스프링(장치)

스프링은 기계적 에너지를 저장하는 탄성 물체다.스프링은 일반적으로 스프링강으로 만들어진다.봄의 디자인이 많다.일상 용어로 코일스프링(coil spring)을 흔히 일컫는다.

강성 가변성이 없는 재래식 스프링이 압축되거나 정지 위치에서 늘어나면 길이 변화에 거의 비례하는 반대력을 발휘한다(이 근사치는 더 큰 편향에 대해 분해된다).스프링의 속도 또는 스프링 상수는 스프링이 가하는 힘의 변화로 나눈 값이다.즉, 힘 대 편향 곡선의 구배다.확장 또는 압축 스프링의 속도는 거리로 나눈 힘의 단위로 표현된다(예: N/m 또는 lbf/in).비틀림 스프링(torsion spring)은 꼬임으로써 작용하는 스프링으로, 축을 비스듬히 비틀면 각도에 비례하는 토크가 발생한다.비틀림 스프링의 속도는 N·m/rad 또는 ft/lbf/do와 같이 각도로 나눈 토크 단위다.스프링 비율의 역방향은 컴플라이언스, 즉 스프링의 비율이 10N/mm인 경우, 스프링의 컴플라이언스는 0.1mm/N이다.병렬 스프링의 강성(또는 속도)은 직렬 스프링의 준수와 마찬가지로 첨가된다.

스프링은 다양한 탄성 재료로 만들어지는데, 가장 흔한 것은 스프링강이다.작은 스프링은 미리 경화된 육수에 의해 감겨질 수 있는 반면, 큰 스프링은 압연된 강철로 만들어지고 조립 후에 굳는다.또한 일부 비철 금속은 부식 저항성이 필요한 부품의 경우 인광 청동 및 티타늄, 전류를 전달하는 스프링용 베릴륨 구리(전기 저항이 낮기 때문에) 등이 사용된다.

역사

간단한 코팅되지 않은 스프링은 활(및 화살표)과 같은 인류 역사를 통틀어 사용되었다.청동기 시대에는 많은 문화권에서 핀셋이 퍼진 것에서 알 수 있듯이 더욱 정교한 봄기기가 사용되었다.알렉산드리아의 크테시비우스는 주석 비율이 높아진 청동 합금을 생산한 뒤 주조된 후 망치로 두드려 경화시켜 봄과 같은 특성을 가진 청동을 만드는 방법을 개발했다.

코일드 스프링은 15세기 초에 도어락으로 나타났다.^[1][2]그 세기에^[2][3][4] 최초의 봄철 동력 시계가 등장하여 16세기에 이르러 최초의 대형 시계로 진화하였다.

1676년 영국의 물리학자 로버트 후크는 샘이 발휘하는 힘은 그 연장선에 비례한다는 후크의 법칙을 가정했다.

종류들

분류

스프링은 하중력을 가하는 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

장력/연장 스프링

스프링은 장력 부하로 작동하도록 설계되어 있어 부하가 가해질수록 스프링이 늘어나게 된다.

압축스프링

압축 부하로 작동하도록 설계되어 부하가 가해질수록 스프링이 짧아진다.

토션 스프링

하중이 축하력인 위의 형식과 달리 비틀림 스프링에 가해지는 하중은 토크 또는 비틀림력이며, 하중이 가해질 때 스프링의 끝부분이 각도를 통해 회전한다.

상수 스프링

편향 주기^[5] 동안 지원되는 부하가 동일하게 유지됨

가변 스프링

압축^[6] 시 코일의 부하 저항 변화

가변 강성 스프링

부하에 대한 코일의 저항은 제어 시스템에 의해 동적으로 변화될 수 있으며, 이러한 스프링의 일부 유형도 길이를 변화시켜 작동 능력도 제공한다.

또한 모양에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

플랫 스프링

평평한 스프링강으로 만들어졌다.

가공된 스프링

바 스톡을 코일링 작업이 아닌 선반 및/또는 밀링 작업으로 가공하여 제조.기계가공되었으므로 스프링은 탄성 요소 외에 형상을 포함할 수 있다.가공된 스프링은 압축/확장, 비틀림 등의 일반적인 하중 케이스에서 만들 수 있다.

