스프링 설계 소개
웨이브 스프링 설계, 성능 특성, 그리고 하중 및 처짐, 작동 응력, 피로 수명, 스프링 상수와 같은 엔지니어링 고려 사항에 대한 개괄적인 이해를 얻으십시오. 본 소개 자료는 웨이브 스프링 솔루션을 평가하기 위한 기초를 제공하며, 특정 엔지니어링 요구사항을 기반으로 한 더욱 심층적인 설계 방법론, 계산 및 적용 가이드에 대한 링크를 제공합니다
표준 스프링 대 맞춤형 스프링 솔루션
귀사의 응용 분야에 표준 부품이 필요하든 맞춤형 엔지니어링 솔루션이 필요하든, Smalley가 도와드릴 수 있습니다. 당사의 엔지니어가 탄소강 및 스테인리스강으로 제공되는 4,000개 이상의 표준 부품 중에서 선택하실 수 있도록 도와드릴 수 있습니다. 독특한 요구사항의 경우, Smalley의 엣지 와인딩 제조는 최대의 유연성과 품질을 제공합니다. 귀하의 설계에 스프링이 한 개 필요하든 백만 개 필요하든, 귀사의 특수 스프링 요구 사항에 대해 Smalley를 고려해 보십시오.
스프링 요구사항 정의
웨이브 스프링의 적용 분야는 매우 다양하지만, 스프링 요구사항을 정의하는 데에는 기본적인 규칙들이 있습니다. 작동 캐비티, 스프링 치수, 소재와 같은 특성은 모두 스프링 요구사항을 정의하는 관련 매개변수입니다. 이러한 요구사항은 사양을 충족하는 재고/표준 스프링을 선택하거나 특수 스프링을 설계하는 데 사용됩니다.
웨이브 스프링 설계 고려사항
작동 캐비티는 일반적으로 스프링이 작동하는 보어 및/또는 스프링이 간섭 없이 통과하는 샤프트로 구성됩니다. 스프링은 보어 내부 또는 샤프트 위에서 가이드되어 위치가 유지됩니다. 하중 표면 사이의 거리는 스프링의 축 방향 작동 캐비티 또는 작동 높이를 정의합니다.
소재 단면은 웨이브 스프링 설계에서 중요한 역할을 합니다. Smalley 표준 부품 제조에는 탄소강과 같은 경제적인 소재가 사용됩니다. 또한, 특수 스프링 제조 설계에는 다른 많은 소재 단면이 흔히 사용됩니다. Smalley 엔지니어링은 경제적인 합금 및 단면을 선택할 수 있도록 지원을 제공할 수 있습니다.
Overlap Type Wave Springs 및 다회전 Spirawave의 경우, 인접한 레이어 간의 어긋남을 방지할 수 있도록 반경 방향 벽이 충분해야 합니다. 반경 방향 벽이 좁은 스프링의 경우, 스프링이 고정되지 않거나 정밀하게 가이드되지 않으면 취급 또는 작동 중에 반경 방향 어긋남이 발생할 수 있습니다.
이 문제에 대한 해결책으로는 스프링이 내경 및/또는 외경에 밀착하여 가이드되도록 치수를 지정하거나, 스프링을 단회전 갭 타입으로 설계하는 것 등이 있습니다.
샤프트에 가이드되는 스프링의 경우, 샤프트와의 최소 클리어런스를 제공하도록 내경 공차를 설정할 수 있습니다. 웨이브 스프링은 압축 시 팽창하므로 샤프트와의 간섭은 일반적으로우려할 사항이 아닙니다.
보어 내에서 가이드되는 스프링의 경우, 보어 및 샤프트 직경이 스프링 사양에 포함되어야 합니다. 실제 스프링 직경은 제조 시 결정되어 최적의 맞춤을 제공하고 팽창으로 인한 고착을 방지합니다.
