KR101370997B1 - 인서트 러버의 굽힘강도 최소치를 가정한 승차감이 개선된 런플렛 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 런플렛 타이어의 중량감소을 감소시키고, 굽힘강도(EI) 값을 감소시켜 인서트 러버의 강성을 떨어뜨려 승차감을 높이기 위하여, 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버(UIR)와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버(LIR)와, 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버(MIR)로 구성되며, 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 중간 인서트 러버에 중공을 형성된 런플렛 타이어의 인서트 러버의 강성치를 떨어뜨려 승차감이 개선된 런플렛 타이어에 관한 것이다.

Description

인서트 러버의 굽힘강도 최소치를 가정한 승차감이 개선된 런플렛 타이어{Runflat tire for ride improvement with insert rubber flexural rigidity minimum value}

본 발명은 런플렛 타이어의 중량감소을 감소시키고, 굽힘강도(EI) 값을 감소시켜 인서트 러버의 강성을 떨어뜨려 승차감을 높이기 위하여, 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버(UIR)와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버(LIR)와, 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버(MIR)로 구성되며, 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 중간 인서트 러버에 중공을 형성시켜 런플렛 타이어의 인서트 러버의 강성치를 떨어뜨려 승차감이 개선된 런플렛 타이어에 관한 것이다.

현재 Premium OE 등 국내외 Premium 세단을 판매하는 OE maker에서 런플랫 타이어에 대한 수요가 증가하고 있는 실정이다. 런플랫 타이어는 도 1과 같이 타이어의 상태가 제로 압력(zero pressure) 상태가 되었을 때, 일반 타이어와는 달리 사이드 월 부에 추가된 인서트 러버(insert rubber)가 차량 하중을 지지해 줌으로써, 일정 속도, 일정 기간 동안 차량을 주행시켜 줄 수 있는 타이어이다.

하지만 이러한 런플랫 타이어는 사이드 월 부에 추가된 고 강도의 인서트 러버로 인해 차량 주행 중 승차감이 저하될 수 있는 단점이 존재한다. 기존 특허에는 이러한 런플랫 타이어의 승차감 개선을 위해 도 2와 도 3과 같이 인서트 러버의 설계위치 및 인서트 러버 하단부에 언더 쿠션층을 삽입하여 승차감을 개선하는 특허들이 존재하여 왔지만, 실질적으로 인서트 러버의 강도를 낮추는 효과는 보지 못했다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0091389호에는 런플랫 타이어에 이용되는 공기압 수용체와 그것을 이용한 런플랫 타이어와 차량용 바퀴 및 그 제조방법에 관하여 개시되어 있으나, 이는 공기압 타이어와 런플렛 타이어를 결합한 구조로 본 발명의 인서트 러버에 중공을 형성하여 승차감을 향상시킨다는 구성과는 현저한 차이가 있다.

대한민국 공개특허공보 제 10-2006-0002273호에는 림 베이스에 끼워지게 설치되는 밴드에 다수개의 작은 공을 부착시키되, 밴드와 각각의 작은 공이 하나의 결합체를 이루도록 이들을 결합 부착시켜 소음발생을 줄이는 방법에 대하여 개시되어 있으나, 본 발명의 인서트 러버에 중공을 형성하여 승차감을 향상시킨다는 구성과는 현저한 차이가 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 인서트 러버(insert rubber)의 강도를 낮추어 승차감을 개선하는데 있다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 런플랫 타이어의 승차감과 직결되는 인서트 러버(insert rubber)의 강성 값을 결정하는 파라메터(arameter)들을 정의하여 인서트 러버(insert rubber)의 굽힘강도 최소치를 가정하였으며, 이를 통해 인서트 러버의 설계 디자인안을 제시하는데 있다.