뱀샘

두꺼운 철사로 된 지그재그로, 흔히 현대식 집업/가구에 사용된다.

가터 스프링

원형을 만들기 위해 양쪽 끝에 연결된 코일형 강철 스프링.

공통유형

봄의 가장 일반적인 유형은 다음과 같다.

캔틸레버 스프링

칸틸레버처럼 한쪽 끝에만 고정된 평탄한 스프링, 반면 자유행렬 끝은 짐을 가져간다.

코일 스프링

나선형 스프링으로도 알려져 있다.스프링(원통 둘레에 와이어를 감아 만든 것)은 다음과 같은 두 가지 유형이다.

• 장력 또는 익스텐션 스프링은 부하 시 더 길어질 수 있도록 설계된다.그들의 턴(루프)은 보통 언로드 위치에서 만지고, 양쪽 끝에는 갈고리, 눈 또는 다른 부착 수단을 가지고 있다.
• 압축 스프링은 적재할 때 짧아지도록 설계되어 있다.그들의 턴(루프)은 언로드 위치에서 건드리지 않으며, 부착점이 필요하지 않다.
• 중공 튜브 스프링은 연장 스프링 또는 압축 스프링일 수 있다.속이 빈 배관은 기름으로 채워지고 막이나 미니어처 피스톤 등 배관 내부의 정수압을 변화시켜 봄을 굳히거나 이완시키는 수단은 마치 정원 호스 내부의 수압과 같은 것이다.또는 튜브의 단면은 튜브가 비틀림 변형을 받을 때 면적이 바뀌는 형상을 선택한다. 단면적의 변경은 튜브의 내부 부피와 밸브로 조절할 수 있는 스프링 내부/외부의 오일 흐름을 변화시켜 강성을 제어한다.스프링 품질 외에도 원하는 주파수로 강성을 변화시키거나, 배수로 강성을 변화시키거나, 선형 작동기처럼 움직일 수 있는 속이 빈 튜빙의 스프링 설계가 많이 있다.

아크 스프링

축을 중심으로 토크를 전달할 수 있는 사전 커브 또는 호 모양의 헬리컬 압축 스프링.

볼루트 스프링

압축 코일은 원뿔 형태로 스프링되어 압축 시 코일이 서로 부딪히지 않도록 하여 더 긴 이동 시간을 허용한다.

밸런스 스프링

헤어스프링으로도 알려져 있다.시계, 갈바노미터, 그리고 회전에 지장을 주지 않고 조향 휠과 같은 부분 회전 장치에 전기를 운반해야 하는 장소에 사용되는 섬세한 나선형 스프링.

잎샘

차량 서스펜션, 전기 스위치 및 활에 사용되는 평평한 스프링.

브이 스프링

휘장, 부싯돌 잠금장치, 타악기 캡 잠금장치와 같은 골동품 화기 메커니즘에 사용된다.또한 골동품 도어 래치 메커니즘에 사용되는 도어 록 스프링.^[8]

기타유형

기타 유형에는 다음이 포함된다.

벨빌 세탁기

볼트(압력 작동 지뢰의 시작 메커니즘에도 포함)에 장력을 가하는 데 일반적으로 사용되는 디스크 모양의 스프링

상수력 스프링

폈다 할 때 거의 일정한 힘을 발휘하는 촘촘하게 말아 올린 리본

가스 스프링

압축 가스의 부피.

이상적인 봄

물리학에서 사용되는 개념의 스프링: 무게, 질량 또는 댐핑 손실이 없다.스프링에 의해 가해지는 힘은 이완된 위치에서 스프링이 늘어나거나 압축되는 거리에 비례한다.^[9]

메인 스프링

시계, 시계, 음악 상자, 윈드롭 완구, 기계로 구동되는 손전등 등 시계 메커니즘의 동력 저장소로 사용되는 나선형 리본 모양의 스프링

니게이터 스프링

얇은 금속 띠가 단면으로 살짝 오목하게 되어 있다.코일할 때는 평평한 단면을 채택하지만 밀면 이전 곡선으로 돌아가 변위 전체에 일정한 힘이 생성되고 역류 경향이 사라진다.가장 일반적인 적용은 수축강판테이프 규칙이다.^[10]

프로그레시브 코일 스프링

가변속도의 코일 스프링은 보통 한 개 이상의 코일이 압축될 때 이웃에 놓이도록 회전 사이의 거리가 같지 않아 달성된다.

