KR101601202B1 - 카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어 - Google Patents

카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카카스 턴업(turn-up) 부위에서 발생하는 에어입 불량을 줄이면서 비드부 내구성능을 개선할 수 있도록 카카스 플라이층과 턴업(turn-up)된 바깥쪽에 인접하고 있는 사이드월 또는 림플랜지 고무와의 점착력과 림플랜지 고무의 강성이 카카스 플라이층의 휨강성(Bending Stiffness)에 비해서 크게 한 것을 특징으로 하는 카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어에 관한 것이다.

Description

카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어{Passenger radial tires with ultra fine steel cord}
본 발명은 카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카카스 턴업(turn-up) 부위에서 발생하는 에어입 불량을 줄이면서 비드부 내구성능을 개선할 수 있는 카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어에 관한 것이다.
승용차용 공기압 래디알 타이어는 내층에 주입한 공기가 빠져나가지 않도록 하는 인너라이너 고무층이 있고, 그 위에 폴리에스터, 레이욘, 나일론 등의 소재로 구성된 1~2 층의 카카스 플라이가 있다. 그리고, 상기 카카스 플라이 상측에 환형의 비드 다발을 통해 카카스 플라이를 돌려 올리는 턴업을 완성하고, 트레드 부위에는 카카스 플라이 층의 바깥쪽으로 1 ~ 4 층의 스틸코드 또는 아라미드와 같은 유기 섬유 코드로 보강한 벨트 플라이 층이 있고 벨트 플라이 위에 트레드 고무가 입혀지며, 비드부에는 카카스 플라이 바깥쪽으로 비드 보강 필러, 림플랜지, 나일론 또는 스틸 체파로 보강하여 만들어진다.
종래의 공기입 타이어에서 사용하는 카카스 플라이는 타이어 제조에 적합한 강도와 단가를 갖는 폴리에스터 코드가 유용하게 많이 사용된다. 최근 차량 성능이 향상되고 고속주행이 가능한 도로가 증가하면서 타이어에 대해서도 승차감과 조정성이 우수하고 고속주행에 대한 내구성을 요구하게 되면서 고성능 타이어에 대한 수요도 증가하게 되었다. 이러한 타이어의 카카스 플라이 소재는 모듈러스가 높고 열에 대한 코드 물성 변화가 적은 레이욘 코드가 타이어 설계에서 유효한 수단이 될 수 있다. 그러나, 레이욘 코드는 절단 강도가 낮아 타이어의 내구 성능을 유지하기 위해서는 코드와 고무의 직경을 높히거나 카카스 플라이의 수를 증가시켜야 하기 때문에 타이어 중량 증가를 피할 수 없다. 특히 연비를 중시하는 최근의 경향에서 타이어 중량을 줄여 타이어의 회전 저항을 낮추려는 추세에서 레이욘 코드는 카카스 플라이 층의 중량을 낮추기 어려운 설계적인 한계가 있었다.
레이욘 코드에 비해 스틸 코드는 모듈러스가 높고 열과 수분에 대한 물성 변화가 없기 때문에 카카스플라이 보강용 소재로 사용하면 승용차 래디알 공기압 타이어 핸들링, 플랫스팟, 승차감 등의 성능을 개선하고 카카스 플라이 층의 중량 감소에 의한 연비 향상이 가능하다. 그러나, 기존의 스틸코드는 선경이 0.15㎜ 이상으로 크기 때문에 카카스 플라이를 비드를 통해 붙여 올리는 성형의 턴업 공정에서 턴업이 되지 않거나, 타이어가 만들어지더라도 비드부에 높은 플라이 텐션이 작용하기 때문에 사이드월 또는 림플랜지의 고무 두께를 증가시켜 보강해야 하기 때문에 중량이 증가되는 타이어 설계적인 한계가 있다.
이를 해결하기 위해 특허 KR 1997-0016686 (1997.6.30)는 스틸코드를 구성하는 소선의 직경을 0.04~0.14㎜인 극세선의 스틸코드 카카스플라이를 사용하는 것을 고안하였고, 특허 KR 2005-0063863(2005.6.29)는 1본의 강소선 심선과, 심선의 외주면에 축방향을 따라 나선형으로 꼬여지며 선경이 0.04~0.14㎜인 동시에 상기 심선보다 가는 4∼7본의 강소선 심선으로 구성되고, 연선된 최종 직경이 0.2∼0.5㎜, 절단력은 25∼35kgf 임에 기술적 특징이 있는 스틸코드를 카카스 플라이의 래디알 공기압 타이어를 제안한 바가 있다. 이러한 종래의 기술을 적용한 타이어는 높은 사이드월 강성으로 조정안정성이 향상되고, 벌지 또는 덴트 측면에서 타이어의 유니포미티가 좋기 때문에 승차감도 향상되는 등 성능적으로 장점이 많다. 또한 주행중에 발생하는 열에 의해 온도가 상승하더라도 코드의 물성이 변화되지 않기 때문에 장기간 주행하더라도 타이어의 성능 저하가 없다.