본 발명 과제의 해결 수단은 인서트 러버의 강성을 떨어뜨리기 위해서는 굽힘강도를 떨어뜨려야 하고, 굽힘강도는 인서트 러버의 파열(fracture)과 관계되므로 인서트 러버의 굽힘강도는 적어도 설계 기준이 되는 굽힘 강도 값의 최소치와 같거나 크게 설정해야 하며, 인서트 러버는 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 UIR(Upper insert rubber)와, 비드부의 발열을 차단시키는 LIR(Lower insert rubber)와, 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 MIR(Middle insert rubber)로 구성되며, 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 MIR(Middle insert rubber)에 중공을 형성시켜 중량감소는 물론, 굽힘강도(EI) 값을 떨어뜨려 인서트 러버의 강성치를 떨어뜨리는 인서트 러버의 굽힘강도 최소치를 가정한 승차감이 개선된 런플렛 타이어를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 중공을 갖고 있는 인서트 러버(nsert rubber)의 굽힘강도와 기준 굽힘강도의 최소치를 매치(matching)시켜서 중공을 형성하되, 중공의 형상 및 갯수는 다양하게 변형할 수 있고, 중공 안에 오일 등의 탄성을 갖고 있는 유체가 주입될 수 있으며, 중공의 위치는 MIR 또는 인서트 러버(insert rubber)의 임의의 위치에 형성할 수 있는 인서트 러버의 굽힘강도 최소치를 가정한 승차감이 개선된 런플렛 타이어를 제공하는데 있다.

본 발명은 기준 굽힘강도 최소치와 동일한 값을 갖도록 중공의 형상을 적용한 타이어와 일반 런플랫 타이어의 돌기물 충격 테스트(cleat impact test) 결과를 도 8과 도 9에 나타내었으며, 중공을 적용한 타이어의 경우, 일반 타이어 대비 수직방향의 강성이 감소되면서 고유진동수가 약 6Hz 가량 감소하는 결과를 얻었으며, 또한 돌기물을 지날 때의 P-P 값이 일반 타이어 대비 현저히 감소함을 알 수 있었고, 타임(time) 그래프에서의 감쇄율도 일반 타이어 대비 높음을 알 수 있다.

도 1은 종래의 런플렛 타이어를 도시한 것이다.
도 2, 도 3는 인서트 러버의 설계위치 및 인서트 러버 하단부에 언더 쿠션층을 삽입하여 승차감을 개선한 종래 특허를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 인서트 러버의 형태가 커버진 빔의 형태를 따른다고 가정하고 도시한 도면이다.
도 5는 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버, 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버로 구성된 인서트 러버를 도시한 것이다.
도 6은 인서트 러버 중에서 가장 강도가 높은 MIR 부분에 중공을 형성시킨 것을 도시한 것이다.
도 7은 MIR을 위에서 바라본 단면도를 도시한 것이다.
도 8과 도 9는 기준 굽힘강도 최소치와 동일한 값을 갖도록 중공의 형상을 적용한 타이어와 일반 런플랫 타이어의 돌기물 충격 테스트 결과를 도시한 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다.

본 발명에서는 런플랫 타이어의 승차감 개선을 위해 인서트 러버의 강성치를 결정하는 파라미터들을 정의하고 이를 통해 인서트 러버의 굽힘강도 최소치를 가정하여, 기본적인 디자인안을 제시하고자 한다.

우선 도 4와 같이 인서트 러버(insert rubber)의 형태가 커버진 빔(curved beam)의 형태를 따른다고 가정한다. 자유단에서 임의의 방향으로 힘이 작용한다고 했을 때, 그 힘을 fxi 와 fyi 로 나눌 수 있으며 그에 따른 변위를 각각 vi , ui 로 표현할 수 있다.

커버진 빔(curved beam)이 이루고 있는 원의 중심에서의 반경을 ρ₀, 높이를 h₀, x 방향의 길이를 l₀ 라고 하면, ρ₀ 는 다음과 같이 식 1로 표현할 수 있다. 이러한 기하학적 관계를 이용하여 φ₀ 값을 유도하면 식 2와 같이 표현할 수 있다.

