1. 개요

탄성 및 복원 기구는 외력이 작용할 때 변형되면서 에너지를 저장하고, 외력이 제거되면 저장된 에너지를 방출하여 부품이나 기구를 원래 위치 또는 지정된 위치로 되돌리는 기계기구이다.

탄성 및 복원 기능은 다음과 같은 기계요소에서 구현된다.

• 압축 코일스프링

• 인장 코일스프링

• 비틀림스프링

• 판스프링

• 접시스프링

• 웨이브스프링

• 정하중 스프링

• 가스스프링

• 엘라스토머

• 고무부싱

• 플렉셔 힌지

• 토션바

• 공압 또는 유압 축압요소

• 중력식 복귀기구

• 카운터웨이트

• 자기 복원기구

탄성 및 복원 기구의 주요 기능은 다음과 같다.

• 이동부의 원위치 복귀

• 접촉력 유지

• 조립공차 흡수

• 충격과 진동 완화

• 위치결정 예압 제공

• 틈새와 백래시 제거

• 하중 변화 보상

• 제품 또는 부품의 눌림 방지

• 과부하 시 변위 허용

• 에너지 저장과 방출

• 전원 상실 시 안전위치 복귀

• 반복적인 개폐와 작동 지원

대표적인 적용 분야는 다음과 같다.

• 버튼과 스위치

• 밸브 복귀장치

• 도어와 커버

• 클램프와 래치

• 로봇 그리퍼

• 자동차 서스펜션

• 프레스와 금형

• 포장기계

• 식품가공기계

• 공작기계

• 전기 접점

• 정밀 위치결정기구

• 충격흡수장치

• 안전 브레이크

• 공압·유압 시스템

탄성기구는 구조가 단순하지만, 설계가 부적절하면 피로파손, 영구변형, 공진, 좌굴, 과도한 접촉력 및 불안정한 복귀가 발생할 수 있다.

2. 탄성의 기본 개념

2.1 탄성

탄성은 외력에 의해 변형된 물체가 외력이 제거된 후 원래 형상으로 돌아가려는 성질이다.

2.2 탄성변형

재료가 하중 제거 후 원래 형상으로 복귀할 수 있는 범위의 변형이다.

2.3 소성변형

재료의 탄성한계를 초과하여 하중을 제거한 후에도 남는 영구변형이다.

탄성기구는 정상작동 범위에서 소성변형이 발생하지 않도록 설계해야 한다.

2.4 복원력

복원력은 변형된 탄성요소가 원래 상태로 돌아가려는 힘이다.

선형 탄성요소에서는 일반적으로 다음 관계가 성립한다.

F = kx

여기서,

• F: 복원력

• k: 스프링 강성

• x: 변위

3. 탄성 및 복원 기구의 주요 기능

3.1 위치 복귀

버튼, 밸브, 레버, 클램프 또는 슬라이더를 초기 위치로 되돌린다.

3.2 접촉력 유지

부품의 치수편차와 마모가 있어도 일정한 접촉력을 유지한다.

3.3 예압 제공

베어링, 기어, 볼스크루, 가이드 및 전기접점에 초기 하중을 부여한다.

3.4 충격흡수

짧은 시간에 발생하는 충격에너지를 변형에너지로 흡수한다.

3.5 진동절연

외부에서 전달되는 진동을 줄이거나 기계에서 발생하는 진동이 주변으로 전달되는 것을 감소시킨다.

3.6 공차보상

부품의 치수편차, 조립오차, 열팽창 및 마모를 탄성변형으로 흡수한다.

3.7 안전복귀

전원이나 압력이 상실될 때 스프링력으로 장치를 안전한 위치로 이동시킨다.

4. 하중과 변위의 관계

4.1 선형 스프링

하중과 변위가 비례하는 스프링이다.

F = kx

일정한 강성을 가지므로 해석과 제어가 쉽다.

4.2 비선형 스프링

하중과 변위가 비례하지 않는 스프링이다.

대표적인 방식은 다음과 같다.

• 원추형 코일스프링

• 가변 피치 스프링

• 접시스프링

• 고무스프링

• 캠과 스프링 조합

• 링크와 스프링 조합

4.3 점진적 강성

변위가 증가할수록 강성이 커지는 특성이다.

충격흡수와 과도한 변위방지에 유리하다.

4.4 감소형 강성

변위가 증가할수록 추가 하중 증가량이 작아지는 특성이다.

특정 구간에서 일정한 작동력을 유지하는 데 사용할 수 있다.

4.5 부강성

특정 변위구간에서 변위가 증가할수록 힘이 감소하는 특성이다.

스냅액션, 바이안정기구 및 빠른 전환기구에 사용된다.

5. 스프링 강성

스프링 강성은 단위변위를 발생시키는 데 필요한 힘이다.

k = F / x

단위는 일반적으로 다음과 같다.

• N/mm

• N/m

• N·mm/rad

• N·m/rad

강성이 크면 작은 변위에도 큰 힘이 발생하며, 강성이 작으면 큰 변위를 부드럽게 허용한다.

5.1 강성 선정 시 고려사항

• 필요한 복원력

• 허용 스트로크

• 작업물 변형

• 충격흡수량

• 응답속도

• 설치공간

• 고유진동수

• 반복수명

• 제작공차

6. 스프링의 직렬 및 병렬 조합

6.1 직렬 연결

여러 스프링을 직렬로 연결하면 전체 강성은 감소한다.

1 / k_total = 1 / k₁ + 1 / k₂ + ··· + 1 / kₙ

동일한 스프링 두 개를 직렬로 연결하면 전체 강성은 각 스프링 강성의 절반이 된다.