갭 타입 및 오버랩 타입 스프링의 경우 고착 우려가 없으므로 외경을 지정할 수 있습니다. Smalley Bearing Preload Springs와 마찬가지로, 보어 내에서 최소 간극을 제공하거나 보어 내에 밀착되도록 외경 공차를 설정할 수 있습니다.
하중 요구 사항은 스프링을 작동 높이에 설치했을 때 발생시켜야 하는 축 방향 힘의 양으로 정의됩니다. 일부 응용 분야는 여러 개의 작동 높이를 필요로 하며, 이 경우 2개 이상의 작동 높이에서의 하중이 매우 중요하므로 설계 시 반드시 고려해야 합니다. 종종 최소 및/또는 최대 하중이 만족스러운 솔루션이 되며, 특히 응용 분야에 공차 누적이 내재되어 있는 경우에 더욱 그러합니다.
스프링 응용 분야에서는 고온, 동적 하중(피로), 부식성 매체 또는 기타 특이한 작동 조건을 반드시 고려해야 합니다. 다양한 환경 조건에 대한 해결책을 위해서는 일반적으로 최적의 원자재 및 작동 응력을 선택해야 합니다.
스프링 성능 계산
웨이브 스프링을 압축하면 굽힘 상태의 단순 보와 유사한 굽힘 응력이 발생합니다. 이러한 압축 및 인장 응력은 스프링이 항복하거나 "영구 변형(takes a set)"을 일으키기 전에 압축될 수 있는 양을 제한합니다. 때로는 스프링의 영구 변형이 허용되지 않을 수도 있지만, 하중 및 처짐 요구사항으로 인해 시간이 지남에 따라 약간의 변형 또는 "완화(relaxation)"를 허용하도록 설계해야 하는 경우가 많습니다.
정적 응용 분야: Smalley는 자사 제품에 사용되는 경화 평와이어의 연신율이 매우 미미하기 때문에, 표준 스프링 표에 명시된 최소 인장 강도를 사용하여 항복 강도를 근사화합니다. 정적 응용 분야용 스프링을 설계할 때는 계산된 작동 응력이 최소 인장 강도의 100%를 초과하지 않도록 권장합니다. 그러나 특정 응용 분야에 따라서는 항복 강도에 대한 여유치를 고려하여 작동 응력이 최소 인장 강도를 초과할 수도 있습니다. 고려해야 할 일반적인 요인으로는 영구 변형, 완화, 하중 손실 및/또는 자유 높이 손실 등이 있습니다.
동적 응용 분야: 동적 응용 분야용 웨이브 스프링을 설계할 때 Smalley는 작동 응력 계산 값이 최소 인장 강도의 80%를 초과하지 않도록 권장합니다.
하중 용량 및/또는 피로 수명 향상은 스프링을 탄성 항복점 이상으로 압축하거나 “프리세팅(presetting)”함으로써 달성할 수 있습니다. 프리셋 스프링은 더 큰 자유 높이와 하중으로 제조된 후 밀착 압축됩니다. 자유 높이와 하중이 모두 감소하고 소재 표면에 잔류 응력이 형성되어 스프링 성능이 향상됩니다.
피로 사이클링은 웨이브 스프링 설계에서 중요한 고려사항입니다. 스프링이 얼마나 처질지 정확히 결정하는 것은 스프링 가격에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 분석에는 부품이 마모되거나 온도가 변화함에 따라 스프링이 전체 스트로크로 작동하는지, 각 사이클마다 수천 분의 일 인치만 작동하는지, 또는 이 두 가지가 결합되어 작동하는지 여부가 포함되어야 합니다.