고무줄

재료를 스트레칭하여 에너지를 저장하는 텐션 스프링.

스프링 와셔

고정 장치의 축을 따라 일정한 인장력을 가하는 데 사용된다.

토션 스프링

압축 또는 연장보다는 꼬이도록 설계된 모든 스프링.^[11]비틀림 바 차량 서스펜션 시스템에 사용됨

웨이브 스프링

선형 스프링을 포함한 많은 파동 모양의 스프링, 와셔 및 익스팬더 중 하나라도, 이 모든 것은 일반적으로 산업 용어에 따라 마스킹되는 평평한 와이어 또는 디스크로 만들어지며, 일반적으로 다이 스탬핑에 의해 물결 모양의 정규 패턴으로 만들어지며, 이는 곡선 로브를 형성한다.둥근 철사 파동 스프링도 존재한다.종류로는 웨이브 워셔, 싱글 턴 웨이브 스프링, 멀티 턴 웨이브 스프링, 선형 웨이브 스프링, 마르셀 익스팬더, 인터레이스 웨이브 스프링, 내포 웨이브 스프링 등이 있다.

물리학

후크의 법칙

탄성 한계 이상으로 늘어나거나 압축되지 않는 한 대부분의 스프링은 스프링이 뒤로 밀어내는 힘이 평형 길이로부터의 거리에 선형 비례한다는 후크의 법칙을 따른다.

$F=-kx,\ }$

어디에

x는 변위 벡터 – 스프링이 평형 길이에서 변형되는 거리와 방향이다.

F는 결과적인 힘 벡터 – 스프링이 가하는 복원력의 크기와 방향

k는 스프링의 속도, 스프링 상수 또는 힘 상수로, 스프링의 재료와 구조에 따라 달라진다.음의 부호는 스프링이 가하는 힘이 변위 방향과 반대 방향임을 나타낸다.

코일 스프링과 다른 흔한 스프링은 전형적으로 후크의 법칙을 따른다.그렇지 않은 유용한 스프링이 있다: 예를 들어 빔 벤딩에 기반한 스프링은 변위에 따라 비선형적으로 변화하는 힘을 생성한다.

일정한 피치(와이어 두께)로 만들면 원뿔형 스프링은 가변속도를 가진다.단, 원뿔형 스프링은 가변 피치로 봄을 만들어 일정한 비율을 갖도록 할 수 있다.직경이 큰 코일의 피치가 크고 직경이 작은 코일의 피치가 작으면 스프링이 붕괴되거나 변형된 모든 코일이 동일한 속도로 연장된다.

단순 고조파 운동

힘은 질량, m, 시간 가속도, a와 같기 때문에, 후크의 법칙을 따르는 샘의 힘 방정식은 다음과 같이 보인다.

${\displaystyle F=ma\quad \Rightarrow \quad -kx=ma.\,}$

스프링의 질량은 부착된 질량의 질량에 비해 작으며 무시된다.가속은 단순히 시간에 관한 x의 두 번째 파생상품이기 때문에,

${\displaystyle -kx=m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}.\,}$

이것은 시간의 함수로서$$ 변위 $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle x}$에 대한 2차 선형 미분 방정식이다.재배열:

${\dplaystyle {\frac {d^{2}x}{dt^{2}}+{\frac {k}{m}x=0,\,}$

그 해법은 사인(sine)과 코사인(cosine)의 합이다.