6.2 병렬 연결

여러 스프링을 병렬로 연결하면 전체 강성은 증가한다.

k_total = k₁ + k₂ + ··· + kₙ

6.3 적용

직렬 조합은 큰 스트로크와 낮은 강성이 필요할 때 사용한다.

병렬 조합은 제한된 공간에서 큰 복원력이 필요할 때 사용한다.

7. 탄성에너지

선형 스프링에 저장되는 탄성에너지는 다음과 같다.

U = 1/2 kx²

또는,

U = 1/2 Fx

여기서,

• U: 저장에너지

• k: 강성

• x: 변위

• F: 최종 하중

변위가 두 배가 되면 저장에너지는 네 배가 된다.

탄성기구가 갑자기 해제되면 저장에너지가 짧은 시간에 방출되어 충격이나 비산위험을 발생시킬 수 있다.

8. 예압

8.1 정의

예압은 기구가 작동하기 전부터 탄성요소에 미리 부여하는 하중이다.

8.2 목적

• 초기 유격 제거

• 접촉 유지

• 진동 감소

• 이탈 방지

• 작동 초기의 무부하 구간 제거

• 복귀 신뢰성 향상

• 전기 접점 안정화

8.3 예압된 스프링의 힘

초기 압축량을 (x_0), 추가 변위를 (x)라고 하면 다음과 같다.

F = k(x₀ + x)

8.4 주의사항

예압이 지나치게 크면 다음 문제가 발생한다.

• 작동력 증가

• 마찰과 마모 증가

• 작업물 변형

• 피로수명 감소

• 발열

• 효율 저하

9. 압축 코일스프링

9.1 정의

축방향 압축하중을 받으며, 압축 후 원래 길이로 복귀하는 코일형 스프링이다.

9.2 주요 형상

• 원통형

• 원추형

• 배럴형

• 아워글라스형

• 가변 피치형

• 이중 코일형

9.3 주요 적용

• 버튼 복귀

• 밸브 복귀

• 클램프 예압

• 금형

• 서스펜션

• 충격흡수

• 접촉력 유지

9.4 장점

• 구조가 단순함

• 표준품이 풍부함

• 큰 스트로크 가능

• 강성설계가 비교적 쉬움

• 반복작동에 적합함

9.5 단점

• 압축 시 좌굴 가능

• 코일 접촉에 의한 소음

• 비틀림응력 발생

• 고속작동 시 서징 가능

• 설치공간 필요

10. 압축 코일스프링의 강성

원형선재 압축 코일스프링의 강성은 다음과 같이 근사할 수 있다.

k = Gd⁴ / 8D³n

여기서,

• G: 전단탄성계수

• d: 선경

• D: 평균 코일지름

• n: 유효 권수

강성은 선경의 네제곱에 비례하고 평균 코일지름의 세제곱에 반비례한다.

따라서 선경의 작은 변화가 강성에 큰 영향을 준다.

11. 스프링 지수

스프링 지수는 평균 코일지름과 선경의 비이다.

C = D / d

스프링 지수가 너무 작으면 다음 문제가 발생한다.

• 제작 어려움

• 높은 응력집중

• 성형균열

• 피로수명 감소

스프링 지수가 너무 크면 다음 문제가 발생한다.

• 좌굴 가능성 증가

• 형상 불안정

• 큰 설치공간

• 외력에 의한 변형

12. 압축 스프링의 밀착높이

모든 코일이 서로 접촉한 상태의 스프링 길이를 밀착높이라고 한다.

설계 스트로크는 밀착높이까지 완전히 압축되지 않도록 여유를 두어야 한다.

완전 밀착이 반복되면 다음 문제가 발생할 수 있다.

• 충격하중

• 표면손상

• 영구변형

• 피로수명 감소

• 스프링 시트 손상

13. 압축 스프링의 좌굴

길고 가는 압축스프링은 압축 시 측면으로 휘어질 수 있다.

좌굴 가능성은 다음 요소에 영향을 받는다.

• 자유길이

• 코일지름

• 지지조건

• 스프링 시트 평행도

• 가이드 유무

• 편심하중

13.1 좌굴 방지방법

• 가이드 로드 적용

• 가이드 튜브 적용

• 스프링 길이 단축

• 외경 확대

• 양단 지지정렬

• 여러 개의 짧은 스프링 사용

• 배럴형 또는 원추형 스프링 적용

가이드와 스프링 사이에는 열팽창, 변형 및 공차를 고려한 적절한 간극이 필요하다.

14. 인장 코일스프링

14.1 정의

축방향 인장하중을 받으며, 양단의 후크나 루프를 통해 부품을 서로 당기는 스프링이다.

14.2 주요 특징

• 초기 장력을 가질 수 있음

• 늘어날수록 복원력이 증가함

• 설치가 비교적 간단함

• 인장방향 복귀에 적합함

14.3 주요 적용

• 도어 복귀

• 레버 복귀

• 링크장치

• 브레이크 복귀

• 커버 유지

• 벨트 장력조절

14.4 주요 고장부위

인장스프링은 코일 본체보다 후크와 루프 부분에서 응력집중이 크게 발생할 수 있다.

후크 형상과 연결부의 피로검토가 중요하다.

15. 인장스프링의 초기장력

인장스프링은 코일이 서로 밀착된 상태에서도 초기장력을 가질 수 있다.

인장스프링의 힘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

F = F_i + kx

여기서,

• (F_i): 초기장력

• k: 강성

• x: 신장량

초기장력은 유격을 제거하고 장력을 유지하는 데 유리하지만, 조립과 해제 시 예상하지 못한 힘이 발생할 수 있다.

16. 비틀림스프링

16.1 정의

코일축을 중심으로 회전변형을 받으며 토크를 발생시키는 스프링이다.