그러나, 조정안정성을 선호하는 타이어 구조 설계 추세에 따라 트레드 폭이 넓어지고 림경이 증가하여 타이어의 편평비가 낮아지게 되면서 극세선 스틸코드의 카카스 보강층을 가지는 타이어는 성형과 가류 과정에서 카카스 턴업(turn-up) 부위가 들뜨게 되는 제조 불량이 발생하고, 턴업 높이가 낮은 타이어에서는 더 쉽게 들뜨는 문제가 발생한다. 이러한 경우, 타이어는 비드 내구성능이 급격하게 하락하는 문제가 있어 편평비가 낮아서 카카스 턴업 높이가 낮은 구조의 타이어는 극세선 스틸코드를 카카스 보강재로 사용하는 것이 제한되어 왔다.
대한민국특허 제10-0346067호
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 소선경이 가는 극세선으로 만들어진 스틸코드를 카카스 보강재로 사용하는 타이어에서, 카카스 턴업에 따른 카카스 플라이 들뜸이 발생하는 것을 억제하여 편평비가 낮은 타이어에서도 극세선 스틸코드 플라이를 사용할 수 있도록 카카스플라이의 벤딩 강도와 극세선 플라이의 점착력, 그리고 림플랜지 고무의 강성과의 관계를 만족하도록 타이어를 설계하여 궁극적으로 타이어의 조정안정성을 향상하는 등의 성능을 향상하면서 동시에 비드 내구성능을 개선할 수 있는 카카스용 극세선 스틸코드를 가지는 승용차용 래디알 타이어를 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 소선경이 0.14㎜ 이하의 극세선을 가지는 스틸코드를 카카스 플라이의 보강재로 사용하는 공기입 래디알 타이어에 있어서, 상기 카카스 플라이의 벤딩력(FP)은 상기 카카스 플라이의 턴업 높이(h), 림플랜지 고무 물성(MRF) 및 두께(t)에 대해 아래의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0< FP < (0.025kgf/mm×h) + (MRF×t)
상기 카카스 플라이의 벤딩력(FP)은 적어도 유기섬유로 이루어진 카카스 플라이의 벤딩력(Fpf)보다 큰 것을 특징으로 한다.
또, 상기 소선경이 0.04~0.14㎜이고, 코드의 절단력이 25~35kgf인 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 극세선 스틸코드 플라이와 카카스 피복 고무의 점착력, 림플랜지 고무 강도가 발명의 관계식을 만족하도록 제품을 설계하여, 편평비가 낮은 타이어에서도 극세선 스틸코드 카카스 플라이를 플라이 들뜸으로 인한 공정 문제가 없이 사용하는 것이 가능하고, 이를 사용하는 타이어에서는 조정안정성 및 승차감 등 전반적인 성능이 개선된다. 즉 극세선 스틸코드의 소선 직경이 낮아져 극세선 스틸코드 플라이의 벤딩력이 낮아지면 이에 비례하여 플라이의 턴업 높이를 낮추거나 림프랜지의 고무두께를 낮추는 것이 가능하다는 것을 의미하게 되어 타이어 중량을 낮추면서도 카카스 플라이 들뜸이나 비드 내구력이 저하되지 않는 제품을 설계하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 극세선 스틸코드의 부분사시도이다.
도 2는 도 1의 극세선 스틸코드의 단면도이다.
도 3은 본 발명에서 언급한 비교예에 따른 극세선 스틸코드의 부분사시도이다.
도 4는 도 3의 극세선 스틸코드의 단면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에서는, 극세선 스틸코드 플라이가 타이어 성형의 플라이 턴업 이후 들뜨거나 비드부 내구성능이 하락하는 문제를 해결하기 위하여 극세선 스틸코드 카카스 플라이의 벤딩력 보다 높은 극세선 스틸코드 플라이의 접착력과 림프랜지 고무의 강도를 갖도록 제품을 설계하는 방법을 제안한다. 따라서, 수학식 1과 같은 관계가 성립된다.