$[\displaystyle x(t)=A\sin \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}\오른쪽)+B\cos \left(t{\sqrt {\frac {k}{m}}\오른쪽).\,}$

$[\displaystyle A}$ $및$ B ${\displaystyle B}$은(는) 질량의 초기 변위와 속도를 고려하여 찾을 수 있는 임의의 상수다$$.$B{\displaystyle }$= ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle B=0}($일부 양의 초기 속도로 초기 위치가 0)인 이 기능의 그래프는 오른쪽 영상에 표시된다.

에너지 역학

스프링-매스 시스템의 단순한 조화 운동에서 에너지는 운동 에너지와 전위 에너지 사이에서 변동하지만 시스템의 총 에너지는 그대로 유지된다.스프링 상수 k로 Hooke의 법칙을 준수하는 스프링은 다음의 ^[12]총 시스템 에너지 E를 가질 것이다.

${\displaystyle E=\왼쪽({\frac {1}{2}}\오른쪽)kA^{2}}$

여기서 A는 봄의 진동거동에 의해 생성되는 파동 같은 운동의 진폭이다.

그러한 시스템의 잠재적 에너지 U는 스프링 상수 k와 부착된 질량 m을 통해 결정할 수 있다.^[12]

${\displaystyle U=\왼쪽({\frac {1}{2}}\오른쪽)kx^{2}}$

단순 고조파 운동에서 물체의 운동 에너지 K는 부착된 물체 m의 질량과 물체가 v:^[12]를 진동하는 속도를 사용하여 찾을 수 있다.

${\displaystyle K=\왼쪽({\frac {1}{2}}\오른쪽)mv^{2}}:$

그러한 시스템에는 에너지 손실이 없으므로 에너지는 항상 보존되므로 다음과 같다.^[12]

$(\displaystyle E=K+)U}$

빈도 & 주기

초당 라디안 단위로 주어진 단순 고조파 운동 물체의 각도 주파수 Ω은 스프링 상수 k와 진동 물체 m^[13]:

${\displaystyle \omega ={\sqrt {\frac {k}{m}}}}}}}}$^[12]

스프링-매스 시스템이 하나의 전체 사이클을 완료하기 위한 시간인 기간 T는 다음과 같은 방법으로 주어진다.^[14]

${\displaystyle T={\frac {2\pi }{\\omega }}=2\pi {\sqrt {\frac {m}{k}}}}}}}}}$^[12]

단순한 고조파 운동에서 어떤 것의 주파수 f, 단위 시간 당 진동수는 그 기간의 역수를 취함으로써 발견된다.^[12]

${\displaystyle f={\frac {1}{T}}={\frac{\frac{\omega}}{2\pi }}={\frac {1}{2\pi }}{\sqrt{\frac {k}{m}}}}}}}}}}}}}{\frac {\frac}}}}}}}}}}$^[12]

이론

고전 물리학에서 스프링은 탄성 물질의 원자 사이의 결합을 끈으로 묶어 전위 에너지, 특히 탄성 전위 에너지를 저장하는 장치로 볼 수 있다.

후크의 탄성 법칙은 탄성봉(팽창된 길이에서 이완된 길이를 뺀 길이)의 연장은 그것을 스트레칭할 때 사용하는 힘인 장력에 선형 비례한다고 명시하고 있다.마찬가지로 수축(음극 확장)은 압축(음극 장력)에 비례한다.

이 법칙은 실제로 대략적으로만 유지되며, 변형(연장 또는 수축)이 봉의 전체 길이에 비해 작을 때만 유지된다.탄성 한계를 초과하는 변형의 경우 원자 결합이 깨지거나 재정렬되며 스프링이 끊기거나 버클 또는 영구 변형될 수 있다.많은 재료는 탄성 한계가 명확히 규정되어 있지 않으며, 이러한 재료에 후크의 법칙을 의미 있게 적용할 수 없다.더욱이 과대성 물질의 경우 힘과 변위 사이의 선형 관계는 저스트레인 영역에서만 적절하다.

훅의 법칙은 봉의 잠재적 에너지가 여유로운 길이를 가졌을 때 최소한이라는 사실의 수학적 결과물이다.한 변수의 부드러운 함수는 테일러 시리즈를 검사할 때 볼 수 있는 최소 지점 가까이에서 검사했을 때 2차 함수에 가깝다.따라서 변위와 관련된 에너지의 파생인 힘은 선형 함수에 가깝다.

