개념 한 쪽
스프링은 탄성체로 에너지를 저장하고 방출하며 힘을 측정하는 기계요소이다 -> 스프링은 탄성체로 에너지를 저장하고 방출하며 힘을 측정하는 기계요소이다 수정한다 코일 스프링과 판 스프링 등 종류별 구조와 기능이 다르므로 용도에 맞게 선택해야 한다 -> 코일 스프링과 판 스프링 등 종류별 구조와 기능이 다르므로 용도에 맞게 선택해야 한다 수정한다 스프링의 강성은 스프링상수(k)로 나타내고, 하중에 의한 처짐량(δ)은 스프링 상수 또는 재료·치수식으로 계산한다 -> 스프링의 강성은 스프링상수(k)로 나타내고, 하중에 의한 처짐량(δ)은 스프링 상수 또는 재료·치수식으로 계산한다 수정한다
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출제기준 단원 「스프링」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 코일·판 스프링 구분 | 1 | 스프링 종류별 구조적 특징을 가려내기 |
| 스프링과 댐퍼 기능 구분 | 1 | 스프링의 에너지 보존 기능과 댐퍼의 소모 기능 구분하기 |
| 계산적 치환 문제 | 1 | 반경·력·마찰 계수 등 단순 치환 계산으로 토크를 구하기 |
코일 스프링은 철사나 막대를 감아서 만든 형태로 제작이 쉽고 가격이 저렴한 장점을 가진다 -> 코일 스프링은 철사나 막대를 감아서 만든 형태로 제작이 쉽고 가격이 저렴한 장점을 가진다 수정한다 선의 단면은 원형 또는 각형일 수 있으며 압축용, 인장용 등으로 사용한다 -> 선의 단면은 원형 또는 각형일 수 있으며 압축용, 인장용 등으로 사용한다 수정한다 인장 스프링은 양 끝에 훅이 달리고 하중이 없을 때 코일이 맞닿아 있는 성질을 보인다 -> 인장 스프링은 양 끝에 훅이 달리고 하중이 없을 때 코일이 맞닿아 있는 성질을 보인다 수정한다 판 스프링은 여러 장의 판을 겹쳐 사용하는 구조로 코일 스프링과 구별된다 -> 판 스프링은 여러 장의 판을 겹쳐 사용하는 구조로 코일 스프링과 구별된다 수정한다
스프링의 주된 역할은 에너지를 저장했다가 방출하는 것과 하중을 측정하는 것이다 -> 스프링의 주된 역할은 에너지를 저장했다가 방출하는 것과 하중을 측정하는 것이다 수정한다 진동 흡수에 관여하더라도 운동 에너지를 열로 소모하여 감쇠하는 역할은 댐퍼의 고유 기능이므로, 스프링과 댐퍼의 기능을 구분해야 한다 -> 진동 흡수에 관여하더라도 운동 에너지를 열로 소모하여 감쇠하는 역할은 댐퍼의 고유 기능이므로, 스프링과 댐퍼의 기능을 구분해야 한다 수정한다 따라서 문제에서 '스프링이 에너지를 열로 소모한다'는 서술은 오답으로 판단한다 -> 따라서 문제에서 '스프링이 에너지를 열로 소모한다'는 서술은 오답으로 판단한다 수정한다
코일 스프링의 단단함을 나타내는 스프링상수 k는 재료의 전단탄성계수 G와 선지름 d의 네제곱에 비례하고, 유효 감김수 n과 코일 지름 D의 세제곱에 반비례하는 식으로 표현된다 -> 코일 스프링의 단단함을 나타내는 스프링상수 k는 재료의 전단탄성계수 G와 선지름 d의 네제곱에 비례하고, 유효 감김수 n과 코일 지름 D의 세제곱에 반비례하는 식으로 표현된다 수정한다 이 관계을 통해 설계 시 어떤 변수를 조절하면 강성을 키우거나 줄일 수 있는지 판단할 수 있다 -> 이 관계를 통해 설계 시 어떤 변수를 조절하면 강성을 키우거나 줄일 수 있는지 판단할 수 있다 수정한다
하중에 대한 처짐량 δ는 처짐량 공식으로 결정되며, 분자에는 하중 P, 코일 지름의 세제곱 D³, 권수 n이 위치하고 분모에는 전단탄성계수 G와 선지름의 네제곱 d⁴가 위치한다 -> 하중에 대한 처짐량 δ는 처짐량 공식으로 결정되며, 분자에는 하중 P, 코일 지름의 세제곱 D³, 권수 n이 위치하고 분모에는 전단탄성계수 G와 선지름의 네제곱 d⁴가 위치한다 수정한다 따라서 처짐량은 G와 d⁴에 반비례하고 P, D³, n에 비례한다 -> 따라서 처짐량은 G와 d⁴에 반비례하고 P, D³, n에 비례한다 수정한다 이 원리를 바탕으로 스프링의 변형량을 계산하고 설계 요구를 충족시킨다 -> 이 원리를 바탕으로 스프링의 변형량을 계산하고 설계 요구를 충족시킨다 수정한다
