KR101496025B1 - 사이드월에 표면거칠기가 적용된 공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 러프니스 밴드 또는 하나 이상의 러프니스 블록들을 포함하는 공기입 타이어에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 사이드월의 단순한 표면형태의 변화를 통해 타이어의 온도를 저감시킴으로써 비용대비 우수한 방열 효과를 나타내며 타이어의 품질 및 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

사이드월에 표면거칠기가 적용된 공기입 타이어{Pneumatic tire with a sidewall having surface roughness}

본 발명은 사이드월에 표면거칠기가 적용된 공기입 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 발생이 많은 사이드월에 표면거칠기(surface roughness)가 적용되어 사이드월의 방열성이 향상된 공기입 타이어에 관한 것이다.

타이어는 차량에 장착 후 주행중에 고속의 회전을 하게 된다. 이 때 지면과의 마찰에 의해 상대적으로 높은 열이 발생하는데 발생한 열은 제품의 품질 및 내구성을 저하시켜 타이어 세퍼레이션이나 주행 중 파열의 요인이 될 수 있다. 특히, 트럭버스용(TBR) 타이어나 런 플랫 타이어는 온도가 상승하면 재료의 물성이 변하거나 고속 주행시 트레드 파손 등의 원인이 되기 때문에 타이어 내구성을 향상시키기 위해 타이어 온도를 저감시키는 것이 중요하다.

공기입 타이어의 방열을 촉진시키는 기술로 타이어 사이드월에 타이어 폭방향으로 돌출된 복수의 핀(fin)을 장착하여 타이어 회전시에 핀 근방에서 공기의 난류를 발생시키는 것이 알려져 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 사이드월 표면에 쿨링 핀(cooling fin)을 장착하여 타이어의 발열문제를 개선한 타이어이다. 도 1에 의하면, 주행시 대기중의 공기를 이용하여 쿨링 핀(A)에 의해 표면냉각을 유도하여 과열에 의한 타이어의 파손을 방지할 수 있다.

도 2(a)는 사이드월 표면에 쿨링 핀이 장착되지 않은 타이어의 사이드월 표면에서의 공기 유동 특성을 도시한 도면이고, 도 2(b)는 사이드월 표면에 쿨링 핀을 장착한 타이어의 사이드월 표면에서의 공기 유동 특성을 도시한 도면이다. 도 2(a) 및 2(b)에 의하면, 일반 타이어와 사이드월 표면에 핀을 장착한 타이어의 사이드월 표면에서의 공기 흐름 특성을 시뮬레이션한 결과를 비교할 수 있는데 쿨링 핀이 장착되지 않은 경우에는 유동의 흐름에 특이성이 없다. 반면, 쿨링 핀(B) 장착시에는 핀의 끝단에서 공기 흐름이 분리(seperation)되고 다시 유동이 생성되면서 타이어 표면 온도가 낮아지는 것을 알 수 있다.

본 발명의 하나의 목적은 열 발생이 많은 사이드월에 표면거칠기를 적용하여 방열성이 향상된 공기입 타이어를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

트레드부 및 사이드월과, 림에 안착 설치되는 비드부로 구성되는 공기입 타이어에 있어서, 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 연속적인 러프니스 밴드(roughness band)를 포함하는 공기입 타이어에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,

트레드부 및 사이드월과, 림에 안착 설치되는 비드부로 구성되는 공기입 타이어에 있어서, 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 하나 이상의 러프니스 블록(roughness block)들을 포함하는 공기입 타이어에 관한 것이다.