---- (1)

---- (2)

다음으로 자유단에서 임의의 거리만큼 떨어진 지점에서의 모멘트를 구해보면 식 3과 같이 표현할 수 있다. 따라서 커버진 빔(Curved Beam)전체에 작용하는 변형 에너지는 커버진 빔(Curved Beam)의 길이에 따라 적분을 해야 하므로 커버진 빔(Curved Beam)에 저장된 변형에너지는 식 4와 같다.

---- (3)

---- (4)

여기서 카스틸리아노(Castigliano)정리를 적용한다. 카스틸리아노의 이론은 구조물의 변형 에너지로부터 구조물의 처짐을 구하는 방법을 제공한다.

“어느 하중에 대한 구조물의 변형 에너지의 편미분은 대응되는 하중에 대한 변위와 같다” 라는 것이 카스틸리아노 정리의 핵심이며, 식 5와 같이 간단하게 표현할 수 있다.

---- (5)

이러한 카스틸리아노의 정리를 이용하여 식 4의 변형에너지를 정리한 다음 각각의 걸리는 힘 fxi 와 fyi 로 편미분을 수행하면 각각의 힘에 따른 자유단에서의 변위를 구할 수 있다. 각각의 변위는 식 6과 식 7과 같이 표현할 수 있다.

---- (6)

---- (7)

따라서 커버진 빔에 작용하는 힘과 변위와의 관계는 식 8과 같이 정의할 수 있다.

식 8과 같은 힘과 변위와의 관계를 통해 인서트 러버의 강성치를 결정하는 파라메터(parameter)들을 정의할 수 있다.

---- (8)

여기서, 반경 ρ₀는 사이드 월의 프로파일에 의해 변경될 수 있는 인자이므로, 본 발명에서는 일정한 값을 갖는다고 가정한다.

결국 인서트 러버(nsert rubber)의 강성치를 결정하는 인자는 인서트 러버의 굽힘강도 EI 값임을 알 수 있다. 굽힘강도는 구조물의 휨 강도를 나타내는 양으로서, 구조물이 휘어짐에 따라 파열(fracture)이 일어나기 까지 얼마나 견딜 수 있는가를 나타낸다.

결국, 인서트 러버의 강성을 떨어뜨리기 위해서는 굽힘강도를 떨어뜨려야 하지만, 굽힘강도는 인서트 러버의 파열(fracture)과 관계되므로 인서트 러버의 굽힘강도는 적어도 설계 기준이 되는 굽힘강도 값의 최소치와 같거나 크게 설정해야 한다.

인서트 러버는 도 5와 같이 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버(UIR, upper insert rubber)와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버(LIR, lower insert rubber), 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버(middle insert rubber)로 구성된다.

따라서 본 발명에서는 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 MIR(Middle insert rubber)에 중공을 형성시켜 중량감소는 물론, 굽힘강도(EI) 값을 떨어뜨려 인서트 러버의 강성치를 떨어뜨리는 디자인을 제시하고자 한다.

물론, 설계 기준이 되는 굽힘강도 값의 최소치를 만족시킨다.

굽힘강도(EI)는 재료의 탄성계수(E)와 단면 2차 모멘트(I)의 곱으로 표현된다. 탄성계수는 재료의 고유한 성질이지만 단면적에 반비례하는 성질이 있으며, 단면 2차 모멘트는 구조물의 휨 강도를 알기 위해 필요한 인자이다.

도 5는 일반적인 런플랫 타이어에 적용되는 인서트 러버의 형상을 나타내고 있다. 이러한 인서트 러버 중에서 가장 강도가 높은 MIR 부분에 중공을 형성시킨 도가 도 6이다.