16.2 기본 관계

T = k_θ θ

여기서,

• T: 복원토크

• (k_θ): 비틀림 강성

• θ: 회전각

16.3 주요 적용

• 힌지

• 도어 복귀

• 레버 복귀

• 클립

• 래치

• 스위치

• 집게와 그리퍼

16.4 설계 고려사항

• 코일 감김 방향

• 작동 회전방향

• 다리 길이

• 지지축 지름

• 최대 회전각

• 마찰

• 코일지름 변화

• 다리부 응력

비틀림스프링은 코일을 더 감는 방향으로 사용하는 것이 일반적으로 안정적이다.

17. 판스프링

17.1 정의

얇고 긴 판재의 굽힘탄성을 이용하여 복원력을 발생시키는 스프링이다.

17.2 주요 유형

• 단일 판스프링

• 적층 판스프링

• 캔틸레버 판스프링

• 곡면 판스프링

• 스냅 판스프링

• 접점용 판스프링

17.3 장점

• 스프링과 구조부를 일체화할 수 있음

• 낮은 설치높이

• 전기접점에 적용 가능

• 특정 방향으로 높은 유연성 제공

• 형상설계 자유도가 높음

17.4 단점

• 고정부의 응력집중

• 큰 변위에 제한

• 표면결함에 민감

• 반복 굽힘피로

• 비틀림과 측면하중에 취약

18. 캔틸레버 판스프링

끝단에 하중 (F)가 작용하는 길이 (L)의 단순 캔틸레버 판스프링 변위는 다음과 같다.

δ = FL³ / 3EI

여기서,

• E: 탄성계수

• I: 단면2차모멘트

강성은 다음과 같다.

k = 3EI / L³

길이가 증가하면 강성은 길이의 세제곱에 반비례해 크게 감소한다.

19. 접시스프링

19.1 정의

원추형 와셔 형태의 스프링으로, 작은 축방향 공간에서 큰 하중을 발생시킨다.

19.2 특징

• 작은 변위에서 큰 하중

• 높은 축방향 강성

• 직렬·병렬 조합 가능

• 비선형 하중특성 구현 가능

• 예압 유지에 적합

19.3 주요 적용

• 베어링 예압

• 볼트축력 유지

• 클러치

• 브레이크

• 금형

• 안전밸브

• 공구 클램프

19.4 조합방식

같은 방향으로 겹치면 병렬조합이 되어 하중용량이 증가한다.

반대 방향으로 배열하면 직렬조합이 되어 스트로크가 증가한다.

20. 웨이브스프링

20.1 정의

원형 링 또는 와이어에 파형을 형성하여 축방향 탄성을 제공하는 스프링이다.

20.2 장점

• 작은 축방향 공간

• 낮은 밀착높이

• 베어링 예압에 적합

• 비교적 균일한 하중

• 경량화 가능

20.3 적용

• 베어링

• 씰

• 커넥터

• 밸브

• 소형 기계장치

• 전기전자기기

21. 정하중 스프링

21.1 정의

넓은 변위구간에서 비교적 일정한 힘을 발생시키는 스프링이다.

21.2 주요 유형

• 권취형 정하중 스프링

• 네게이터 스프링

• 일정토크 스프링

• 테이프 스프링

21.3 주요 적용

• 케이블 리트랙터

• 높이조절장치

• 창문과 도어

• 의료장비

• 디스플레이 암

• 제품 배출장치

21.4 장점

• 긴 스트로크

• 비교적 일정한 복원력

• 작은 설치공간

• 카운터밸런스에 적합

21.5 단점

• 권취부 피로

• 날카로운 모서리 위험

• 정렬에 민감함

• 이탈과 꼬임 가능성

22. 토션바

22.1 정의

축 또는 봉의 비틀림 탄성을 이용하여 복원토크를 발생시키는 기구이다.

22.2 기본 관계

원형축의 비틀림각은 다음과 같다.

θ = TL / GJ

따라서 비틀림강성은 다음과 같다.

k_θ = GJ / L

여기서,

• T: 토크

• L: 유효길이

• G: 전단탄성계수

• J: 극단면2차모멘트

22.3 적용

• 자동차 서스펜션

• 힌지

• 회전축 복귀

• 밸런싱기구

• 토크센서

• 충격흡수장치

23. 가스스프링

23.1 정의

밀폐된 실린더 내부의 압축가스 압력을 이용하여 축방향 힘을 발생시키는 장치이다.

23.2 주요 구성

• 실린더

• 피스톤

• 피스톤 로드

• 씰

• 가스

• 오일

• 엔드피팅

23.3 장점

• 큰 힘

• 긴 스트로크

• 비교적 완만한 힘 변화

• 댐핑기능 결합 가능

• 도어와 커버의 개폐보조

23.4 단점

• 온도에 따른 힘 변화

• 씰 마모와 가스누설

• 수명 후 힘 감소

• 수리보다 교체가 일반적

• 로드 손상에 민감함

23.5 적용

• 기계 커버

• 자동차 후드

• 장비 도어

• 높이조절장치

• 의료기기

• 의자

• 점검패널

24. 가스스프링 힘의 특성

가스스프링 힘은 내부압력과 피스톤 로드 단면적에 의해 결정된다.

F ≈ P A_r

여기서,

• P: 내부 가스압력

• (A_r): 로드 단면적

실제 힘에는 씰 마찰과 온도 영향이 포함된다.

가스 온도가 상승하면 내부압력이 증가하여 출력력이 커질 수 있다.

25. 엘라스토머 스프링

25.1 정의

고무, 우레탄, 실리콘 등의 고분자 탄성재료를 이용하여 하중을 지지하고 복원력을 발생시키는 요소이다.