본 발명에 의한 타이어는 사이드월에 표면거칠기를 갖는 러프니스 밴드 또는 러프니스 블록을 적용시켜 단순한 표면형태의 변화를 통해 타이어의 온도를 저감시킴으로써 비용대비 우수한 방열 효과를 나타낸다. 또한, 열화되기 쉬운 사이드월의 온도 저감을 도모하여 타이어의 품질 및 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 사이드월 표면에 쿨링 핀이 장착된 타이어이다.
도 2(a)는 사이드월 표면에 쿨링 핀이 장착되지 않은 타이어의 사이드월 표면에서의 공기 유동 특성을 도시한 도면이다.
도 2(b)는 사이드월 표면에 쿨링 핀을 장착한 타이어의 사이드월 표면에서의 공기 유동 특성을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 의한 사이드월에 표면거칠기가 적용된 러프니스 밴드를 포함하는 공기입 타이어의 우반단면을 나타낸 우반사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 의한 사이드월에 표면거칠기가 적용된 러프니스 블록들을 포함하는 공기입 타이어의 우반단면을 나타낸 우반사시도이다.
도 5는 임의의 공간 내에서의 속도 프로파일에서 벽 근처 난류에서의 속도 분포와 경계층을 도시한 도면이다.
도 6은 임의의 공간 내에서의 속도 프로파일에서 벽 근처 속도 경계층에서 나타나는 전단력과 속도분포를 도시한 그래프이다.
도 7은 매끈한 벽과 거친 벽에서의 경계층 속도 특성을 비교한 그래프이다.
도 8(a)는 임의의 표면에서의 표면거칠기를 도시한 개략도이다.
도 8(b)는 도 8(a)에 의한 개략도의 하부 영역을 중심선에 대하여 대칭으로 상부 영역으로 옮긴 표면거칠기를 도시한 개략도이다.

이하에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 의한 사이드월에 표면거칠기가 적용된 러프니스 밴드를 포함하는 공기입 타이어의 우반단면을 나타낸 우반사시도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 공기입 타이어(10)는 트레드부(11) 및 사이드월(12)와, 림에 안착 설치되는 비드부(13)로 구성되는데, 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 연속적인 러프니스 밴드(roughness band)(121)를 포함한다. 이 경우 타이어 원주 방향을 따라 사이드월 전체에 표면거칠기가 적용된다.

본 발명의 구현예들은 상기 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기가 적용되는데 특징이 있으며, 이러한 표면거칠기가 적용되는 방법은 다양하다. 도 4는 본 발명의 일 구현예에 의한 사이드월에 표면거칠기가 적용된 러프니스 블록(roughness block)(122)들을 포함하는 공기입 타이어의 우반단면을 나타낸 우반사시도이다.

상기 러프니스 블록(122)들은 복수개가 상기 공기입 타이어(10)의 사이드월(12)에 일정한 간격(l)으로 배치될 수 있는데 간격(l)은 10 내지 30mm일 수 있다. 상기 간격(l)이 10mm 미만인 경우에는 러프니스 밴드를 적용하지 않고 러프니스 블록을 사용한 효과가 미비하고, 30mm를 초과하는 경우 충분한 표면거칠기가 적용되지 않아 원하는 수준의 방열효과를 얻을 수 없다. 한편, 상기 러프니스 블록(122)을 복수개를 한 조로 하고, 상기의 복수개의 한 조를 일정간격으로 배치하는 것도 가능하다.

또한, 상기 러프니스 블록(122)들은 타이어 원주 방향으로 서로 다른 2개 이상의 폭(W1, W2, W3)을 가질 수 있다. 이때, 서로 다른 러프니스 블록(122)들의 폭(W1, W2, W3)은 사이드월의 방열효과가 최대가 되는 범위에서 선정될 수 있는데 10 내지 50mm인 것이 바람직하다. 상기 폭(W1, W2, W3)이 10mm 미만인 경우에는 충분한 표면거칠기가 적용되지 않아 원하는 수준의 방열효과를 얻을 수 없고, 50mm를 초과하는 경우 러프니스 밴드를 적용하지 않고 러프니스 블록을 사용한 효과가 미비하다.