[수학식 1]
FP < FA + FR
여기서, FP는 극세선 스틸코드 플라이의 벤딩력이고, FA는극세선 스틸코드 플라이의 점착력이며, FR는 림플랜지 고무의 강도이다.
극세선 스틸코드 카카스 플라이의 벤딩력(FP; kgf)는 극세선 스틸코드의 벤딩력(FS; kgf)과 코드수(N)에 비례하고, 스틸코드의 벤딩력(FS; kgf)은 소선의 수(n)와 소선의 직경(d; mm)에 의해 수학식 2와 같이 결정된다.
[수학식 2]
FP = N × FS = N × 2400 (n × d4)
스틸코드의 강도는 재료의 탄성률(Young's modulus)와 소선의 꼬임각도, 소선수에 비례하고 직경의 4승에 비례(와이어의 단면모멘트에 비례)하며, 수학식 2는 소선수와 직경을 제외한 나머지를 상수로 단순화 시킨 식이다.
극세선 스틸코드 카카스 플라이의 점착력(FA; kgf)과 림플랜지 고무의 강도(FR; kgf)은 카카스 플라이 턴업 높이(h; mm)와 림플랜지 고무의 50% 신장시의 인장강도(MRF; kgf/cm2), 림플랜지의 고무두께(t; cm)에 따른 단위 단면적(At; 1×t cm2)에 대해서 수학식 3,4와 같은 관계에 있다.
[수학식 3]
FA ≥ 0.025kgf/mm × h
수학식 3는 타이어 설계에서 경험을 바탕으로 얻어진 식이며, 점착력과 플라이 턴업 높이의 관계를 비례식으로 표현한 것이다. 여기서, 0.025kgf/mm는 극세선 카카스 플라이를 적용하는 그린케이스가 성형 작업을 용이하게 수행할 수 있도록 경험적으로 얻어지는 단위 길이당 최소 점착력의 크기를 나타낸다.
[수학식 4]
FR ≥ MRF × At
따라서, 극세선 스틸코드 카카스 플라이의 벤딩력(FP; kgf)은 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
FP < (0.025kgf/mm ×h) + (MRF× At)
Fp 값이 0이 되면 카카스 플라이(Carcass Ply)의 백텐션(Back Tension)이 0이 되므로 이상적인 상태이다. 물론, 스틸 플라이가 기본적인 재료 강성이 있고 두께를 가지는 재료이기 때문에 실제적으로는 0인 상태는 가능하지는 않게 된다. 따라서, 수학식 5는 다음과 같이 볼 수 있다.
[수학식 6]
0< FP < (0.025kgf/mm×h) + (MRF×At)
여기서, Fp 값이 0이라는 것은 턴업했을 때, 반발력이 없이 그 상태를 유지하는 것이므로 가장 적정한 상태이지만, 스틸카카스 플라이의 벤딩력(FP; kgf)이 기존의 유기섬유로 이루어진 카카스 플라이의 벤딩력(Fpf; kgf)다 크기 때문에 고안된 것이므로 이를 유기섬유로 이루어진 카카스 플라이는 FP 이상으로 규정할 수 있다. 따라서, 수학식 6은 다음과 같이 수정할 수 있다.
[수학식 7]
Fpf < FP < (0.025kgf/mm×h) + (MRF×At)
극세선 스틸코드 카카스 플라이를 낮은 편평비의 승용차 타이어에 사용하기 위한 본 발명의 기술을 상세히 설명하면 아래와 같다.
본 발명에 따른 실시예에서 카카스 플라이 보강재로 사용한 극세선 스틸코드(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같다. 모든 소선(106)의 선경이 0.04~0.14㎜이고, 서로 꼬아놓은 2개의 소선을 가운데에 두고 7~9개의 소선이 2개의 심선(102,104)이 이루는 외주원 바같쪽으로 나선형으로 꼬여지는 2+n 구조이다. 여기서, 극세선 스틸코드(100)를 구성하는 소선경이 통상 0.15mm 이상이기 때문에 극세선 스틸코드에 사용되는 소선경의 범위를 0.14mm 이하로 한정하였고, 스틸코드 고탄소강 선재로 0.04mm이하는 현재의 기술로서 인발 가공이 불가능하기 때문에 하한으로써 한정하였다.
