간격이 코일 스프링 핀의 전단 특성에 미치는 영향

카운터보나 카운터싱크는 종종 핀을 하나의 구멍에서 그 다음 구멍으로 유도할 목적으로 구성품 사이에 추가하기도 합니다. 의도는 이해가 되지만 그로 인해 발생하는 갭은 종종 허용되지 않습니다. SPIROL의 코일 핀은 설치 중 정렬을 쉽게 할 수 있도록 넉넉한 챔퍼로 설계되기 때문에 카운터싱크와 카운터보는 필요하지 않습니다(그림 1). 종종 간과되는 이 문제는 전단에 로드될 때 핀 성능을 저하시키는 간격과 구부러짐 현상을 유발합니다. 강도가 줄어들면 조기에 고장날 수 있는 피로로 이어집니다. 고정의 원인을 파악하는 것이 쉬울 수도 있지만, 이러한 영향을 이해하기 위해 사전 고장의 영향을 정량화하는 것은 중요합니다.

SPIROL 저하중 코일 핀은 성능의 변화 정도를 이해하기 위해 전단면 간격을 상승시키면서 테스트를 수행했습니다. 설치와 제거가 용이한 저하중 핀을 선택했습니다. 선택한 핀은 표준 CLDP 0.250 x 2.500 LBK, 또는 '지촉건조(Dry to the Touch)' 부식 억제 오일로 마감된 저하중 고탄소강 코일 핀입니다. 이 핀은 다양한 간격으로 테스트를 수행할 수 있는 충분한 강도를 가지고 있습니다.

코일 스프링 핀은 카운터싱크나 카운터보의 추가 유도 없이 설치하도록 설계되어 있습니다. 부드러운 동심 챔퍼와 깔끔한 사각형 절삭 종단으로 인해 원활한 장착이 가능합니다.

그림 3A 전단의 코일 핀 균열 표면을 통해 단일면의 문제를 확인할 수 있습니다.

그림 3B 구부러진 코일 핀의 외부 레이어와 다중면 균열 표면에 굴곡이 있습니다.

시각적으로, 전단과는 대조적으로 구부러진 핀 사이에 큰 차이가 있습니다. 그림 3A와 같이 전단된 핀은 한쪽 면의 균열을 보여줍니다. 코일이 변형되면서 외부가 한 방향으로 무너지고 평평하게 되었습니다. 그림 3B는 3.05mm(0.120인치) 갭으로 테스트한 핀입니다. 이 그림에서 균열 표면으로 이어진 굴곡에서 구부러짐이 발생했다는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다.

또한, 균열 표면은 한쪽 면에만 있는 것이 아니며, 각 코일에서의 균열을 다르게 보여줍니다. 구부러진 핀의 균열 표면과 핀이 설치된 실제 호스트 구성품을 모두 확인해야 합니다. 간격을 유발하지만 도면에는 없는 특성이 호스트 구성품에 있다는 것은 흔한 일입니다. 근본적인 원인은 애플리케이션의 모든 구성품을 확인한 경우에만 정확하게 판단할 수 있습니다. 

각 상태별로 30개의 샘플을 테스트했으며, 그 결과가 표 1에 요약되어 있습니다. 데이터는 간격이 균열에서 최대 힘을 약화시킨다는 이론과 일치합니다. 흥미로운 사실은 1.83mm(0.072인치)와 3.05mm(0.120인치) 사이에서 힘의 변화가 더 적게 발생했다는 점입니다. 간격을 0.13mm(0.005인치)에서 1.83mm(0.072인치)로 증가할 경우 핀에 균열을 유발하는 힘이 18% 또는 800lbs((3.6kN) 하락했지만, 갭을 3.05mm(0.120인치)로 더 늘리면 약 150lbs(0.7 kN) 추가로 줄어들어 총 22% 변경되었습니다. 

휨 또는 구부러짐 응력 방정식:¹:

여기서 F_f는 균열에서의 부하, R은 핀 반경, L은 지지대 간의 거리입니다. 지지 지점 간의 거리를 늘리기 위해 간격이 대칭적으로 증가하면 L은 L+2g로 변경되며, g는 한쪽 면에 추가된 간격 거리입니다. 알려진 값을 사용한 그림 4는 힘에 미치는 g의 영향을 보여줍니다. 간격이 권장 최대치인 0.13mm(0.005인치)를 초과할 경우 전단에서 구부러짐으로 빠르게 전환됩니다. 그에 따라, 강도의 변화가 가장 크면 이상적인 전단 조건으로부터 가장 적게 벗어난다는 것을 데이터를 통해 밝혀졌습니다. 조립된 구성품 간에 간격이 증가하면 강도는 역으로 영향을 계속 받지만, 변화 정도는 크지 않습니다. CLDP .250 x 2.250 LBK인 경우, 18% 힘 감소는 간격이 0.13mm(0.005인치)에서 1.83mm(0.072인치)로 증가할 때 목격되었습니다.

전반적으로, 카운터보나 카운터싱크가 핀 삽입을 도와준다는 것은 일반적인 오해이며, 핀 조인트의 강도에 최소한의 영향을 미칩니다. 코일 핀의 압인 챔퍼는 핀을 다음 구멍으로 유도하며, 심지어 구멍 간에 다소 정렬이 맞지 않는 경우에도 문제가 없기 때문에 카운터보나 카운터싱크가 필요하지 않습니다. 데이터를 통해 전단면에 작은 갭이 발생하면 핀의 강도가 급격히 하강하는 사실을 확인했습니다. 구부러짐 강도와 3~4 지점 구부러짐 원리를 이용하면 간격이 증가할 수록 부품에 균열을 일으키는 부하에 역으로 작용한다는 사실을 명확하게 알 수 있습니다.  새롭게 설계하거나 현재 애플리케이션을 재확인할 경우, 핀의 전단 속성을 최적화하고 어셈블리의 수명을 최대화하기 위해 구성품 간 간격을 최소화하는 것은 중요합니다. 

¹Callister, William D., “Stress-Strain Behavior” in Materials science and Engineering: An Introduction, 7th ed. New York: Wiley, 2007 pp 447-448