본 발명에서 표면거칠기란 고무 재질의 오목 볼록한 기복의 차이를 나타내는 것으로 단위는 마이크로미터(㎛)를 사용한다. 상기 표면거칠기는 몰드 표면에 방전가공법 또는 부식법을 사용하여 용이하게 형상 적용할 수 있기 때문에 기존의 마찰력 증가를 위한 추가적인 반제품 삽입 공정이 필요없어 생산성 측면에서도 매우 유리하다.

육안으로 보이는 물체의 윤곽은 하나의 직선 또는 곡선으로 보이지만 확대해 보면 매우 작고 불규칙한 요철들이 모여서 이루어진 선들이다. 이러한 요철들에 의해 형성된 표면의 거칠기는 표면위로 흐르는 유동의 흐름을 크게 변화시키며 열전달을 활발하게 한다. 도 5는 임의의 공간 내에서의 속도 프로파일에서 벽 근처 난류에서의 속도 분포와 경계층을 도시한 도면이다. 도 5에 의하면, 고체 표면에서의 거칠기 특성에 의해 임의의 공간 내에서의 속도 프로파일에서 벽 근처(C)의 점성층에 난류를 발생시키고 공기의 유동을 활발하게 한다. 또한 유동에서의 표면거칠기는 표면에 난류를 발생시킴으로써 박리점을 지체시켜 항력을 줄이는 효과를 생성한다.

본 발명은 이러한 표면거칠기의 효과를 타이어 사이드월에 적용하는데, 이하, 구체적인 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 임의의 공간 내에서의 속도 프로파일에서 벽 근처 속도 경계층에서 나타나는 전단력과 속도분포를 도시한 그래프이다. 도 6에 의한 그래프에서 u⁺와 y⁺는 경계층의 속도분포를 나타내기 위한 무차원수이며 로그스케일을 취하여 나타낸다. 도 6에 의하면, 벽 근처의 속도 경계층에서 나타나는 전단력과 속도분포는 3단계로 분류할 수 있다. 즉, 점성력으로 인해 점성전단력이 지배적인 내층(inner layer), 난류전단력과 점성전단력이 공존하는 공존층(overlab layer) 및 난류전단력이 지배적인 외층(outer layer)으로 구분된다.

도 7은 매끈한 벽과 거친 벽에서의 경계층 속도 특성을 비교한 그래프이다. 표면에 거칠기가 적용된 경우의 벽근처의 속도 경계층에서 나타나는 속도분포를 나타낸 그래프이다. 표면에 거칠기가 발생하게 되면 도 7과 같이 속도 경계층 영역이 벽쪽으로 ΔB만큼 이동하게 되며 벽쪽에서 더 활발한 유동을 일으키게 된다.

상기 매끈한 벽에서의 속도는 하기 식 1로 표시된다.

식 1(k 및 B는 상수)

상기 거친 벽에서의 속도분포는 하기 식 2로 표시되며, 식 2에 의하면 식 1과 ΔB의 차이가 있음을 알 수 있다.

식 2(k 및 B는 상수)

상기 식에서 B는 상수이고, 거친 벽에서 ΔB는 거칠기의 높이에 따른 함수값을 나타낸다. 따라서 거칠기의 높이가 증가하면 ΔB 값이 증가하므로 u ⁺의 값은 감소한다.

본 발명에서는 상기와 같은 메커니즘을 타이어의 사이드월에 적용하여 고속주행시 발생하는 발열을 저감시키는데, 거친 표면에서 공기의 유동에 의해 형성된 와류에 의해 사이드월에 쿨링 핀을 장착한 것과 동일한 효과를 가져올 수 있다.