공식:
| Fatigue Stress Ratio | Estimated Cycle Life |
| .00 < X < .40 | 30,000 사이클 미만 |
| .40 < X < .49 | 30,000 - 50,000 사이클 |
| .50 < X < .55 | 50,000 - 75,000 사이클 |
| .56 < X < .60 | 75,000 - 100,000 사이클 |
| .61 < X < .67 | 100,000 - 200,000 사이클 |
| .68 < X <.70 | 200,000 - 1,000,000 사이클 |
| .70 < X | over 1,000,000 사이클 초과 |
Nomenclature
σ = 재료 인장 강도
S1 = 하한 작동 높이에서의 계산된 작동 응력
S2 = 상한 작동 높이에서의 계산된 작동 응력
스프링 설계 계산기를 사용하여 작동 응력과 대략적인 사이클 수명을 신속하게 계산할 수 있으며, 관련 공식은 싱글 턴 갭 또는 오버랩 및멀티 턴(Crest-to-Crest) Spirawave 페이지에서 확인할 수 있습니다.
실제 스프링 상수와 이론적(계산된) 스프링 상수를 비교하면 스프링 작동 범위의 실용적인 한계를 파악할 수 있습니다. 스프링 상수(P/f)는 변위 방정식을 변형하여 계산할 수 있습니다. 일반적으로 이론적 상수는 스프링이 바닥에 닿기 시작하거나 "밀착 높이"에 도달할 때까지 정확합니다.
일반적인 규칙에 따르면, 계산된 스프링 상수는 사용 가능한 변위의 첫 80% 구간 및 밀착 높이의 2배에 달하는 작동 높이까지 선형적입니다. 스프링이 이러한 "선형" 범위를 벗어나 작동할 수는 있지만, 측정된 하중은 계산된 값보다 훨씬 더 높게 나타납니다.
싱글 턴 갭 또는 오버랩, 멀티 턴(크레스트-투-크레스트) Spirawave 및 네스티드 Spirawave 부품에 대한 자세한 정보는 해당 페이지에서 확인할 수 있습니다.
웨이브 스프링은 하중을 가할 때 더 큰 힘을 발휘하고 하중을 제거할 때 더 낮은 힘을 발휘합니다. 이러한 효과를 히스테리시스라고 합니다. 음영 처리된 영역은 곡선 사이의 관계를 그래픽으로 나타냅니다.
싱글 턴 스프링의 경우, 원주 및 반경 방향 운동으로 인한 마찰이 주된 원인입니다. Crest-to-Crest 및 Nested 스프링 또한 인접한 레이어가 서로 마찰함에 따라 마찰 손실을 유발합니다. 충분한 윤활은 이러한 영향을 최소화합니다.
Nested 및 Crest-to-Crest Spirawaves만 해당: 다회전 Spirawaves는 압축 시 직경이 팽창합니다. 아래에 표시된 공식은 완전히 압축되었을 때의 최대 직경을 예측하는 데 사용됩니다.
공식:
명명법
ODM = 밀착 시 외경 (in)
R = 웨이브 반경 (in) = (4Y2 + X2)/8Y
N = 웨이브 수
θ = 각도 = ArcSin[X/(2R)] (도)
b = 반경방향 벽 두께 (in)
X = 1/2 웨이브 주파수 = (πDM)/(2N)
Y = 1/2 평균 자유 높이 = (H-t)/2
여기서 H = 턴당 자유 높이(in)
Linear Springs는 스프링 템퍼 소재로 제조된 연속적인 웨이브 형태(마셀 가공)의 와이어입니다. 이 제품은 웨이브 스프링과 거의 동일한 하중/처짐 특성을 갖는 하중 지지 장치 역할을 합니다.
장착 위치에 따라 힘은 축 방향 또는 반경 방향으로 작용합니다. 익스팬더를 직선으로 평평하게 놓으면 축 방향 압력을 얻을 수 있습니다. 익스팬더를 원형으로 감싸면(예: 피스톤 주변) 반경 방향 힘 또는 외향 압력이 발생합니다.