만들어진 극세선 스틸코드(100)의 직경은 0.3~0.5㎜이고, 절단력은 25~35kgf의 범위이다. 여기서, 절단력은 승용차용 래디알타이어에서 하중을 지지하기 위한 카카스 플라이를 구성하기 위해 필요한 스틸코드의 강도이며, 하중 지지에 요구되는 최소한의 극세선 스틸코드의 강도는 25kgf 이상이어야 하고, 35kgf보다 크면 카카스 플라이의 강도가 필요 이상으로 높아 과잉 설계에 해당된다.
그러나, 코드의 구조는 1+n, m+n, l+m+n 등 특정하지 않고 플라이 강도와 벤딩 응력의 범위 내어서 특정하지 않고 다양한 형태의 극세선 스틸코드 구조를 사용할 수 있다.
표 1에는 발명의 실시예에 따른 극세선 스틸코드(100)인 2+7×0.095와, 비교예인 종래의 극세선 스틸코드(200)의 물성과 시제품 타이어 내구성능을 비교하였다.
극세선 카카스 플라이를 사용한 시제품은 245/40 R18 사이즈에서 평가하였으며, 시제품 타이어는 카카스 플라이 턴업 높이와 림플랜지의 두께를 발명에 따라 제조하였다.
극세선 카카스플라이의 벤딩력은 카카스 플라이의 양 끝을 지지대 위에 올려 두고 가운데를 위에서 눌러 카카스 플라이가 받는 힘을 측정하고, 카카스 플라이 점착력은 인접하는 카카스 플라이와 고무 시트를 일정한 힘으로 맞대어 붙인 후에 이를 떼어내는데 필요한 힘을 측정하였다. 그리고, 제품의 성능은 벨트 및 비드 내구성능과 차량 주행 감성(승차감, 조정성)을 평가하였다.
극세선 스틸코드(100)의 벤딩력이 낮아지게 하기 위해 소선의 직경을 작게 하는 2+7×0.095 극세선 스틸코드를 카카스플라이로 사용하는 실시예에서 카카스 플라이의 턴업 높이를 낮게 하고 림프랜지의 고무 두께가 작더라도 제품의 내구성능 및 기타 성능은 충분히 확보할 수 있다.
그러나, 1개의 심선(202)과 6개의 소선(206)을 사용하여 1×0.13+6×0.12의 구조를 가지는 극세선 스틸코드(200)를 카카스 플라이로 사용하는 타이어에서 림플랜지의 고무 두께가 낮으면 비드 내구성능이 8% 하락하는 결과를 보인다. 비드 내구성능을 위해서 림플랜지 두께를 2㎜ 크게하면 내구성능 뿐만 아니라 제반 주행 성능이 향상되어 카카스 플라이의 벤딩력이 높아지더라도 제품을 설계하는 것이 가능해진다.
구분 실시예 비교예
코드물성


 스틸코드(카카스) 2+7×0.095 1×0.13+6×0.12
코드직경 ㎜ 0.37 0.33
꼬임길이(방향), ㎜(S or Z) 5S/9S 8S
절단력. kgf 25.8 25.2
카카스플라이 벤딩력(FP), kgf 2.1 3.5
타이어평가 (245/40 R18)
카카스턴업 높이(h), ㎜ 30 60 60 60
림플랜지 두께(t), cm 0.5 0.3 0.5 0.7
카카스플라이 점착력(FA), kgf 0.8 1.5 1.5 1.5
림플랜지 고무강도(FR), kgf 1.5 0.9 1.5 2.1
I/D
벨트내구성능(%) 100 100 100 100
비드내구성능(%) 100 128 92 108
F/D
 승차감 100 100 110 110
조정안정성 100 110 110 120
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,200: 극세선 스틸코드
102,104,202: 심선
106,204: 소선

Claims (3)

  1. 소선경이 0.14㎜ 이하의 극세선을 가지는 스틸코드를 카카스 플라이의 보강재로 사용하는 공기입 래디알 타이어에 있어서,
    상기 카카스 플라이의 벤딩력(FP; kgf)은 상기 카카스 플라이의 턴업 높이(h; mm), 림플랜지 고무의 50% 신장시의 인장강도MRF; kgf/cm2) 및 림플렌지 두께(t)에 따른 단위 단면적(At; 1×t cm2)에 대해 아래의 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 래디알 타이어.
    0< FP < (0.025kgf/mm×h) + (MRF×At)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카카스 플라이의 벤딩력(FP; kgf)은 적어도 유기섬유로 이루어진 카카스 플라이의 벤딩력(Fpf; kgf)보다 큰 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 래디알 타이어.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소선경이 0.04~0.14㎜이고, 코드의 절단력이 25~35kgf인 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 래디알 타이어.
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