KR101470376B1 - 타이어 패턴 설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 노면을 주행하면서 발생하는 와인 소음(Whine Noise)을 저감하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 콘크리트 와인 소음에 기여하는 패턴설계인자들을 파악하는 단계; 상기 패턴설계인자들의 소음기여도를 파악하기 위한 패턴설계인자들의 형상과 수준에 따른 실험 버젼을 선택하는 단계; PC에 탑재된 3D 설계 전용 프로그램을 이용해 패턴의 형상에 따른 소음성능을 예측 한 후, 각 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구하는 단계; 실제 소음발생 정도를 검증하기 위한 구조와 물성이 동일한 비-패턴 타이어를 제작하는 단계; 비-패턴 타이어에 상기 실험 버전들의 각 설계인자 및 수준에 맞춰 패턴을 형성시켜 버젼 별로 핸드카빙 타이어를 제작하는 단계; 상기 버젼 별로 만들어진 핸드카빙 타이어를 이용하여 국내 고속도로 중 콘크리트 노면의 도로에서 실제 실험을 통한 와인 소음 수준을 분석하여 결과를 도출하는 단계; 상기 실험을 통한 결과를 바탕으로 타이어 트레드 부의 각 부위 별 소음 발생 영향도 도출 단계; 타이어 트레드 중앙부와 숄더부를 나누어 블록에 사이프를 삽입하는 단계; 및 사이프 내부의 블록면에 스트럿을 설치하는 단계를 포함한다.

Description

타이어 패턴 설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감 방법{Concrete Whine Noise reduction method according to pattern design factor}

본 발명은 콘크리트 노면을 주행하면서 발생하는 와인 소음(Whine Noise)을 저감하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어 패턴 설계인자 별 소음 기여도를 파악하여 콘크리트 노면을 주행하면서 발생되는 소음을 저감시키는 방법에 관한 것이다.

국내 고속도로를 주행하다 보면 많은 부분이 콘크리트로 포장되어 있는 것을 볼 수 있다.

콘크리트로 된 노면을 주행하면 그 특유의 방사소음이 발생하는데 그 소음을 콘크리트 와인 소음(Whine Noise)이라고 한다. 이 소음은 날카로운 음색을 가지고 있어 운전자의 피로를 가중시키는 문제점을 가지고 있다. 이 소음은 콘크리트 노면에 설치된 트랜치(Trench)에 의해 발생하는데 노면의 물빠짐 등의 안전을 이유로 대부분의 콘크리트 노면에 트랜치가 설치된다.

이에 따라 콘트리트로 된 노면에 설치된 트랜치에 의해 발생되는 와인 소음를 저감할 수 있는 기술이 요구되어지고 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 타이어 패턴의 설계인자 중 콘크리트 와인 소음이 발생되는데 기여하는 인자를 찾고 그 민감도를 분석하여 소음 발생량을 효율적으로 조절할 수 있는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 패턴 설계인자들 중 타이어를 제품으로 만들어 낸 후 위와 같은 문제가 발생하였을 경우 몰드를 교체하지 않고, 수정할 수 있는 범위 내에서 콘크리트 와인 소음을 저감할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은,

콘크리트 와인 소음에 기여하는 패턴설계인자들을 파악하는 단계;

상기 패턴설계인자들의 소음기여도를 파악하기 위한 패턴설계인자들의 형상과 수준에 따른 실험 버젼을 선택하는 단계;

PC에 탑재된 3D 설계 전용 프로그램을 이용해 패턴의 형상에 따른 소음성능을 예측 한 후, 각 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구하는 단계;

실제 소음발생 정도를 검증하기 위한 구조와 물성이 동일한 비-패턴 타이어를 제작하는 단계;

비-패턴 타이어에 상기 실험 버전들의 각 설계인자 및 수준에 맞춰 패턴을 형성시켜 버전 별로 핸드카빙 타이어를 제작하는 단계;

상기 버전 별로 만들어진 핸드카빙 타이어를 이용하여 국내 고속도로 중 콘크리트 노면의 도로에서 실제 실험을 통한 와인 소음 수준을 분석하여 결과를 도출하는 단계;

상기 실험을 통한 결과를 바탕으로 타이어 트레드 부의 각 부위 별 소음 발생 영향도 도출 단계;

타이어 트레드 중앙부와 숄더부를 나누어 블록에 사이프를 삽입하는 단계; 및

사이프 내부의 블록면에 스트럿을 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감방법을 제공한다.

