깃털처럼 가볍고 강철처럼 강한 스프링

스프링은 눈에 잘 띄지 않지만 중요한 구성 요소 가운데 하나이다. 스프링 분야의 새로운 제품의 개발 과정과 응용 분야를 이 글에서 확인할 수 있다.

슈테파니 미헬(Stefanie Michel)

핵심 내용

  • ACE는 스테인리스 스틸 로프로 만든 와이어로프 스프링을 제공한다. 특수한 형태의 이 제품은 충격과 진동을 받지 않도록 배치할 수 있다.
  • Smalley의 Crest-to-Crest 시리즈는 기어 박스 제조업체의 관심을 끌기에 충분하다. 이 다층 웨이브 스프링은 축 방향 설치 공간을 50% 덜 차지한다.
  • 압축 스프링이 있는 대형 밸브용 로터리 액추에이터의 디스크 스프링을 교체할 경우, Lesjöfors의 공구강으로 만든 고강도 스프링이 적합하다.

금속 스프링은 인장이나 압력에 반응하는 탄성 변형이 가능한 구성 요소이다. 여기에는 수많은 디자인과 크기의 스프링들이 구비되어 있다. 특히 산업 분야에서는 드라이브 기술, 측정 기술, 전자 장치, 산업 기계와 같은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 스프링은 전면에 잘 드러나지 않는 C-파트이다. 이렇게 눈에 잘 띄지 않는 구성 요소이지만 계속 발전하고 있으며, 특수한 디자인 제품도 제공되고 있다. 이 글에서 스프링 제조업체들의 개발 상황을 간략하게 소개한다.

다양한 표준 스프링

엔니지니어링 스프링은 수많은 제품 내부에서 겉으로 드러나지 않게 작업을 수행한다. Gutekunst Federn은 표준 제품 라인에서 다양한 모양과 변이, 크기 및 수량으로 전 세계 고객에게 서비스를 제공하고 있다. 네덜란드 메찡어에 위치하고 있는 이 스프링 업체는 다양한 스프링을 표준으로 제공한다. 가장 수요가 많은 크기의 압축, 인장 및 비틀림 스프링 및 다양한 잠금 요소에 대한 주문 사항들을 정기적으로 평가하여 지속적으로 개발 프로세스를 진행하고 있으며, 이를 제품 카탈로그에 계속 추가하고 있다. 현재 12,603가지의 다양한 스프링을 제공하고 있으며, 평균 재고 가용성이 카탈로그 범위의 92%이다. 일반적인 배송 시간이 2 ~ 5일이며 수요가 많은 스프링의 납기는 짧고, 그에 비해 개별 맞춤형 제품은 생산하는 데 3 ~ 5주의 시간이 소요된다.

스프링 다양성은 적용 분야에 경계가 없으며, Gutekunst는 표준 범위로 모든 스프링 요건을 충족할 수 없기 때문에, 고객 요건에 따라 원하는 스프링 재료로 최대 12mm 와이어 두께까지 원하는 스프링을 소량 및 대형 시리즈로 제조하고 있다. Gutekunst는 170 TFC 자동 와인더가 포함된 기계의 생산 능력과 다양한 스프링을 바탕으로 고객의 요건에 유연하게 대응하고 있다.

Smalley/TFC의 다층 크레스트-크레스트 웨이브 스프링은 기어 림을 지지하기 위해 사용한다.

와이어로프 스프링은 극한 상황에서 충격을 감쇠한다

최근 ACE Stoßdämpfer GmbH는 진동 기술 분야의 신제품 시리즈인 와이어로프 스프링을 출시했다. 이 시리즈는 진동과 충격 감쇠 및 이를 차단하고 진동을 분리하여 불리한 조건에서 사용할 수 있는 솔루션이다. 이 새로운 제품은 특히 열, 저온, 해수 및 자외선에 대한 내성을 가지고 있다. 이 제품들은 영구적으로 높은 진동과 충격을 흡수하는 특성을 제공한다.

기계와 시스템에 와이어로프 스프링을 전문적인 방식으로 안정적으로 배치하면, 기계와 시스템이 정확하게 작동하고, 정확한 측정 결과를 얻을 수 있으며, 인접 공간과 확장된 환경으로 진동 전달을 방지할 수 있다. 이처럼 제진 기술은 진동 및 충격 등 소음 공해와 관련이 있어 작업자 보호에도 매우 중요하다.

