스프링이란?
스프링은 우리가 흔히 용수철이라고 부르는 제품으로, 기계, 기구, 구조물 등 다양한 산업 분야와 일상에서 널리 사용되는 중요한 부품입니다. 예를 들어, 볼펜 내부에도 스프링이 들어있습니다. 스프링은 탄성체로, 힘을 가하면 형태가 변하지만 힘을 제거하면 원래 상태로 돌아오는 성질을 가집니다. 이러한 특성 덕분에 주로 충격을 완화하거나 진동을 흡수하는 장치에서 사용됩니다.
일례로 자동차에서는 스프링이 매우 중요한 역할을 합니다. 자동차가 주행할 때 발생하는 진동을 완화하여 승차감을 높여주는 역할을 하죠. 만약 자동차에 스프링이 없다면, 운전자는 모든 진동을 직접 몸으로 느껴야 하므로 매우 불편할 것입니다. 따라서 스프링은 자동차를 비롯한 여러 기계에서 필수적인 부품으로 작용합니다.
스프링의 특징과 용도
- 진동 및 탄성 에너지 흡수: 스프링은 충격을 완화하고 진동을 방지하는 역할을 합니다. 예시로는 승강기의 완충 스프링, 전동차 및 자동차의 현가장치 등이 있습니다.
- 에너지 축적 및 동력원으로 사용: 스프링은 에너지를 축적한 후 이를 동력으로 변환해 작동시킬 수 있습니다. 계기용 스프링, 시계나 사진기의 태엽, 완구용 스프링, 축음기, 총기의 격침용 스프링 등이 이에 해당합니다.
- 복원성을 통한 일정한 압력 제공: 스프링은 일정한 압력을 지속적으로 가하는 역할을 합니다. 스프링 와셔나 안전 밸브 스프링 등이 이러한 기능을 수행합니다.
- 힘의 측정에 사용: 스프링은 힘을 측정하는 기구에도 사용됩니다. 스프링 저울이나 압력 게이지와 같은 도구가 그 예입니다.
스프링 재질에 따른 분류
금속 스프링
금속을 재료로 사용한 스프링으로, 강한 탄성과 내구성을 자랑합니다. 금속 스프링은 다시 강 스프링과 비철금속 스프링으로 분류됩니다.
- 강 스프링
- 탄소강 스프링: 저렴하고 내구성이 좋아 많은 기계 부품에서 사용됩니다. 강철을 기본으로 만들어지며, 흔히 볼 수 있는 스프링 소재입니다.
- 합금강 스프링: 내마모성과 강도가 높은 특수한 합금을 사용한 스프링으로, 고온 또는 부식 환경에서 사용됩니다. 예를 들어, 스테인리스강 스프링은 녹에 강하고, 높은 내구성을 요구하는 곳에서 사용됩니다.
- 비철금속 스프링:
- 동합금 스프링: 전기적 특성이 우수하여 전기 부품이나 기계식 스위치 등에 사용됩니다. 구리 합금은 전기전도도가 높아 전자기기에서 활용됩니다.
- 니켈합금 스프링: 고온에서도 안정적인 성능을 유지하며, 부식에 강한 특성을 가져 특수 환경에서 사용됩니다. 주로 항공우주, 해양산업 등에 사용됩니다.
비금속 스프링
비금속을 재료로 사용한 스프링으로, 금속보다 가볍고 특수한 환경에서 뛰어난 성능을 발휘합니다.
- 고무 스프링: 충격 흡수력이 뛰어나 진동을 완화하는 역할을 하며, 기계적 충격 방지 장치나 서스펜션 시스템 등에 사용됩니다. 자동차나 기계의 진동 방지에 자주 쓰입니다.
- 유체 스프링: 공기나 액체를 이용해 스프링 역할을 합니다.
- 공기 스프링: 공기의 압축성을 이용해 진동을 흡수하며, 자동차 서스펜션 등에 사용됩니다.
- 액체 스프링: 액체의 압축성을 이용해 충격을 흡수하는 방식으로, 주로 높은 충격이 발생하는 기계나 장비에 사용됩니다.
- 합성수지 스프링(적충재 스프링): 가볍고 내구성이 뛰어나며, 내식성 및 절연성이 좋아 전자기기나 화학 기계 등 특수 환경에서 사용됩니다.
스프링 형태에 따른 분류
▶ 코일 스프링
쇠막대를 나선형으로 동글게 감아서 만들 스프링을 말합니다. 마치 식물의 덩굴이 막대기를 감으며 올라가듯이 스프링이 동그랗게 나선으로 말려있습니다. 코일스프링의 강도는 두께가 굵어질수록 단단해지고 감는 횟수가 많을 수록 부드러워지며, 코일의 지름이 클수록 부드럽습니다. 쉽게 제작이 가능한 스프링이기 때문에 널리 사용되며 효율성이 높고 가격이 저렴합니다. 자동차의 서스펜션으로 가장 많이 사용되는 스프링입니다. 코일스프링에는 압축코일 스프링 인장코일 스프링, 비틀림 코일 스프링 등이 있습니다.
▶ 판 스프링
길이가 각각 다른 몇 개의 철판을 겹쳐서 만들 스프링을 말합니다. 판스프링은 구조가 간단해 리어 서스펜션에 사용됩니다. 진동을 억제하는 작용은 높지만 작은 진동에 대한 흡수는 좋지 않습니다. 또 무겁고 소음이 많아 코일스프링으로 대체되고 있는 것이 특징입니다. 화물차와 버스에서 많이 볼 수 있으며 판 스프링의 판 사이에 고무밴드를 넣거나 판의 수를 조절해 마찰음을 줄이기도 합니다.
▶ 벌류트 스프링
원뿔 코일 스프링의 일종으로 사각형 단면의 강판을 말아서 원뿔 현상으로 올린 압축 스프링을 말합니다. 공간 용적의 비율로 큰 에너지를 흡수 할 수 있는 것이 특징입니다. 판과 판 사이의 마찰을 이용해 진동을 감소 시킬 수 있는 것으로 완충용도로 사용됩니다.
▶ 태엽 스프링
탄성이 뛰어난 얇고 가는 띠 모양의 금속판을 달팽이처럼 나선형태로 말아 놓은 스프링을 말합니다. 나선형스프링이라고도 부르며 감았을 때 금속판이 가지는 탄성 에너지를 축적하게 되고 원래의 상태로 풀리려는 힘을 동력으로 이용하는 것이 특징입니다. 크고 지속적인 동력을 낼 수 없기 때문에 시계나 완구 같은 작은 힘을 필요로 하는 제품에서 사용됩니다.
▶ 접시 스프링
접시스프링은 단취체적당 축척에너지가 코일스프링에 비해 매우 크기 때문에 작은 공간에서 짧은 힘으로 큰 부하 능력을 가지고 있는 것이 특징입니다. 접시스프링의 매수증감과 직렬, 병렬, 직병렬 등의 조합에 따라 스프링의 특성의 변화가 가능합니다. 충격 완화 용도로 사용되며 겹쳐서 사용할 수록 완충효과가 높습니다.
▶ 토션 바 스프링
길고 곧은 금속 막대의 한족을 바디에, 반대쪽은 서스펜션에 붙여 스프링을 만든 것을 말합니다. 막대를 비틀어서 스프링으로 사용하고 있어서 원리적으로는 감지 않는 코일 스프링입니다. 장소가 좁아도 사용가능하며 단위당 중량에너지 흡수율이 크고 가벼우며 구조도 간단한 반면에 진동 감쇠 작용이 없어 쇼크 업소버 등과 병행해 설치해야 합니다.
스프링 설계 기본 값
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