코일 스프링

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1. 개요
2. 스프링 상수
3. 종류
4. 응용 분야
5. 제조
참조

1. 개요

코일 스프링은 압축, 인장, 비틀림과 같은 힘에 저항하도록 설계된 스프링의 한 종류이다. 스프링 상수는 코일 스프링이 특정 거리만큼 압축될 때 견딜 수 있는 하중의 척도이다. 코일 스프링은 인장, 압축, 토션 스프링으로 분류되며, 압축 코일 스프링은 자동차 서스펜션에, 토션 스프링은 빨래 집게나 차고 문에 사용된다. 코일 스프링은 자동차 서스펜션, 컴퓨터 키보드, 매트리스, 가구 등 다양한 분야에서 활용되며, 밸브 기구에도 사용된다. 코일 스프링은 일반적으로 경화강으로 만들어지며, 오토 코일러라는 기계를 사용하여 제조된다.

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코일 스프링
코일 스프링
코일 스프링의 예시
종류	기계 부품
용도	에너지 저장
재료
재료	강철 합금
작동 원리
작용 힘	탄성력
관련 개념	후크의 법칙 탄성 굽힘 모멘트 비틀림

2. 스프링 상수

스프링 상수(Spring rate)는 코일 스프링이 2.54cm 압축될 때까지 견딜 수 있는 하중의 척도이다. 스프링 상수는 일반적으로 제조사에서 지정한다. 스프링의 스프링 상수가 100이면, 스프링은 45kg의 하중으로 2.54cm 압축된다.^[1]

3. 종류

코일 스프링은 다음과 같이 분류할 수 있다.

'''인장/연신 코일 스프링''': 늘어나는 힘에 저항하도록 설계되었으며, 양 끝에 후크나 고리 형태를 갖는다.
'''압축 코일 스프링''': 압축되는 힘에 저항하도록 설계되었다. 자동차의 서스펜션 시스템에 주로 사용된다.
'''토션 스프링''': 비틀림 작용에 저항하도록 설계되었으며, 빨래집게나 위로 열리는 차고 문 등에 사용된다.^[1]

3. 1. 압축 코일 스프링

압축 코일 스프링은 압축되는 힘에 저항하도록 설계되었다. 압축 코일 스프링의 일반적인 사용 예는 자동차의 서스펜션 시스템이다.

'''볼류트 스프링'''은 무거운 하중의 압축 스프링으로 사용된다. 판재를 헬릭스와 나선형 형태로 굴린다. 압축되면 이 스트립은 와이어 코일보다 가장자리에서 더 뻣뻣하지만, 나선형 배열을 통해 턴이 서로 바닥에 닿는 대신 겹칠 수 있다.
'''아크 스프링''' (활 스프링)은 원래 내연 내연 기관 구동계의 듀얼 매스 플라이휠에 사용하도록 개발된 코일 스프링의 특수한 형태이다. 힘은 스프링의 양쪽 끝을 통해 가해진다. 토크 $M=F\cdot r$ 는 이 나선형 축을 따라 향하는 힘 $F$ 와 시스템 중심점까지의 레버 암 $r$ 을 통해 축 주위로 전달될 수 있다.

3. 2. 인장 코일 스프링

인장 코일 스프링은 늘어나는 힘에 저항하도록 설계되었다. 일반적으로 양 끝에 부착을 위한 후크나 고리 형태를 가지고 있다.

3. 3. 토션 스프링

토션 스프링은 비틀림 작용에 저항하도록 설계되었다. 빨래집게나 위로 열리는 차고 문에 사용된다.^[1]

4. 응용 분야

코일 스프링은 다양한 분야에 응용되며, 주요 사례는 다음과 같다.

컴퓨터 키보드 내 버클링 스프링
매트리스 내 매트리스 코일
가구 내 가구 코일 스프링

코일 스프링은 자동차 서스펜션에 일반적으로 사용된다. 이 스프링은 압축 스프링이며, 용도에 따라 강도와 크기가 크게 다르다. 코일 스프링 서스펜션은 사용되는 차량의 종류에 따라 단단한 것부터 부드러운 것까지 다양하다. 코일 스프링은 쇽업쇼버와 함께 장착되는 경우도 있고, 별도로 장착되는 경우도 있다. 트럭의 코일 스프링은 짐이 없을 때는 부드러운 승차감을 제공하고, 짐이 실리면 스프링이 압축되어 단단해진다. 따라서 짐을 실었을 때 차량의 덜컹거림이 줄어든다. 코일 스프링 서스펜션은 차량이 요철을 흡수하고, 낮은 차체의 롤을 가질 수 있도록 고성능 차량에도 사용된다. 또한 오프로드 차량에서는 바퀴의 가동 범위를 넓히기 위해 사용된다.

엔진에 사용되는 코일 스프링은 압축 스프링이며, 공기를 공급하고 배기 가스를 연소실에서 배출하는 밸브를 닫는 중요한 역할을 한다. 스프링은 밸브에 연결된 로커 암에 장착된다.^[1]

동일한 재료, 선경, 코일 직경의 인장·신장 코일 스프링은 전체 하중을 가했을 때 동일한 힘을 발휘하지만, 감긴 횟수가 증가하면 자유 길이, 압축·신장 길이가 단순하게(선형적으로) 길어진다.^[1]

5. 제조

금속 코일 스프링은 와이어를 성형된 형상, 즉 원통형 코일 스프링을 만들기 위해 원통을 사용하여 감아서 만든다.

차량용 코일 스프링은 일반적으로 경화강으로 만들어진다. 오토 코일러라고 하는 기계는 쉽게 모양을 낼 수 있도록 가열된 스프링 와이어를 사용한다. 그런 다음 원하는 코일 스프링 크기의 금속 막대가 있는 선반에 공급된다. 이 기계는 와이어를 가져와 회전하는 막대로 안내하고 막대 위로 밀어 여러 코일을 형성한다. 그런 다음 스프링은 기계에서 배출되고 작업자는 스프링을 식히기 위해 오일에 넣는다. 그 후, 냉각에 의한 취성을 없애기 위해 스프링의 템퍼링을 실시한다. 코일 크기와 강도는 선반 막대 크기와 사용된 재료에 의해 제어될 수 있다. 강성, 댐핑 및 강도와 같은 특정 특성을 얻기 위해 다양한 합금이 사용된다.^[4]

참조

_[1] 웹사이트 Street Performance & Racing Spring Rate Tech https://www.qa1.net/[...] 2018-04-19
_[2] 웹사이트 How Springs Are Made https://www.thomasne[...] 2018-04-19
_[3] 웹사이트 Street Performance & Racing Spring Rate Tech https://www.qa1.net/[...] 2018-04-19
_[4] 웹사이트 How Springs Are Made https://www.thomasne[...] 2018-04-19

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