공기 스프링의 특성과 종류

공기스프링은 원통 모양의 고무용기에 공기를 넣어 압축공기의 특성을 이용한 스프링으로 완충작용이 우수합니다. 공기 스프링은 빈차부터 적재차량까지 하중 변동에 대하여 차량의 높이를 일정하게 유지시켜줍니다. 외력의 크기에 관계없이 스프링의 길이를 일정하게 유지시키기 위하여 용기 내의 공기량을 조절하거나 공기실의 부피를 조정하는 장치를 사용하며, 작용하는 형태에 따라 벨로즈형(bellows type, 비 반전형), 다이어프램형(diaphragm type, 반전형)으로 구분하며 복합형(combined type)도 있습니다. 현재는 대형버스와 중대형 트럭에 주로 사용됩니다. 그리고 공기 스프링은 비선형 특성을 가지며, 고주파 진동에 대한 절연성이 좋아 소음이 적은 특징이 있습니다.

 

공기 스프링의 특성

∙ 하중과 변형의 관계가 비선형적임

∙ 공기량에 따라 내부압력을 조절하여 스프링 계수를 조절할 수 있음

∙ 공기자체의 압축성으로 인행 감쇠 특성이 커서 작은 진동도 흡수할 수 있음

∙ 측면방향의 강성이 없음

∙ 공기탱크, 압축기 등을 설치해야 하므로 구조가 복잡하고 제작비가 비쌈

 

공기 스프링의 종류

벨로즈형(bellows type, 비 반전형)

주름 모양의 고무용기인 벨로즈 안에 압축공기가 있어 신축에 따라 내부의 부피와 압력이 변화하는 타입입니다. 벨로즈형 공기 스프링은 기밀성이 좋은 고무를 사용한 내부층과 내부 압력에 견딜 수 있는 강도를 갖는 나일론 코드로 된 중간층과 신축 피로나 노화에 강한 고무를 사용한 바깥층의 3층으로 구성되어 있습니다. 즉, 벨로즈는 기밀성이 우수하고 내압강도와 피로하중에 잘 견디는 재질로 되어 있습니다. 주름의 계곡부에는 벨로즈의 변형 방지를 위하여 가드링이 장착되어 있으며, 상부와 하부에는 장착용 철판이 있습니다. 벨로즈의 산수는 1~4개이며, 4개 이상으로 증가하면 좌굴 되기 쉽습니다. 자동차에는 아래쪽과 위쪽에 설치되어 있는 앤드 플레이트를 사용하여 설치하며, 신축에 따라 압력을 받는 면적의 변화가 커져서 적절한 스프링 특성을 갖으려면 내부 압력 변화를 적게 하기 위한 대용량의 보조 공기탱크가 필요합니다. 차량 중량이 감소함에 따라 길어지는 스프링의 길이를 그대로 유지시키기 위하여 공기를 배출시키게 됩니다. 즉, 높이를 일정하게 유지하기 위해서는 적재량에 따라 스프링 상수가 변화되어야 합니다.

 

다이어프램형(diaphragm type, 반전형)

다이어프램형 공기 스프링에는 원기둥형의 안통과 뚜껑에 상당하는 바깥 통 사이에 얇은 고무막이 있습니다. 상부는 장착용 철판에, 하부는 피스톤 헤드 부분에 연결되어있으며, 공기탱크 역할을 하는 안통은 외부에 설치된 공기압축기와 연결되어 있습니다. 안 통과 바깥 통 사이에 오리피스를 설치해서 감쇠력을 발생시킬 수 있습니다. 신축에 따라 다이어프램 고무막이 피스톤에 의해 뒤집히는 형식입니다. 다이어프램이 상하좌우로 변형해서 진동을 흡수하게 됩니다. 고무막 주위는 바깥 통에 연결된 밴드로 둘러싸여 있어서 다이어프램의 팽창을 제한시킵니다. 승객의 승하차에 의해서 차량의 중량이 변화하고, 고무막의 굽힘이 변하면 자동 높이 조정판이 작동하여 공기탱크의 공기압이 조정되고 고무막의 굽힘을 원래 위치로 복귀시킵니다. 따라서 차량의 바닥 높이는 승객의 많고 적음에 관계없이 일정하게 유지됩니다. 보조 공기탱크가 불필요하며 스프링 특성도 적절히 조절할 수 있습니다. 주로 철도차량에 많이 쓰이며, 벨로즈형에 비해 내구성이 떨어집니다.

 

복합형(combined type)

복합형 공기 스프링은 벨로즈형와 다이어프램형을 조합한 구조입니다. 윗부분에 벨로즈형, 아랫부분에 다이어프램형이 달린 형태입니다. 벨로즈의 윗부분에 있는 가변 트로트 밸브를 통하여 외부 보조탱크와 연결되어 있으며, 벨로즈 안의 압력과 보조 탱크 안의 압력 차이에 비례하여 공기 통로에 있는 가변 트로틀 밸브의 열리는 정도를 변화시킵니다. 주름의 계곡부에는 벨로즈의 변형 방지를 위한 가드링이 장착되어 있습니다. 윗부분은 장착용 철판으로 되어 있고, 아랫부분은 피스톤과 연결되어 장착용 철판과 결합되어 있습니다. 주로 승용차, 트럭, 버스 등에 사용됩니다.