본 발명에 따른 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감방법에 있어서, 상기 스트럿의 높이는 사이프의 폭 × 0.5 ~ 0.3의 범위이고, 스트럿의 폭은 2mm를 넘지 않는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각각의 스트럿은 사이프내의 바닥면에서부터 트레드 면까지 수직으로 50%이상 교차되지 않도록 설계되고, 블록의 강성을 조절하는 것은 스트럿의 수를 늘리고 줄이는 것으로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 타이어 패턴 설계 시 패턴의 콘크리트 와인 소음 수준을 미리 저감시킬 수 있는 방향으로 패턴을 설계할 수 있으며, 차량을 운전하는 소비자들이 콘크리트로 포장된 도로를 주행 시 발생되는 와인 소음으로 인해 발생하는 피로감 등으로 인한 피해를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 궁극적으로는 타이어를 제작하는 업체로서 고객으로부터의 품질문제 등에 빠른 대처와 보다 좋은 제품을 개발할 수 있다는 장점을 가질 수 있다.

도 1은 타이어 패턴을 설계할 시 기본적으로 선정되는 인자들을 나타내기 위한 도면이다.
도 2는 콘크리트 노면에 설치되어있는 트랜치의 구조를 나타낸 것으로 트랜치 설치 거리(L)와 차량의 진행방향(Driving Direction)을 도시한다.
도 3은 콘크리트 와인 소음의 피크음 발생대역이 속도에 따라 변화하는 것을 나타내기 위한 그래프이다.
도 4는 콘크리트 와인 소음의 버전 별 소음 수준을 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 블록 내부의 사이프의 모습을 각각 측면과 정면으로 나누어 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감기술을 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에 있어서 동일 또는 유사의 부분에 대해서는 동일 또는 유사의 도면 부호를 부여하기로 한다.

도 1은 타이어의 패턴을 설계하는데 있어 대표되는 패턴의 설계인자들을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 타이어 패턴을 형성하는 것으로는 패턴의 형상을 나타내는 블록(11)과, 블록(11)과 블록(11) 사이의 공간을 나타내는 횡 그루브(1)와 종 그루브(3)와, 블록(11) 내부에 필요에 의하여 삽입되는 사이프(2)로 구성된다.

도 2는 콘크리트 와인 소음이 발생하는 원인이 되는 트랜치(10)를 나타내는 도면으로 트랜치(10)와 트랜치(10)사이의 거리 및 구조에 따라 와인 소음의 피크음 발생대역이 변화하므로 그 거리(L)로 나타낸다.

콘크리트 와인 소음의 피크음 발생대역은 차량의 진행속도(Vehicle speed)와 트랜치(10)의 거리(Trench length)에 따라서 변화하는데 그 주파수 변화를 계산하는 식은 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같다.

위 수학식 1 및 수학식 2를 바탕으로 와인 소음의 피크음 발생대역을 예측하여보면, 차량의 주행속도를 고속도로의 규정속도인 시속 100km/h, 국내 콘크리트로 포장되어진 도로의 트랜치(10)의 거리를 30mm라고 가정하였을 때, 예상되는 피크음 발생대역은 925Hz 부근으로 도 3을 보면 발생 예상대역과 동일한 것을 알 수 있다.

도 3을 통해 속도에 따라서 피크음의 발생대역이 변화하는 것을 알 수 있는데 이는 차량의 주행속도와도 그 연관성이 있다는 것을 나타낸다.

본 발명은 콘크리트 노면에서 발생하는 와인 소음의 저감기술만을 고려한 것으로 그 외 타이어의 여타성능들은 동일한 성능을 유지한다는 전제로 한다.

