liminfoSpring Design Calculator
압축/인장/비틀림 스프링 설계 계산기
세부사항
Spring Design Calculator 소개
압축 스프링 설계 계산기는 확립된 기계 설계 공식을 사용해 헬리컬 압축 스프링의 핵심 설계 파라미터를 계산하는 기계공학 도구입니다. 선 직경(d, mm), 평균 코일 직경(D, mm), 유효 코일 수(Na), 자유 길이(Lf, mm), 재료를 입력하면 스프링 상수(k, N/mm), 밀착 높이에서의 최대 하중, 최대 변위, 밀착 길이(Ls), 스프링 지수(C = D/d), Wahl 응력 수정 계수(Kw), 최대 전단응력, 허용 전단응력(Sut의 45%), 응력 안전계수, 총 선재 길이, 중량(g)을 반환합니다.
이 도구는 여섯 가지 일반적인 스프링 재료를 지원합니다: 뮤직 와이어(ASTM A228, G=81.7 GPa, Sut=2170 MPa), 스테인리스강 302(G=69.0 GPa, Sut=1300 MPa), 크롬 바나듐 ASTM A232(G=77.2 GPa, Sut=1790 MPa), 크롬 실리콘 ASTM A401(G=77.2 GPa, Sut=2000 MPa), 인청동 B159(G=41.4 GPa, Sut=1000 MPa), 베릴륨 구리 B197(G=48.3 GPa, Sut=1310 MPa). 응력 안전계수는 1.0 이상이면 녹색(안전), 미만이면 빨간색(과응력)으로 표시됩니다. 양단 연마(Squared-and-Ground End) 가공을 가정하므로 총 코일 수 Nt = Na + 2입니다.
기계 엔지니어, 금형 설계자, 제품 개발팀, 공학 학생들이 시제품 제작 전 스프링 설계 검증에 이 계산기를 활용합니다. 모든 계산은 React useMemo 훅을 사용해 브라우저 내에서 실행되며, 표준 공식 k = Gd⁴ / (8D³Na)와 Wahl 보정 계수 Kw = (4C−1)/(4C−4) + 0.615/C를 사용합니다. 설계 데이터는 외부 서버로 전송되지 않으며 계정도 필요하지 않습니다.
주요 기능
- 스프링 상수 k = Gd⁴ / (8D³Na) (N/mm) 실시간 계산
- Wahl 응력 수정 계수 Kw = (4C−1)/(4C−4) + 0.615/C로 정확한 응력 해석
- 밀착 높이에서의 최대 전단응력 및 Sut 45% 기준 허용 전단응력
- 안전계수 색상 표시: 1.0 이상 녹색(안전), 미만 빨간색(과응력)
- 정확한 G(전단탄성계수) 및 Sut 값을 가진 6가지 재료 프리셋
- 밀착 길이, 스프링 지수, 총 코일 수, 선재 길이, 중량(g) 계산
- 양단 연마(Nt = Na + 2) 가정 기반 밀착 길이 계산
- 100% 클라이언트 사이드 — 설계 데이터가 브라우저 밖으로 전송되지 않음
자주 묻는 질문
이 스프링 계산기는 어떤 공식으로 스프링 상수를 계산하나요?
스프링 상수(강성)는 표준 공식 k = Gd⁴ / (8D³Na)로 계산됩니다. G는 재료의 전단탄성계수(MPa), d는 선 직경(mm), D는 평균 코일 직경(mm), Na는 유효 코일 수입니다. 결과는 N/mm(뉴턴/밀리미터) 단위입니다. 이 공식은 원형 단면 선재의 비틀림 변위에 훅의 법칙을 적용해 도출됩니다.
Wahl 보정 계수란 무엇이며 왜 중요한가요?
Wahl 보정 계수(Kw)는 헬리컬 스프링에서 응력을 높이는 두 가지 효과, 즉 코일의 곡률과 직접 전단응력 성분을 반영합니다. 이 보정 없이는 응력이 가장 높은 코일 내부 면에서의 실제 응력을 과소평가하게 됩니다. Kw = (4C−1)/(4C−4) + 0.615/C이며, 스프링 지수 6에서 Kw ≈ 1.25로, 단순 계산보다 25% 높은 응력이 발생함을 의미합니다.
스프링 지수란 무엇이며 적합한 값 범위는 어떻게 되나요?
스프링 지수 C = D/d는 평균 코일 직경과 선 직경의 비율입니다. 대부분의 용도에서 4~12 사이가 적합합니다. 4 미만이면 코일이 너무 촘촘해 제조가 어렵고 응력 집중이 높아집니다. 12 초과하면 좌굴과 엉킴이 발생하기 쉽습니다. 6~9 사이가 가장 일반적이고 제조 친화적인 범위입니다.
밀착 길이는 어떻게 계산하나요?
밀착 길이 Ls는 모든 코일이 맞닿을 때의 압축 높이입니다. 양단 연마(정밀 스프링의 가장 일반적인 형태)의 경우 총 코일 수 Nt = Na + 2(양단 각 1개의 비활성 코일 추가)이고, Ls = Nt × d입니다. 최대 변위는 Lf − Ls로, 스프링이 완전히 압축되기 전까지의 최대 작동 스트로크입니다.
허용 전단응력을 Sut의 45%로 설정하는 이유는 무엇인가요?
Sut(극한인장강도)의 45%는 스프링 선재에 대한 업계 표준 정적 허용 전단응력입니다. 항복에 대한 안전계수를 포함하면서 강철의 전단 강도가 일반적으로 Sut × 0.67 수준임을 감안한 보수적인 기준입니다. 반복 하중(피로 하중)이 적용되는 경우 내구한도 데이터를 기반으로 더 낮은 응력 한계를 사용해야 합니다.
유효 코일 수와 총 코일 수의 차이는 무엇인가요?
유효 코일(Na)은 하중을 받아 변위하는 코일로, 자유롭게 움직입니다. 비활성 코일은 단부 판과 접촉하는 양단 코일로 변위하지 않습니다. 양단 연마의 경우 각 단부에 비활성 코일이 약 1개씩 있으므로 총 코일 수 Nt = Na + 2입니다. 밀착 길이는 총 코일 수에 의존하지만, 스프링 상수는 유효 코일 수에만 의존합니다.
내 용도에 어떤 스프링 재료를 선택해야 하나요?
뮤직 와이어(ASTM A228)는 가장 높은 강도(Sut 2170 MPa)를 제공하며 상온에서 정적 또는 저주기 용도에 가장 일반적으로 선택됩니다. 크롬 실리콘(ASTM A401)은 고온 또는 고주기 피로 용도에 적합합니다. 스테인리스강 302는 내부식성이 필요한 경우 사용합니다. 인청동과 베릴륨 구리는 전기 전도성이나 비자성 특성이 필요한 경우 사용되지만 강도는 상당히 낮습니다.
이 계산기를 인장 스프링에도 사용할 수 있나요?
이 계산기는 양단 연마 헬리컬 압축 스프링을 위해 특별히 설계되었습니다. 인장 스프링은 초기 장력, 다른 단부 형태, 다른 밀착 높이 계산이 필요합니다. 스프링 상수 공식 k = Gd⁴/(8D³Na)는 동일하지만, 초기 장력 응력과 후크 형상 보정이 필요한 응력 해석은 다릅니다. 인장 스프링 설계에는 초기 장력과 후크 형상 등 추가 파라미터를 고려해야 합니다.