스프링상수 관계를 이용한 판단 예시이다 -> 스프링상수 관계를 이용한 판단 예시이다 수정한다 스프링상수 k = (G × d⁴) / (8 × n × D³)이므로 같은 재료(G)일 때 선지름 d를 두 배로 하면 k는 16배가 된다 -> 스프링상수 k = (G × d⁴) / (8 × n × D³)이므로 같은 재료(G)일 때 선지름 d를 두 배로 하면 k는 16배가 된다 수정한다 반대로 감긴 횟수 n을 늘리면 k는 반비례하여 작아지므로, 같은 외형에서 탄성을 낮추려면 권수를 늘리면 된다는 결론을 얻는다 -> 반대로 감긴 횟수 n을 늘리면 k는 반비례하여 작아지므로, 같은 외형에서 탄성을 낮추려면 권수를 늘리면 된다는 결론을 얻는다 수정한다
처짐량 식 δ = (8 × P × D³ × n) / (G × d⁴)를 이용한 흐름 예시이다 -> 처짐량 식 δ = (8 × P × D³ × n) / (G × d⁴)를 이용한 흐름 예시이다 수정한다 주어진 하중 P를 처리하기 위해 처짐량을 줄이려면 전단탄성계수 G를 키우거나 선지름 d를 굵게 하면 된다는 판단을 내릴 수 있다 -> 주어진 하중 P를 처리하기 위해 처짐량을 줄이려면 전단탄성계수 G를 키우거나 선지름 d를 굵게 하면 된다는 판단을 내릴 수 있다 수정한다 설계 문제에서 분자와 분모의 위치를 확인하여 비례·반비례 관계를 빠르게 결정하는 것이 핵심이다 -> 설계 문제에서 분자와 분모의 위치를 확인하여 비례·반비례 관계를 빠르게 결정하는 것이 핵심이다 수정한다
문제 풀이 유의사항 예시는 다음과 같다 -> 문제 풀이 유의사항 예시는 다음과 같다 수정한다 코일 스프링과 판 스프링의 구조적 키워드를 구분하라(코일링 vs 판 적층) -> 코일 스프링과 판 스프링의 구조적 키워드를 구분하라(코일링 vs 판 적층) 수정한다 스프링과 댐퍼의 기능을 혼동하지 말라(저장·방출 vs 소모·감쇠) -> 스프링과 댐퍼의 기능을 혼동하지 말라(저장·방출 vs 소모·감쇠) 수정한다 수식 적용 시 선지름과 감김수, 지름의 제곱·세제곱 등 차수를 실수하지 말라 -> 수식 적용 시 선지름과 감김수, 지름의 제곱·세제곱 등 차수를 실수하지 말라 수정한다
코일 스프링에 관한 일반적인 특징 설명으로 틀린 것은?
정답 ④ · 문제는 코일 스프링의 일반적 특징 중 잘못된 것을 찾는 것이다. 코일 스프링은 용선(원선)을 감아 만드는 스프링으로 단면형상에 따라 원형·각형 등이 있고 제작이 쉬우며 인장 스프링은 양단에 훅을 만들어 사용하고 하중이 없으면 코일이 밀착될 수 있다는 설명은 맞다.
코일 스프링은 용선재 단면에 따라 분류되나, 판 스프링은 여러 장의 판을 겹쳐 사용하는 구조이다.
스프링의 일반적인 용도 설명으로 잘못된 것은?
정답 ② · 문제는 스프링의 일반적인 용도를 묻고 있다. 스프링은 탄성 변형을 통해 에너지를 저장하고 필요한 경우 방출하며, 변형량이 하중에 비례하므로 힘 측정에 사용되고 진동이나 충격을 완화하는 역할을 한다.
스프링은 에너지를 저장·방출하거나 힘을 측정하며, 열에너지로 소비하는 것은 댐퍼의 역할이다.
블록 브레이크 드럼 직경이 D=400[mm]이고 단식 브레이크블록을 밀어 붙이는 힘이 W=150[kgf]일 때 마찰계수가 μ=0.3이면 제동 토크는 몇[kgfㆍmm]인가?
정답 ④ · 블록 브레이크의 제동 토크(T)는 브레이크 블록이 드럼을 밀어 붙이는 힘(N 또는 W)과 마찰계수(μ), 그리고 드럼의 반경(R)의 곱으로 계산됩니다. 주어진 조건에서 밀어 붙이는 힘 W = 150[kgf], 마찰계수 μ = 0.3, 드럼 직경 D = 400[mm]이므로 반경 R = 200[mm]입니다.
제동 토크 T=μWR 공식에 마찰계수, 밀어붙이는 힘, 드럼 반경을 대입하여 계산한다.
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