본 발명은 콘크리트 노면에서 발생하는 와인 소음을 저감하기 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 콘크리트 와인 소음에 기여하는 패턴설계인자들을 파악하는 단계(S11); 상기 패턴설계인자들의 소음기여도를 파악하기 위한 패턴설계인자들의 형상과 수준에 따른 실험 버젼을 선택하는 단계(S12); PC에 탑재된 3D 설계 전용 프로그램을 이용해 패턴의 형상에 따른 소음성능을 예측 한 후, 각 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구하는 단계(S13); 실제 소음발생 정도를 검증하기 위한 구조와 물성이 동일한 비-패턴 타이어를 제작하는 단계(S14); 비-패턴 타이어에 상기 선택된 실험 버전들의 각 설계인자 및 수준에 맞춰 버젼 별로 핸드카빙 타이어를 제작하는 단계(S15); 상기 버젼 별로 만들어진 핸드카빙 타이어를 이용하여 국내 고속도로 중 콘크리트 노면의 도로에서 실제 실험을 통한 와인 소음 수준을 분석하여 결과를 도출하는 단계(S16); 상기 실험을 통한 결과를 바탕으로 타이어 트레드 부의 각 부위 별 소음 발생 영향도 도출 단계(S17); 타이어의 트레드부를 중앙부와 숄더부를 나누어 블록에 사이프를 삽입하는 단계(S18); 및 사이프 내부의 블록면에 스트럿을 설치하는 단계(S19)를 포함한다.

상기 와인 소음에 기여하는 패턴설계인자를 파악하는 단계(S11)에서는 어떠한 패턴설계인자가 와인 소음에 기여하고 있는지를 판단하기 위하여 패턴 설계 시 고려되는 주요 인자인 피치, 사이프, 횡그루브의 설계 수준을 각각 다르게 설계하여 패턴을 완성한 후 차량을 이용한 타이어 소음평가를 진행한다.

상기 패턴설계인자들의 소음기여도를 파악하기 위해 실험 버전을 선택하는 단계(S12)에서는 특성치에 영향을 미치리라 여겨지는 설계변수의 수가 많아 제한된 자원으로 인자수준의 모든 조합에 대해 실험을 진행하기 어려울 때 적은 실험횟수로 주 효과와 선택된 교호작용에 대한 정보를 얻기 위해 사용할 수 있는 다구치 직교표를 활용하여 피치의 길이, 횡그루브의 깊이와 트레드 내에서의 적용 위치, 한 블록내에 사이프의 수를 설계변수 인자로 선택하고, 인자의 수준을 3 수준으로 나누어 만들어진 실험 버전을 선택한다.

이어서, 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구하는 단계(S13)에서는 CATIA(Computer Aided Three dimensional Interactive Application)에 타이어 패턴을 모델링하고, 타이어 개발단계에서 타이어를 실물 제작하기 전 타이어 패턴형상을 모델링 한 후 성능예측에 필요한 몇가지 정보의 입력으로 소음 및 여타성능들을 예측하는 CATIA와 연동되어 작동되는 프로그램을 이용하여 타이어의 패턴과 지면의 접지하는 형상에 따라 패턴의 그루브와 사이프 면적, 블록의 강성, 타이어의 회전 속도를 반영한 예측 소음성능 결과를 확인하고, 각 버젼 별 결과를 바탕으로 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구한다.

또한, 실제 소음발생 정도를 검증하기 위한 구조와 물성이 동일한 비-패턴 타이어를 제작하는 단계(S14)에서는 패턴의 형상(크기 및 치수)을 제외하고는 동일한 구조와 물성을 갖는 비-패턴 타이어를 제작한다. 여기서, 타이어 제작은 이 분야의 일반적인 방법으로 제작될 수 있다.

이어서 상기 단계에서 제작된 비-패턴 타이어에 상기 선택된 실험 버전들의 각 설계인자 및 수준에 맞춰 버전 별로 비-패턴 타이어를 조각하는 핸드카빙 타이어로 제작하는 단계(S15)에서는 선택된 실험 버젼의 패턴을 선정하여 각 버전에 맞춰 작성한 도면의 형상에 따라 타이어용 조각칼을 이용해 패턴을 형성시켜 핸드카빙 타이어를 제작하는 것이다.

상기 버전 별로 만들어진 핸드카빙 타이어를 이용하여 국내 고속도로 중 콘크리트 노면의 도로에서 실제 실험을 통한 와인 소음 수준을 분석하여 결과를 도출하는 단계(S16)에서는 패턴을 구성하는 설계인자 중 어떠한 인자가 콘크리트 노면에서 와인 소음를 발생시키는데 중요한 역할을 하는지 버젼 별로 제작한 핸드카빙 타이어를 차량에 장착하여 실험하여 결과를 도출하는 것이다.

