이 영구 변형되거나 고장이 발생하여 성능과 안전성이 손상될 수 있습니다.

스프링의 에너지 저장 용량은 형상, 재료 특성 및 적용 하중에 따라 결정됩니다. 최대 에너지 저장은 스프링이 각각 고체 높이 또는 최대 확장까지 압축되거나 확장될 때 발생합니다.