25.2 장점

• 탄성과 감쇠를 동시에 제공

• 충격흡수성이 좋음

• 소음 감소

• 다양한 형상 제작 가능

• 금속 간 접촉 방지

• 부식에 강한 재료 선택 가능

25.3 단점

• 비선형 거동

• 온도 의존성

• 크리프

• 응력완화

• 화학약품 영향

• 노화와 경화

• 해석이 어려움

25.4 적용

• 방진마운트

• 범퍼

• 스토퍼

• 부싱

• 커플링

• 씰

• 제품 보호패드

• 식품용 연성 접촉부

26. 고무의 압축과 전단 사용

고무요소는 압축뿐 아니라 전단방향으로 사용할 수 있다.

26.1 압축 사용

• 높은 하중지지

• 비교적 큰 강성

• 범퍼와 스토퍼에 적합

26.2 전단 사용

• 낮은 강성 구현

• 큰 변위 허용

• 진동절연에 유리

26.3 주의사항

고무는 압축 시 측면으로 팽창하므로 완전히 구속하면 예상보다 매우 높은 강성이 나타날 수 있다.

27. 플렉셔 기구

27.1 정의

재료의 탄성변형을 이용하여 핀, 베어링 또는 슬라이더 없이 제한된 운동을 구현하는 일체형 기구이다.

27.2 주요 유형

• 플렉셔 힌지

• 크로스스프링 피벗

• 평행 판스프링 가이드

• 노치 힌지

• 다이어프램 플렉셔

• 블레이드 플렉셔

27.3 장점

• 백래시 없음

• 윤활 불필요

• 마찰이 매우 작음

• 높은 반복정밀도

• 파티클 발생이 적음

• 일체형 제작 가능

27.4 단점

• 운동범위 제한

• 응력집중

• 피로수명 제한

• 하중방향 민감성

• 제작오차에 따른 특성변화

• 과도변위 시 파손

27.5 적용

• 정밀 위치결정

• 광학장비

• 반도체 장비

• 센서

• 미세조정기구

• 의료기기

• 진공장비

28. 플렉셔 힌지

플렉셔 힌지는 국부적으로 얇게 만든 영역의 굽힘변형을 이용하여 회전운동을 제공한다.

28.1 주요 설계요소

• 최소 두께

• 노치 반경

• 힌지 폭

• 재료

• 회전각

• 축방향 하중

• 피로수명

• 응력집중

28.2 장점

• 회전중심의 높은 반복성

• 백래시 없음

• 조립부품 감소

• 윤활 불필요

28.3 주의사항

회전각을 크게 하면 힌지의 최대응력이 급격히 증가한다.

29. 다이어프램과 벨로즈

29.1 다이어프램

얇은 판 또는 막의 탄성변형으로 압력과 변위를 전달한다.

주요 적용:

• 압력센서

• 밸브

• 펌프

• 액추에이터

• 압력조절기

29.2 벨로즈

주름진 원통형 구조가 축방향으로 팽창·수축한다.

주요 적용:

• 진공장비

• 축 씰

• 열팽창 흡수

• 압력센서

• 정밀 액추에이터

29.3 주요 검토사항

• 압력

• 축방향 변위

• 반복수명

• 좌굴

• 용접부

• 부식

• 온도

• 기밀성

30. 중력식 복귀기구

30.1 정의

부품의 자중이나 카운터웨이트를 이용해 원래 위치로 복귀시키는 기구이다.

30.2 장점

• 별도의 스프링이 필요 없음

• 구조가 단순함

• 피로파손이 적음

• 큰 스트로크 구현 가능

30.3 단점

• 설치방향에 의존

• 이동체 질량 증가

• 가속도 변화에 민감함

• 복귀력이 위치에 따라 달라짐

• 고속작동에 제한

30.4 적용

• 플랩

• 중력슈트

• 체크도어

• 밸브

• 안전커버

• 자동복귀 레버

31. 카운터웨이트

카운터웨이트는 이동부의 중량과 균형을 맞춰 구동력과 복귀력을 줄이는 장치이다.

필요한 평형조건은 모멘트 균형으로 표현할 수 있다.

W₁L₁ = W₂L₂

카운터웨이트는 엘리베이터, 도어, 커버, 로봇암 및 대형 조작장치에 사용된다.

31.1 주의사항

• 웨이트 이탈

• 와이어 또는 체인 파손

• 충돌

• 가이드 마모

• 유지보수 접근

• 낙하방지

32. 자기 복원기구

영구자석 또는 전자석의 인력과 반발력을 이용하여 복원력이나 위치유지력을 발생시킨다.

32.1 장점

• 비접촉 힘 전달

• 마찰과 마모 감소

• 밀폐구조 가능

• 청정환경 적용 가능

32.2 단점

• 비선형 힘 특성

• 간극에 민감함

• 온도에 따른 자력변화

• 외부자기장 영향

• 금속분진 흡착

32.3 적용

• 자기 래치

• 비접촉 복귀

• 센서기구

• 정밀 위치결정

• 진공장비

33. 공압 복귀기구

공압 실린더나 에어스프링을 이용하여 복귀력을 발생시킨다.

33.1 방식

• 단동 실린더의 스프링 복귀

• 공압압력 복귀

• 에어쿠션

• 공기스프링

• 공압 균형회로

33.2 장점

• 힘 조절 가능

• 긴 스트로크

• 자동화 용이

• 완충기능 결합 가능

33.3 단점

• 공기의 압축성

• 공급압력 의존

• 누설

• 온도 영향

• 압력상실 시 복귀불량 가능

34. 유압 축압 복원기구

축압기나 유압회로에 저장된 압력에너지를 이용하여 복귀 또는 비상작동을 수행한다.