실험은 한국소음진동공학회 2012년 춘계학술대회에 발표된 '콘크리트 노이즈 전달특성 시험적 고찰'이라는 논문의 내용으로 콘크리트 노면에서 발생되는 와인소음의 전달특성이 구조전달 경로인지 음향전달경로인지를 분석하기 위해 타이어 내부에 공기를 주입하는 대신 물 또는 기름과 같은 유체를 주입하여 구조전달경로를 차단하고 차량 너클부에 가속도센서를 부착하여 구조전달특성이 있는지를 판단하는 실험을 하였다. 그 결과 구조전달 경로의 특성인 저주파 대역의 변화는 미미하였고, 음향전달경로의 특성인 고주파대역의 변화폭이 크다는 것을 확인하였다.

상기 문헌의 내용을 바탕으로 와인소음의 특성인 음향전달경로라는 것을 확인하였고, 이에 본 실험을 마이크로폰을 이용하여 타이어에서 방출되는 와인소음을 측정하기로 한다.

국내 콘크리트로 포장된 노면 중 포장상태와 트랜치의 상태가 양호한 구간에서 진행하고, 차량 평가방법은 국내에서 제작한 2,000cc 차량을 이용하며, 차량은 이상이 없는 공차상태인지를 파악 후 차량의 전륜에 장착된 타이어의 트레드 리딩부에 마이크로폰을 설치한다. 이때, 마이크로폰이 차량의 주행 중 차체에서 이탈하거나 흔들림이 최소화 될 수 있도록 고무 댐퍼를 이용해 고정한다. 차량은 콘크리트로 포장된 노면 중 트랜치가 양호한 상태인 와인소음 측정구간을 시속 100km의 속도로 주행하면서 방출되는 타이어 소음을 측정한다. 측정은 버전 별 10회 이상 측정하고 결과값에 편차가 심하면 재시험을 진행한다.

차량의 변화에 따른 편차를 없애고자 타이어의 리딩(Leading)부에서 직접 측정하는 것이 바람직하다.

도 4와 같이 와인 소음의 피크음이 버전에 따라 그 수준 차이가 나타남을 알 수 있다. 시험 버전은 하기 표 1에 나타난 바와 같이 9가지의 형상을 가지는 패턴으로 각 버전 별 피치의 길이, 횡그루브의 깊이, 한 블록 내 사이프의 수를 다르게 하여 설계하고, 횡그루브의 깊이는 트레드의 중앙부와 외측부에 각각 다른 값으로 설계한다. 세부적으로 피치의 길이는 20mm, 30mm, 40mm, 횡그루브의 깊이는 2mm, 4mm, 6mm, 사이프는 블록내에 삽입하지 않거나 1개, 2개 이렇게 각 설계인자 별 3수준으로 9가지의 패턴을 제작하여 실험을 진행하였고, 타이어에서 방출되는 와인소음의 수준은 각 버전 별로 차이가 나는 것을 보여주고 있다.

버전	피치 길이 (mm)	횡그루브 깊이(mm)		사이프
		센터	숄더
1	23.168	2	2	0
2	23.168	4	4	1
3	23.168	6	6	2
4	33.096	2	2	2
5	33.096	4	4	0
6	33.096	6	6	1
7	43.439	2	2	1
8	43.439	4	4	2
9	43.439	6	6	0

도 4의 결과로 미루어 보아 타이어의 트레드 부에 형성되어 있는 블록의 강성에 따라 와인 소음의 수준이 변화한다는 것을 알 수 있다.

도 4의 결과로부터 패턴설계인자 중 블록의 강성변화에 따라 소음의 수준이 달라진다는 것에 착안하여 블록 내에 삽입하는 사이프와 스트럿에 설계 변화를 주어 콘크리트 와인 소음의 수준을 감소시키고자 한다.

이에 따라, 상기 실험을 통한 결과를 바탕으로 타이어 트레드 부의 각 부위 별 소음 발생 영향도를 도출하고(S17), 이어서 타이어 트레드 중앙부와 숄더부를 나누어 블록에 사이프를 삽입하고(S18), 사이프 내부의 블록면에 스트럿을 설치한다(S19).