와이어로프 스프링은 저항성 알루미늄 합금 또는 스테인리스강으로 스프링을 제작하기 때문에 응용 범위를 확장하고 극한 상황에서도 충격과 진동을 제어해야 하는 모든 응용 분야에 적합하며, 까다로운 환경 조건에서도 견고한 기계요소에 거의 영향을 미치지 않는다.

ACE의 세 가지 새로운 제품은 녹슬지 않는 스테인리스 스틸 로프 재질로 특수한 형태로 만들어졌으며, 모든 응용 분야에서 개별 와이어 사이의 마찰로 인해 평균 이상의 감쇠를 보인다. 와이어로프 스프링, 콤팩트 스프링 및 짧은 디자인의 와이어로프 스프링은 다양한 응용 분야에서 충격과 다양한 진동을 차단하고, 하중 스펙트럼은 약 300 ~ 2,000kg에 이른다. 낮은 질량 범위는 하드 드라이브 및 측정 장비의 배치를 위한 것으로, 높은 질량 범위는 컨테이너와 기계 운반에 사용한다. 이는 전자 제품 상자, 펌프, 압축기 및 모든 종류의 카메라 진동 및 충격 감소 보관을 포함하여 다른 응용 분야에도 적용된다. 또한 와이어로프 스프링은 군사용 애플리케이션의 특수 요건을 충족하고 MIL 사양에 부합한다.

와이어로프로 만들어진 스프링은 스프링 편향이 크고, 고유 주파수가 낮으며, 공명 전달이 낮아 충격 발생 시에도 진폭이 급격히 감소한다. 또한 동적 충돌 이후 ACE의 이 제품 라인에도 피로의 징후가 없으며, -130 ~ 260°C의 극한 온도와 환경 조건에서 사용할 수 있다. 사용자는 스테인리스 스틸 와이어와 알루미늄 고정 스트립으로 만들어진 표준 버전 외에도 선택적으로 완전한 스테인리스 스틸 버전을 주문할 수 있다.

ACE의 새로운 와이어 로프 스프링은 극한 조건에서 가볍거나 무거운 장치 및 기계를 전문적으로 배치하거나 진동을 차단하기 위해 적합하다.

기어 제조를 위한 공간 절약형 웨이브 스프링

기어 박스를 설계할 때 Smalley의 웨이브 스프링을 사용하면 설치 공간을 줄일 수 있다. 공급업체 TFC는 기어 제조 과정에서 이 스프링을 어느 지점에 사용하는지 잘 보여주었다. 웨이브 스프링과 서클립은 공차를 보상하고, 샤프트의 속도를 높여, 롤러 베어링을 예압 상태에 놓거나, 기어를 제자리에 고정하거나, 기어 구조의 불균형을 줄인다. Smalley의 두 C-부품은 기능적 운동학 분야의 이러한 장점 외에 압연 플랫 와이어로 만들어 몇 가지 전형적인 디자인 특성이 있다. 이를 통해 기계 및 플랜트 건설과 중형 자동차 및 소형 전기 자전거 변속기 구현에서 설계 단순화와 설치 공간 감소의 장점을 제공한다.

ACE는 케이블 직경이 1.59 ~ 31.75mm인 새로운 와이어 로프 스프링과 M4 × 0.7 ~ M20 × 2.5의 나사산을 사용하여 다양한 디자인과 짧은 구조로 조립할 수 있는 새로운 와이어 로프 스프링을 제공한다.

웨이브 스프링으로 축 방향 설치 공간 절약

Smalley의 Crest-to-Crest 웨이브 스프링 시리즈는 기어 박스 제조업체에서 관심을 끌고 있다. 이러한 유형의 다층 웨이브 스프링은 파형 플랫 와이어 나선형의 고점과 저점이 높은 기하학적 정밀도로 특수 설계가 가능이다. 기존의 원형 와이어 스프링과 비교하여 동일한 스프링 편향 및 동일한 부하 용량을 가진 Crest-to-Crest 웨이브 스프링은 축 방향 설치 공간을 최대 50% 덜 사용한다. 따라서 기어 박스 제조업체는 공차 또는 공차 체인의 축 보정을 위해 작은 스트로크 길이와 공간 절약형 설계를 사용하여, 컴팩트한 예압 솔루션을 개발할 수 있다. 이러한 설치 공간의 축소는 재료 사용이 줄기 때문에 변속기의 무게도 감소한다.