34.1 적용

• 비상복귀

• 압력유지

• 충격흡수

• 맥동저감

• 브레이크 작동

• 밸브 복귀

34.2 주의사항

유압 축압기는 전원이 차단되어도 큰 에너지를 저장하고 있을 수 있다.

정비 전에 압력을 안전하게 배출해야 한다.

35. 스냅액션 기구

35.1 정의

탄성요소가 임계점을 지나면서 한 안정상태에서 다른 안정상태로 빠르게 전환되는 기구이다.

35.2 특징

• 빠른 상태전환

• 명확한 클릭감

• 접점 채터링 감소

• 작은 입력으로 빠른 출력운동

• 두 개의 안정상태 구현 가능

35.3 적용

• 전기스위치

• 스냅 돔

• 래치

• 안전커버

• 온도스위치

• 바이메탈 장치

35.4 주의사항

임계하중과 복귀하중이 서로 달라 히스테리시스가 발생할 수 있다.

36. 바이안정 탄성기구

바이안정기구는 외부에너지를 지속적으로 공급하지 않아도 두 개의 안정된 위치를 유지한다.

대표적인 방식은 다음과 같다.

• 스냅판

• 오버센터 스프링

• 좌굴빔

• 자기와 스프링 조합

• 플렉셔 바이안정기구

36.1 장점

• 상태 유지에 에너지 불필요

• 명확한 위치전환

• 소형화 가능

36.2 단점

• 전환 충격

• 비선형 해석 필요

• 피로와 좌굴 민감성

• 조립공차 영향

37. 복귀기구의 배치

스프링의 위치와 작용방향은 기구의 힘, 토크 및 안정성에 큰 영향을 준다.

37.1 직선 배치

스프링이 이동방향과 동일한 축상에서 작용한다.

장점:

• 하중경로가 단순함

• 측면하중이 적음

• 계산이 쉬움

37.2 편심 배치

스프링력이 회전축에서 떨어진 위치에 작용하여 복원토크를 발생시킨다.

T = Fr

여기서,

• F: 스프링력

• r: 회전축에서 힘의 작용선까지의 거리

37.3 링크와 결합

링크각도에 따라 스프링의 변위와 출력토크가 비선형적으로 변한다.

37.4 캠과 결합

캠 프로파일을 이용하여 원하는 힘–변위 관계를 구현할 수 있다.

38. 스프링과 레버의 조합

레버와 스프링을 조합하면 작은 스프링 변위로 큰 출력변위를 얻거나, 반대로 큰 스프링력을 작은 출력력으로 변환할 수 있다.

회전축에 대한 토크평형은 다음과 같다.

F_s L_s = F_o L_o

여기서,

• (F_s): 스프링력

• (L_s): 스프링 작용거리

• (F_o): 출력력

• (L_o): 출력 작용거리

레버각이 변하면 유효 작용거리도 변하므로 실제 출력은 비선형이 될 수 있다.

39. 캠을 이용한 복원력 조절

캠과 스프링을 결합하면 위치에 따른 복원력을 조절할 수 있다.

대표적인 목적은 다음과 같다.

• 일정한 조작력

• 초기에는 약하고 후반에는 강한 힘

• 데드센터 통과

• 오버센터 잠금

• 소프트 클로징

• 급속복귀

캠 프로파일은 접촉응력, 마찰, 롤러 크기 및 제조공차를 함께 고려해야 한다.

40. 복귀속도와 동적 거동

복원력이 크다고 항상 복귀성능이 좋은 것은 아니다.

복귀속도는 다음 요소에 의해 결정된다.

• 스프링 강성

• 이동질량

• 마찰

• 감쇠

• 초기변위

• 공기저항

• 충돌 스토퍼

• 유체저항

질량–스프링 시스템의 고유진동수는 다음과 같이 근사할 수 있다.

f_n = 1 / 2π × √(k / m)

여기서,

• (f_n): 고유진동수

• k: 강성

• m: 유효질량

작동주파수가 고유진동수에 가까워지면 공진이 발생할 수 있다.

41. 감쇠

감쇠는 운동에너지를 열 등으로 소산하여 진동과 반복운동을 감소시키는 특성이다.

41.1 주요 감쇠방식

• 점성감쇠

• 마찰감쇠

• 고무 내부감쇠

• 공압감쇠

• 유압감쇠

• 와전류감쇠

41.2 스프링과 댐퍼의 관계

스프링은 에너지를 저장하고 되돌려주지만, 댐퍼는 에너지를 소산한다.

빠르고 안정적인 복귀를 위해 스프링과 댐퍼를 함께 사용하는 경우가 많다.

41.3 과도한 감쇠

감쇠가 지나치게 크면 복귀가 느리거나 완전한 원위치 복귀가 어려울 수 있다.

42. 서징과 공진

코일스프링이 고속으로 반복작동하면 코일 자체에 탄성파가 발생하여 서징이 나타날 수 있다.

서징은 다음 문제를 일으킨다.

• 스프링 진동

• 힘의 불안정

• 소음

• 코일 충돌

• 피로파손

42.1 방지방법

• 작동주파수 변경

• 스프링 질량 감소

• 가변 피치 사용

• 감쇠요소 추가

• 내부 또는 외부 가이드 적용

• 스프링 형상 변경

43. 마찰과 복귀불량

복원력보다 마찰력이 크면 기구가 원위치로 돌아가지 않을 수 있다.

복귀조건은 일반적으로 다음과 같다.

F_return > F_friction + F_external

마찰의 주요 원인은 다음과 같다.