도 5와 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 타이어의 트레드부의 블록의 강성을 조절하기 위하여 사이프(2) 내에 스트럿(12)이 설치된 것을 나타낸 도면이다. 도면에 도시되어 있는 내용과 같이, 사이프(2) 내벽에 스트럿(12)을 설치하여 강성을 보강하는 것으로 이 스트럿(12)의 높이는 사이프(2)의 폭 × 0.5 ~ 0.3을 넘지 않는 범위 내에서 설치하고, 스트럿(12)의 폭은 2mm가 넘지 않는 것으로 10m㎟내에 4개를 초과하지 않는 것을 기준으로 한다. 이는 사이프가 가지는 특성을 크게 잃지 않으면서 본 발명의 효과를 기대할 수 있는 설계 범위이고, 상기 설계 값보다 그 크기가 작을 경우 기대효과가 미비하고, 클 경우 타이어가 몰드에서 만들어져 빠져나올 때 스트럿 뜯김 또는 사이프 핀이 휘는 등의 생산성 불량으로 이어질 수 있다.

강성의 변화는 스트럿(12)의 설치 수를 늘리는 것으로 조절할 수 있다.

또, 스트럿(12)의 설치 위치는 도 6와 같이 블록의 사이프(2)내에서 최대 50%이상 스트럿(12)과 스트럿(12)이 동일선상에 놓이지 않도록 한다. 이는 타이어가 가류되어 생산될 때 몰드에서 타이어가 분리되어 빠져나오면서 사이프의 스트럿이 몰드의 사이프 핀과 간섭을 일으켜 뜯김 및 사이프 핀이 휘는 현상이 생길 우려가 있어 공정시간을 증가시키는 원인이 될 수 있기 때문이다.

이제까지 본 발명에 대한 구체적인 실시예를 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예를 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 횡그루브
2 : 사이프
3 : 종그루부
L : 트렌치 길이(mm)
10 : 트렌치
11 : 블록
12 : 스트럿
110 : 시속 80Km/h의 발생대역
120 : 시속 100Km/h의 발생대역
130 : 시속 120Km/h의 발생대역
140 : 시속 100Km/주행 시 와인 소음 수준

Claims (3)

1. 콘크리트 와인 소음에 기여하는 패턴설계인자들을 파악하는 단계;
   상기 패턴설계인자들의 소음기여도를 파악하기 위한 패턴설계인자들의 형상과 수준에 따른 실험 버젼을 선택하는 단계;
   PC에 탑재된 3D 설계 전용 프로그램을 이용해 패턴의 형상에 따른 소음성능을 예측 한 후, 각 패턴 설계인자들이 소음에 영향을 미치는 정도를 구하는 단계;
   실제 소음발생 정도를 검증하기 위한 구조와 물성이 동일한 비-패턴 타이어를 제작하는 단계;
   비-패턴 타이어에 상기 실험 버전들의 각 설계인자 및 수준에 맞춰 패턴을 형성시켜 버전 별로 핸드카빙 타이어를 제작하는 단계;
   상기 버젼 별로 만들어진 핸드카빙 타이어를 이용하여 국내 고속도로 중 콘크리트 노면의 도로에서 실제 실험을 통한 와인 소음 수준을 분석하여 결과를 도출하는 단계;
   상기 실험을 통한 결과를 바탕으로 타이어 트레드 부의 각 부위 별 소음 발생 영향도 도출 단계;
   타이어 트레드 중앙부와 숄더부를 나누어 블록에 사이프를 삽입하는 단계; 및
   사이프 내부의 블록면에 스트럿을 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스트럿의 높이는 사이프의 폭 × 0.5 ~ 0.3의 범위이고, 스트럿의 폭은 2mm를 넘지 않는 것인 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 각각의 스트럿은 사이프내의 바닥면에서부터 트레드 면까지 수직으로 50%이상 교차되지 않도록 설계되고, 블록의 강성을 조절하는 것은 스트럿의 수를 늘리고 줄이는 것으로 조절하는 것인 패턴설계인자에 따른 콘크리트 와인 소음 저감방법.
   

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