기어 제작 및 구동 기술에서 웨이브 스프링 사용 예시:

• 온도 관련 팽창 보상,

• 부유식 구조의 실현,

• 피스톤 밸브 설정,

• 기계적 역압 시스템(레버)

Crest-to-crest 스프링 외에 단층 웨이브 스프링 그리고 더 높은 힘이 필요한 경우 Spirawave 웨이브 스프링이 있다. 이 스프링은 평평한 와이어 나선형이 평행하면서 서로 포개지는 다수의 레이어로 구성된다.

ACE의 새로운 와이어 로프 스프링 시리즈에는 케이블 직경이 1.59 ~ 6.35mm이고 나사산이 M3 × 0.5 ~ M8 × 1.25인 다양한 디자인의 7가지 소형 스프링 유형이 포함된다.

이상적인 원으로 가는 길

TFC 포트폴리오의 모든 Smalley 웨이브 스프링은 No-Tooling-Cost 또는 Circular-Grain 프로세스로 알려진 기술을 사용하여 제조된다. 이 에지 와인딩 기술은 거의 이상적인 원을 생성하기 위해 압연된 플랫 와이어를 높은 에지를 통해 안내한다. Smalley는 이 기술을 수십 년에 걸쳐 개발하였고, 이제 다른 재료와 작은 직경으로 스프링을 제조하는 데 사용하고 있다. Crest-to-Crest 웨이브 스프링은 미터와 인치 치수의 다양한 크기로 제공되며, 특수 솔루션으로 직경이 4.0mm에 불과하다. 이 기술은 e-모빌리티 애플리케이션과 같이 매우 콤팩트한 장치를 전문으로 하는 변속기 제조업체 또는 시스템 공급업체가 혜택을 누릴 수 있다.

공구강으로 만든 압축 스프링은 고온을 견딜 수 있으며, 스테인리스 강 또는 초합금으로 만든 버전보다 저렴하다.

고온용 압축 스프링

스프링 제조업체인 Lesjöfors는 고온에서 내구성이 강한 스프링에 대한 수요를 충족하도록 새로운 소재를 성공적으로 테스트하였다. 이 기술의 배경에는 압축 스프링이 있는 대형 밸브용 로터리 액추에이터의 디스크 스프링을 교체하고자 하는 고객의 요청이 있었다.

압축 스프링은 다음의 몇 가지 요구 사항을 충족해야 했다.

• 수백 도의 작동 온도를 견딜 수 있어야 함

• 강도가 매우 높아야 함

• Atex 인증을 받아 폭발 위험이 없어야 함

기술 관리자 슈테판 무스린더와 공장 기술 관리자 페르 다비드슨이 협력하여 공구강 재질의 압축 스프링 제조를 테스트하는 아이디어가 탄생하였다. 극한의 온도를 견딜 수 있는 스프링을 만들기 위한 몇 가지 옵션이 있다. 스테인리스 스틸이나 인코넬 또는 니모닉과 같은 초합금으로 만들 수 있지만 공구강에 비해 매우 가격이 비싸다. 또한 치수가 크면 강도가 매우 낮다. Lesjöfors는 공구강 스프링에서 큰 잠재력을 발견하고 프로토 타입을 만들어 테스트를 수행하기로 결정한 이유이다.

기어 제조에 사용하기 위해 롤러 베어링의 위치를 고정하기 위한 Smalley/TFC의 단층 웨이브 스프링.

공구강 스프링의 잠재력이 크다

“우리는 경도가 50 로크웰 C인 공구강으로 무게가 각각 약 10kg인 스프링 10개를 제작하였습니다. 이후 200 ~ 300°C의 온도에서 블록 길이로 압축하여 고온 강도를 테스트하고, 스프링이 고온을 견딜 수 있는 정도를 결정하였습니다. 테스트 결과는 매우 만족합니다.”(슈테판 무스린더) Lesjöfors는 아시아에서 유사한 스프링에 대한 문의가 계속되고 있어, 공구강으로 만든 스프링의 잠재력을 매우 크게 보고 있다. “예를 들어 용광로 근처 또는 증기용 유량 밸브에 사용하는 스프링에 대한 문의가 있었습니다. 공구강 압축 스프링은 스프링이 고온을 견뎌야 하는 많은 응용 분야에서 훌륭한 대안이 될 수 있습니다.”(페르 다비드슨)