한편, 표면거칠기의 정도를 산정하는 방법으로는 대표적으로 평균 산출법(Ra), 최대 높이 산출법(Rs), 십점 평균 산출법(Rz) 등이 있으며, 본 발명에서는 표면거칠기의 대표값으로는 평균산출법을(Ra) 이용한다. 이하 평균산출법에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 물체 표면의 일부를 샘플로 채택하여 저주파와 고주파 파형을 그린다. 이 때, 필요에 따라서 저주파 파형을 제외하고 고주파 영역에 대한 거칠기만을 고려하는 컷오프를 행하기도 한다. 예를 들어, 임의의 표면을 정하였을 때, 표면거칠기를 도 8(a)에 도시하였다. 여기에 중심선을 정하고 하부 영역을 중심선에 대해서 대칭으로 상부 영역으로 옮기면 도 8(b)와 같다.

이와 같이 중심선에 대하여 대칭시키는 이유는 적분하면 아래쪽 영역은 음이 나오기 때문이다. 따라서, 거칠기 영역을 모두 양의 값으로 바꾸어 주어야 평균을 산출할 때 상쇄되는 영역이 없다. 이어서 하기 식3을 사용하여 거칠기의 평균(Ra)을 산출할 수 있다.

식 3

상기 식3의 의미는 중심선 위쪽의 그래프를 적분한 값을 샘플 구간으로 나누어, 그 구간에서 거칠기가 없이 평평하다고 가정하였을 때의 평균높이를 의미한다. 식 3을 사용하여 계산하면, 본 발명에 의한 러프니스 형상에서 표면거칠기의 평균(Ra)높이은 20 내지 25㎛인 것이 바람직하다. 표면거칠기의 평균(Ra)높이가 20㎛ 미만이면, 충분한 표면거칠기가 적용되지 않아 원하는 수준의 방열효과를 얻을 수 없고, 25㎛를 초과하는 경우 타이어 표면에 분포된 고무량의 불균형으로 인한 문제점들이 발생할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 취지 또는 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구조를 다양하게 변경하고 변형할 수 있다는 사실은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허청구범위 및 그와 균등한 범위로 정해져야 할 것이다.

10: 공기입 타이어 11: 트레드부
12: 사이드월 13: 비드부
121: 러프니스 밴드 122: 러프니스 블록

Claims (9)

1. 트레드부 및 사이드월과, 림에 안착 설치되는 비드부로 구성되는 공기입 타이어에 있어서, 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 연속적인 러프니스 밴드를 포함하되, 상기 표면거칠기는 몰드 표면에 방전가공법 또는 부식법을 사용하여 적용되며, 상기 표면거칠기의 평균높이(Ra)는 20 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
2. 트레드부 및 사이드월과, 림에 안착 설치되는 비드부로 구성되는 공기입 타이어에 있어서, 사이드월의 적어도 일부에 표면거칠기를 갖는 하나 이상의 러프니스 블록들을 포함하되, 상기 표면거칠기는 몰드 표면에 방전가공법 또는 부식법을 사용하여 적용되며, 상기 표면거칠기의 평균높이(Ra)는 20 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 표면거칠기를 갖는 연속적인 러프니스 밴드의 거친 표면에서 공기의 유동에 의해 형성된 와류에 의해 사이드월의 표면 온도가 저감되는 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
4. 제 2항에 있어서, 상기 표면거칠기를 갖는 하나 이상의 러프니스 블록의 거친 표면에서 공기의 유동에 의해 형성된 와류에 의해 사이드월의 표면 온도가 저감되는 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
5. 제2항에 있어서, 상기 러프니스 블록들은 타이어 원주 방향으로 서로 다른 2개 이상의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
6. 제2항에 있어서, 상기 러프니스 블록들은 복수개가 상기 공기입 타이어의 사이드월에 10 내지 30mm의 간격으로 일정하게 배치되는 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
7. 제2항에 있어서, 상기 러프니스 블록들은 복수개가 한 조로 구성되고, 상기의 복수개의 한 조가 상기 사이드월에 일정간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
8. 제2항에 있어서, 상기 러프니스 블록들의 폭은 10 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 공기입 타이어.
   
9. 삭제

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