중공을 형성시킨 이유는 MIR의 단면적을 감소시키고, 단면 2차 모멘트를 감소시키기 위함이다. 이러한 MIR을 위에서 바라본 단면도가 도 7이며, 가로 길이를 a, 높이를 b, 중공의 가로길이를 c로 가정한다.

이러한 중공을 가지고 있는 MIR의 굽힘강도는 기존 면적 대비 중공에 의한 면적이 줄어들었으므로, 식 9와 같이 나타낼 수 있다.

---- (9)

이렇게 도출된 MIR의 굽힘강도는 MIR의 기준 굽힘강도의 최소치와 같거나 크야 한다. MIR의 기준 굽힘강도는 재료의 성질 및 단면적에 따라 달라지므로 이는 시험을 통해 알 수 있으며, 본 발명에서는 식 9와 같이 중공을 갖고 있는 인서트 러버의 굽힘강도를 기준 굽힘강도의 최소치와 매칭(matching)시켜 파괴가 일어나지 않은 범위에서의 중공 형상을 제안한다.

상기 인서트 러버에 형성되는 중공의 형상 및 갯수는 다양하게 변형 형성할 수 있다.

상기 인서트 러버에 형성되는 중공 내부에 오일을 포함하는 탄성을 갖고 있는 유체를 주입하여 제작할 수 있다.

본 발명은 런플렛 타이어의 중량감소을 감소시키고, 굽힘강도(EI) 값을 감소시켜 인서트 러버의 강성을 떨어뜨려 승차감을 높이기 위하여, 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버(UIR)와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버(LIR)와, 타이어가 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버(MIR)로 구성되며, 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 중간 인서트 러버에 중공을 형성시켜 런플렛 타이어의 인서트 러버의 강성치를 떨어뜨려 승차감이 개선된 런플렛 타이어를 제공하여 승차감을 개선할 수 있도록 하므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (5)

1. 승차감이 개선된 런플렛 타이어에 있어서,
   런플렛 타이어의 중량을 감소시키고, 굽힘강도(EI) 값을 감소시켜 인서트 러버의 강성을 떨어뜨려 승차감을 높이기 위하여, 트레드 부의 입력을 감쇠시키기 위해 강성이 낮은 상부 인서트 러버(UIR)와, 비드부의 발열을 차단시키는 하부 인서트 러버(LIR)와, 타이어 펑크 시 차량을 지탱해주는 가장 강도가 높은 중간 인서트 러버(MIR)로 구성되며, 인서트 러버 중에서 강도가 가장 높은 중간 인서트 러버에 중공을 형성시킴을 특징으로 하는 승차감이 개선된 런플렛 타이어.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 중간 인서트 러버의 굽힘강도(식 9)는 타이어 파열이 일어나지 않은 범위에서의 중공 형성을 위하여 중간 인서트 러버의 기준 굽힘강도의 최소치와 같거나 크도록 형성함을 특징으로 하는 런플렛 타이어.
   

   

   ---- (9)
   {식(9)에서, E : 재료의 탄성계수, 중간 인서트 러버의 가로 길이를 a, 중간 인서트 러버의 높이를 b, 중공의 가로길이를 c 라 한다}
3. 청구항 1에 있어서,
   런플렛 타이어의 중량을 감소시키고, 굽힘강도(EI) 값을 감소시켜 인서트 러버의 강성을 떨어뜨려 승차감을 높이기 위하여, 상부 인서트 러버, 중간 인서트 러버 및 하부 인서트 러버 중에서 하나 이상을 선택하여 중공을 형성함을 특징으로 하는 형성함을 특징으로 하는 런플렛 타이어.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인서트 러버에 형성되는 중공의 형상 및 갯수는 다양하게 변형 형성할 수 있음을 특징으로 하는 런플렛 타이어.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 인서트 러버에 형성되는 중공 내부에 오일을 포함하는 탄성을 갖고 있는 유체를 주입하여 제작함을 특징으로 하는 런플렛 타이어.
   

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