• 가이드 정렬불량

• 씰 마찰

• 부시 마찰

• 오염

• 부식

• 윤활 부족

• 측면하중

• 조립변형

복귀기구 설계에서는 최소 복원력이 최대 예상마찰력보다 충분히 커야 한다.

44. 히스테리시스

같은 변위에서도 하중을 증가시킬 때와 감소시킬 때 힘이 다르게 나타나는 현상이다.

히스테리시스의 원인은 다음과 같다.

• 재료 내부감쇠

• 마찰

• 고무의 점탄성

• 링크 유격

• 접촉면 미끄럼

• 자기력 변화

히스테리시스는 충격과 진동을 줄이는 데 유리할 수 있지만, 정밀한 힘 제어와 위치복귀에는 오차를 발생시킨다.

45. 크리프와 응력완화

45.1 크리프

일정한 하중이 장시간 작용할 때 변형이 점차 증가하는 현상이다.

45.2 응력완화

일정한 변형이 유지될 때 복원력이 시간에 따라 감소하는 현상이다.

45.3 영향을 많이 받는 재료

• 고무

• 우레탄

• 플라스틱

• 고온에서 사용하는 금속스프링

45.4 대책

• 사용온도 저감

• 초기변형 감소

• 적절한 재료 선정

• 예압 여유 확보

• 정기적인 힘 확인

• 교체주기 설정

46. 스프링 피로

스프링은 반복하중을 받으므로 정적강도보다 피로강도가 중요할 수 있다.

46.1 피로에 영향을 주는 요소

• 응력진폭

• 평균응력

• 반복횟수

• 표면거칠기

• 부식

• 스크래치

• 열처리

• 잔류응력

• 작동온도

• 코일 접촉

46.2 피로수명 향상방법

• 최대응력 감소

• 응력범위 감소

• 샷피닝

• 표면연마

• 적절한 열처리

• 부식방지

• 프리세팅

• 코일 충돌 방지

• 후크 형상 개선

47. 프리세팅과 스크래깅

압축스프링을 사용하중보다 큰 하중으로 미리 압축하여 초기 영구변형을 의도적으로 발생시키는 공정이다.

47.1 목적

• 사용 중 길이변화 감소

• 하중 안정화

• 허용응력 향상

• 초기 자리잡음 제거

프리세팅 조건이 지나치면 스프링의 유효 스트로크와 피로수명이 감소할 수 있다.

48. 스프링 재료

48.1 탄소강 스프링선

• 일반 기계용

• 경제적

• 높은 강도

• 부식환경에는 표면처리 필요

48.2 피아노선

• 높은 인장강도

• 우수한 피로성능

• 정밀 소형스프링에 적합

48.3 오일 템퍼선

• 충격과 반복하중에 적합

• 중대형 스프링에 사용

48.4 스테인리스 스프링강

• 내식성

• 식품기계

• 의료기기

• 습윤환경

48.5 내열 합금

• 고온환경

• 엔진

• 배기장치

• 열처리장비

48.6 구리 합금

• 전기전도성

• 비자성

• 전기접점

• 부식저항

49. 표면처리와 부식방지

대표적인 표면처리는 다음과 같다.

• 아연도금

• 니켈도금

• 인산염피막

• 흑착색

• 전착도장

• 분체도장

• 패시베이션

• 유기코팅

• 쇼트피닝

표면처리는 부식저항을 높일 수 있지만 수소취성, 치수변화 및 피로성능 영향을 검토해야 한다.

50. 스프링 끝단과 시트

압축스프링의 끝단은 하중을 균일하게 전달하도록 설계해야 한다.

주요 끝단형식은 다음과 같다.

• 오픈 엔드

• 오픈 엔드 연삭

• 클로즈드 엔드

• 클로즈드 엔드 연삭

평탄도가 중요한 경우에는 클로즈드 엔드 연삭형을 사용한다.

스프링 시트는 다음을 고려해야 한다.

• 중심정렬

• 평면도

• 마모

• 회전

• 윤활

• 이탈방지

51. 스프링 가이드

스프링 가이드는 스프링의 좌굴, 이탈 및 측면운동을 방지한다.

51.1 내부 가이드

가이드 로드가 스프링 내부를 통과한다.

51.2 외부 가이드

가이드 튜브가 스프링 외부를 감싼다.

51.3 설계 고려사항

• 최대 외경과 최소 내경

• 열팽창

• 코일 변형

• 오염

• 마찰

• 윤활

• 조립성

가이드와 스프링 사이의 마찰이 과도하면 복귀력이 불안정해질 수 있다.

52. 중복 및 이중스프링

하나의 스프링이 파손되어도 기능을 유지해야 하는 경우 이중스프링을 사용할 수 있다.

대표적인 방식은 다음과 같다.

• 동심 이중스프링

• 병렬 다중스프링

• 주스프링과 보조스프링

• 스프링과 중력복귀 조합

• 스프링과 브레이크 조합

동심 이중스프링은 서로 반대 감김방향을 사용하여 파손된 코일의 간섭을 줄일 수 있다.

53. 과도변위 방지

스프링이나 플렉셔가 허용범위 이상 변형되지 않도록 기계식 제한장치를 적용한다.

대표적인 방식은 다음과 같다.

• 스토퍼

• 가이드 숄더

• 제한핀

• 케이블

• 보조링크

• 범퍼

• 과부하 센서

과도변위 방지장치는 정상작동에서는 접촉하지 않고 비정상상태에서만 작동하도록 설계하는 것이 바람직하다.

54. 탄성요소의 파손안전

스프링이 파손될 때 파편이 튀거나 기구가 급격히 움직일 수 있다.

주요 대책은 다음과 같다.