완전히 압축된 스프링의 힘

${\displaystyle F_{max}={\frac {Ed^{4}(L-nd)}{16(1+\nu )(D-d)^{3}n}\ }}$

어디에

E – Young의 계량

d – 스프링 와이어 직경

L – 자유 스프링 길이

n – 활성 권선 수

${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle \nu$}$$ – 포아송 비율

D – 스프링 외경

제로 길이 스프링

"제로 길이 스프링"은 길이가 0이면 힘이 0을 발휘하는 특수 설계된 코일 스프링의 용어로, 이러한 나선형 스프링의 유한한 와이어 직경으로 인해 제약을 받지 않으면 수축 상태에서 길이가 0이 된다.즉, 스프링의 힘 대 그 길이를 나타내는 선 그래프에서 선은 원점을 통과한다.분명히 코일 스프링은 제로 길이로 수축할 수 없다. 왜냐하면 어느 순간 코일이 서로 닿고 스프링은 더 이상 짧아질 수 없기 때문이다.

제로 길이 스프링은 장력이 내장된 코일 스프링(제조 중 코일 스프링이 코일 스프링에 코일 스프링이 꼬일 때 와이어에 트위스트가 도입되며, 이는 코일 스프링이 늘어나면서 "풀림"되기 때문에 작동함)을 제조하기 때문에 더 수축할 수 있다면 복원력이 0인 지점인 스프링의 평형점은 레에서 발생한다.0의 ng번째실제로, 제로 길이 스프링은 "음 길이" 스프링과 조합하여 만들어지는데, 평형점은 "음" 길이로 만들고, 적당한 길이의 비탄성 물질과 함께 적당한 길이의 비탄성 물질을 사용하여 제로 힘 지점이 0 길이로 발생한다.

길이 0의 스프링은 경첩이 있는 붐의 질량에 부착할 수 있으며, 질량의 힘은 붐의 위치가 무엇이든 스프링에서 나오는 힘의 수직적 요소에 의해 거의 정확하게 균형을 이루게 된다.이것은 매우 긴 진동 주기의 수평 "진자"를 만든다.장기간의 추는 지진계가 지진으로부터 가장 느린 파도를 감지할 수 있게 한다.길이 0의 스프링이 달린 라코스트 서스펜션은 중력 변화에 매우 민감하기 때문에 중력계에도 사용된다.문을 닫을 수 있는 스프링은 길이가 대략 0이 되도록 만들어져서 문이 거의 닫힐 때조차도 힘을 발휘하여 문을 단단히 닫을 수 있다.

사용하다

참고 항목

• 쇼크 업소버

참조

추가 읽기

• 스클레이터, 닐.(2011)."스프링 및 스크루 장치 및 메커니즘."메커니즘 및 기계 장치 소스북.제5판뉴욕: 맥그로 힐 페이지 279-299.ISBN 9780071704427.다양한 스프링 및 나사 메커니즘의 도면 및 설계.
• 팔리, 로버트(2000)."16장:스프링스."기계 구성 요소의 출처 설명.뉴욕: 맥그로우 힐.ISBN 0070486174 다양한 스프링 및 스프링 메커니즘의 도면, 설계 및 논의
• 소장님, 팀(2021년)"분디 2 알토 색소폰."이 색소폰은 현존하는 바늘 중 가장 강한 장력을 가진 것으로 알려져 있다.

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 봄(기기)과 관련된 미디어가 있다.

• Paredes, Manuel (2013). "How to design springs". insa de toulouse. Retrieved 13 November 2013.
• Wright, Douglas. "Introduction to Springs". Notes on Design and Analysis of Machine Elements. Department of Mechanical & Material Engineering, University of Western Australia. Retrieved 3 February 2008.
• Silberstein, Dave (2002). "How to make springs". Bazillion. Archived from the original on 18 September 2013. Retrieved 3 February 2008.
• 동적 가변 강성(특허)가 있는 스프링
• Smart Spring 및 그 조합(특허)