Spring Design Formulas
싱글 턴 갭 또는 오버랩 타입
- 저-중하중
- 저-중 스프링 상수
- 짧은 처짐량
- 정밀한 하중/처짐 특성
싱글 턴 웨이브 스프링은 저렴한 비용과 단순화된 설계 구성 덕분에 가장 다양한 스프링 응용 분야에 사용됩니다. 설계자에게 가장 뛰어난 유연성을 제공합니다. 설계상의 제한이 거의 없으며, 대부분의 소형 축 방향 및 반경 방향 공간 제약 응용 분야에 적용됩니다.
공식
Deflection:
f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress:
S = (3π P Dₘ) / (4 b t² N²)
명명법
b = 반경 방향 벽, in. [(O.D. - I.D.)÷2]
Dm = 평균 직경(in) [(O.D. + I.D.)÷2]
E = 탄성 계수(psi)
f = 처짐량(in.)
H = 자유 높이(in.)
I.D. = 내경(in.)
K = 다중 웨이브 계수
L = 전체 선형 길이(in.)
N = 웨이브 수(턴당)
O.D. = 외경(in.)
P = 하중(lb.)
S = 작동 응력(psi)
t = 재료 두께(in.)
W.H. = 작동 높이(in.) [H-F]
Z = 회전수
|
다중 웨이브 계수(K) |
||||
| N | 2.0 - 4.0 | 4.5 - 6.5 | 7.0 - 9.5 | 10.0 + |
| K | 3.88 | 2.90 | 2.30 | 2.13 |
Crest-To-Crest
- 저-중하중
- 저-중 스프링 상수
- 큰 처짐량
- 정밀한 하중/처짐 특성
Crest-to-Crest Spirawave 평선 압축 스프링은 직렬로 사전 적층되어 회전수에 비례하여 스프링 상수를 감소시킵니다.
공식:
Deflection = f = (P K Dₘ³ Z / E b t³ N⁴) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N²)
명명법
b = 반경 방향 벽, in. [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = 평균 직경, in. [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = 탄성 계수(psi)
f = 처짐량(in.)
H = 자유 높이(in.)
I.D. = 내경(in.)
K = 다중 웨이브 계수
L = 전체 선형 길이(in.)
N = 웨이브 수(턴당)
O.D. = 외경(in.)
P = 하중(lb.)
S = 작동 응력(psi)
t = 재료 두께(in.)
W.H. = 작동 높이(in.) [H-f]
Z = 회전수
|
다중 웨이브 계수(K) |
|||||
| N | 2.0 - 4.0 | 4.5 - 6.5 | 7.0 - 9.5 | 10.0+ | N |
| K | 3.88 | 2.90 | 2.30 | 2.13 |
K |
Nested Spirawave
- 고하중
- 높은 스프링 상수
- 짧은 처짐량
- 짧은 처짐량
Nested Spirawave 웨이브 스프링은 병렬로 정렬된 다회전 평선 웨이브 스프링으로, 회전수에 비례하여 스프링 상수를 증가시킵니다.
공식:
Deflection = f = (P K Dₘ³) / (E b t³ N⁴ Z) × (I.D. / O.D.)
Operating Stress = S = (3 π P Dₘ) / (4 b t² N² Z)
명명법
b = 반경 방향 벽, in. [(O.D. - I.D.) ÷ 2]
Dm = 평균 직경, in. [(O.D. + I.D.) ÷ 2]
E = 탄성 계수(psi)
f = 처짐량(in.)
H = 자유 높이(in.)
I.D. = 내경(in.)
K = 다중 웨이브 계수
L = 전체 선형 길이(in.)
N = 웨이브 수(턴당)
O.D. = 외경(in.)
P = 하중(lb.)
S = 작동 응력(psi)
t = 재료 두께(in.)
W.H. = 작동 높이(in.) [H-f]
Z = 회전수
|
다중 웨이브 계수(K) |
||||
|
N |
2.0 - 4.0 |
4.5 - 6.5 |
7.0 - 9.5 |
10.0+ |
|
K |
3.88 |
2.9 |
2.3 |
2.13 |