• 보호커버

• 스프링 내부 안전로드

• 이탈방지 케이블

• 이중스프링

• 파손검출센서

• 이동범위 제한

• 잔류에너지 방출절차

• 정기교체

인장스프링은 파손 시 양쪽 연결부가 빠르게 움직일 수 있으므로 특히 주의해야 한다.

55. 센서와 상태감시

탄성 및 복원기구의 상태는 다음 방법으로 감시할 수 있다.

• 위치센서

• 변위센서

• 힘센서

• 토크센서

• 스트레인게이지

• 근접센서

• 스프링 파손센서

• 진동센서

• 카메라 검사

55.1 감시항목

• 복귀완료

• 최대변위

• 예압

• 복원력

• 반복시간

• 영구변형

• 피로균열

• 복귀지연

복귀위치만 감지하면 실제 복원력 저하를 확인하지 못할 수 있으므로 필요하면 힘이나 변위 데이터를 함께 감시한다.

56. 안전설계

56.1 주요 위험

• 저장에너지의 갑작스러운 방출

• 스프링 파손과 비산

• 손가락 끼임

• 인장스프링 후크 이탈

• 가스스프링 파손

• 고압가스 누출

• 플렉셔 파단

• 복귀부 충돌

• 정비 중 갑작스러운 작동

56.2 보호대책

• 보호커버

• 에너지 방출절차

• 스토퍼

• 이탈방지장치

• 안전핀

• 정비용 지지대

• 파손감시

• 경고표시

• 교체주기 관리

56.3 정비 시 주의

탄성요소를 분해하기 전에는 예압과 저장에너지를 제거해야 한다.

가압된 가스스프링과 축압기는 임의로 절단하거나 천공해서는 안 된다.

57. 식품기계의 탄성 및 복원기구

식품기계에서는 탄성성능과 함께 위생성, 세척성, 내식성 및 부품이탈 방지를 고려해야 한다.

57.1 주요 요구사항

• 식품잔류물이 축적되지 않는 구조

• 노출 코일과 깊은 틈 최소화

• 개방형 세척구조

• 내식성 재료

• 식품용 윤활제

• 파손부품 이탈방지

• 세척액과 약품에 대한 저항

• 공구 없이 분리 가능한 구조의 관리

57.2 권장 방식

• 스테인리스 스프링

• 밀폐형 가스스프링

• 위생형 엘라스토머

• 캡티브 스프링 구조

• 외부오염을 막는 보호튜브

• 일체형 플렉셔

57.3 주의사항

코일스프링 내부와 후크 연결부는 세척이 어려울 수 있으므로 직접 식품접촉구역에서는 밀폐하거나 위생구역 밖에 배치하는 것이 좋다.

58. 포장기계의 탄성 및 복원기구

포장기계에서는 고속 반복작동과 제품변경 대응이 중요하다.

주요 적용은 다음과 같다.

• 실링조 복귀

• 커터 복귀

• 필름 텐션암

• 가이드 예압

• 제품 스토퍼

• 퀵 체인지 래치

• 도어와 커버

• 센서 브래킷

주요 요구사항은 다음과 같다.

• 빠른 복귀

• 높은 반복수명

• 낮은 관성

• 복귀완료 검출

• 제품손상 방지

• 오염과 분진에 대한 내성

59. 공작기계의 탄성 및 복원기구

공작기계에서는 높은 강성, 정밀도, 피로수명 및 절삭유 저항이 중요하다.

주요 적용은 다음과 같다.

• 공구 클램프 접시스프링

• 베어링 예압

• 볼스크루 예압

• 커버 복귀

• 칩커버 텐션

• 공구교환기 복귀

• 센서 접촉기구

• 가이드 유격 제거

공구 클램프용 스프링은 큰 반복하중을 받으므로 개별 스프링의 파손뿐 아니라 전체 클램핑력 저하를 감시해야 한다.

60. 로봇과 자동화장비의 적용

주요 적용은 다음과 같다.

• 그리퍼 핑거 복귀

• 케이블 텐셔너

• 툴체인저 잠금

• 충돌완화기구

• 센서 플로팅 마운트

• 안전범퍼

• 관절 밸런싱

• 비상복귀

설계 시 다음을 검토한다.

• 반복수명

• 복귀시간

• 로봇 가속도

• 케이블 간섭

• 파손 시 제품낙하

• 위치센서

• 유지보수성

61. 적용 사례

61.1 스프링 복귀 공압실린더

공압 공급
→ 실린더 전진
→ 스프링 압축
→ 공압 배출
→ 스프링력으로 복귀

주요 검토사항:

• 공급압력

• 스프링력

• 씰 마찰

• 복귀속도

• 압력상실 시 안전위치

• 스프링 피로

61.2 기계 커버용 가스스프링

커버 개방
→ 가스스프링 신장
→ 개방력 보조
→ 커버 닫힘
→ 가스 압축

주요 검토사항:

• 커버 중량

• 힌지 위치

• 가스스프링 설치각도

• 개방토크

• 닫힘 초기력

• 온도변화

• 수명

61.3 공구 클램프 접시스프링

접시스프링 예압
→ 드로바 인장
→ 공구 클램프
→ 유압 또는 공압으로 언클램프
→ 압력 해제 후 재클램프

주요 검토사항:

• 클램핑력

• 접시스프링 배열

• 피로수명

• 스프링 파손

• 언클램프 스트로크

• 힘 감시

61.4 플렉셔 정밀가이드

액추에이터 입력
→ 플렉셔 탄성변형
→ 평행 이동
→ 입력 제거
→ 원위치 복귀

주요 검토사항:

• 최대응력

• 이동범위

• 기생운동

• 반복정밀도

• 피로

• 온도변형

61.5 필름 텐션암

필름 장력 변화
→ 암 회전
→ 스프링 변형
→ 장력 보상
→ 공급속도 안정화

주요 검토사항:

• 장력범위

• 암 관성

• 복원토크

• 댐핑

• 필름 손상

• 위치센서

62. 해석 및 설계도구

62.1 정적해석

• 스프링력

• 변위

• 예압

• 최대응력

• 접촉압력

• 좌굴

62.2 피로해석

• 평균응력

• 응력진폭

• 반복횟수

• 응력집중

• 표면상태

• 부식영향

62.3 동역학해석

• 고유진동수

• 공진

• 복귀시간

• 충돌속도

• 서징

• 감쇠

62.4 비선형해석

• 접시스프링

• 고무

• 플렉셔

• 대변형

• 접촉

• 스냅스루

62.5 운동해석

• 링크와 스프링의 변위관계

• 캠 프로파일

• 작용점 변화

• 복원토크

• 간섭

• 스토퍼 접촉

63. 탄성 및 복원 기구 선정 절차

63.1 요구기능 정의

• 원위치 복귀

• 접촉력 유지

• 예압

• 충격흡수

• 진동절연

• 공차보상

• 안전복귀

• 에너지 저장

63.2 하중과 운동 정의

• 직선력

• 토크

• 스트로크

• 회전각

• 작동속도

• 반복횟수

• 충격

• 설치방향

63.3 필요한 힘 특성 결정

• 선형

• 비선형

• 점진적 강성

• 정하중

• 스냅액션

• 바이안정

63.4 탄성요소 선정

• 압축스프링

• 인장스프링

• 비틀림스프링

• 판스프링

• 접시스프링

• 웨이브스프링

• 가스스프링

• 엘라스토머

• 플렉셔

• 토션바

63.5 설치공간 검토

• 자유길이

• 밀착높이

• 외경과 내경

• 가이드

• 작동궤적

• 조립공간

• 교체공간

63.6 강도와 수명 검토

• 최대응력

• 탄성한계

• 피로

• 좌굴

• 크리프

• 응력완화

• 부식

• 온도

63.7 동적성능 검토

• 복귀시간

• 고유진동수

• 공진

• 서징

• 충격

• 감쇠

• 소음

63.8 안전성 검토

• 저장에너지

• 파손비산

• 이탈

• 과도변위

• 정비 시 에너지 제거

• 이중화

• 파손감시

63.9 환경 검토

• 온도

• 습도

• 세척

• 화학약품

• 부식

• 진공

• 식품접촉

• 클린룸

63.10 시험과 검증

• 하중–변위 시험

• 복귀력 시험

• 반복수명 시험

• 영구변형 시험

• 온도시험

• 부식시험

• 진동시험

• 파손시험

• 복귀시간 측정

64. 결론

탄성 및 복원 기구는 외력에 의해 변형될 때 에너지를 저장하고, 외력이 제거되면 저장된 에너지를 이용하여 부품이나 기구를 원래 위치 또는 지정된 위치로 되돌리는 기계기구이다.

압축·인장·비틀림 코일스프링은 가장 일반적인 복원요소이며, 판스프링과 플렉셔는 구조기능과 탄성기능을 일체화하는 데 유리하다. 접시스프링과 웨이브스프링은 제한된 축방향 공간에서 예압을 제공하며, 정하중 스프링은 긴 스트로크에서 비교적 일정한 힘을 발생시킨다.

가스스프링은 큰 힘과 긴 스트로크를 제공하며 커버와 도어의 개폐보조에 적합하다. 엘라스토머는 탄성과 감쇠를 동시에 제공하여 진동과 충격을 줄인다. 중력, 카운터웨이트 및 자기력을 이용한 복귀방식은 금속스프링을 사용하지 않고도 복원기능을 구현할 수 있다.

탄성기구는 복원력만으로 선정해서는 안 된다. 강성, 변위, 예압, 저장에너지, 응력, 피로, 좌굴, 공진, 감쇠, 크리프, 온도 및 마찰을 함께 검토해야 한다. 특히 반복작동기구에서는 최대응력보다 응력범위와 피로수명이 더 중요한 경우가 많다.

복원력이 마찰력보다 작으면 원위치 복귀가 불완전해질 수 있으며, 복원력이 지나치게 크면 작동력, 충격, 마모 및 작업물 변형이 증가한다. 빠른 복귀가 필요한 경우에는 스프링 강성뿐 아니라 이동질량과 감쇠를 함께 조절해야 한다.

스프링, 가스스프링 및 축압기에는 상당한 에너지가 저장될 수 있다. 분해와 정비 전에는 예압과 압력을 안전하게 제거해야 하며, 파손 시 비산과 급격한 이동을 방지하는 커버, 스토퍼 및 이탈방지장치를 적용해야 한다.

탄성 및 복원 기구는 다음 순서로 설계하고 선정하는 것이 적절하다.

요구기능과 안전위치 정의
→ 하중·토크·스트로크·회전각 분석
→ 필요한 힘–변위 특성 결정
→ 탄성요소와 복귀방식 선정
→ 예압과 설치공간 결정
→ 강성·응력·좌굴 검토
→ 피로·크리프·온도영향 검토
→ 이동질량·공진·감쇠 검토
→ 가이드·스토퍼·이탈방지 설계
→ 파손 및 저장에너지 위험 검토
→ 환경·위생·부식 조건 검토
→ 하중–변위·복귀시간·수명시험 수행

적절하게 설계된 탄성 및 복원 기구는 기계의 반복성, 응답성, 충격흡수성, 안정성, 안전성 및 유지보수성을 향상시키는 핵심적인 기계구성요소이다.