KR101668187B1 - 내부 베인을 구비한 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 타이어는 트레드부, 사이드월부, 및 비드부를 구비하여 원주상의 공동을 형성하며, 트레드부의 내측면을 하부 베이스로 하여 타이어의 폭 방향으로 가로지르며 상기 공동 내로 경사지게 연장되는 내부 베인이 트레드부의 내측면의 원주 방향을 따라 복수개 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 타이어는 내부 공기의 역회전 운동을 억제하는 효과 및 차량 연비 개선 효과를 갖는다.

Description

내부 베인을 구비한 타이어{A tire with internal vanes}

본 발명은 타이어에 관한 것으로서, 구체적으로는 타이어의 내부 공기 유동을 제어하는 내부 베인을 구비한 타이어에 관한 것이다.

운송용 또는 승용 차량 또는 오토바이 등에 사용되는 공기 주입 타이어는 운동 중에 마찰을 발생시킨다. 이 마찰의 일부는 타이어 내부의 공기 유동에 기인한다. 예컨대, 공기 주입 타이어가 차량에 장착되어 회전하는 경우, 지면에 의한 가압에 의하여 나타나는 국부적 변형 부위가 지속적 원운동을 하게 되므로 타이어의 내부 공기는 타이어의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 운동을 한다. 이로 인하여 타이어 내부에서 상당량의 마찰이 발생되고, 이는 타이어의 회전 운동을 거스르는 항력(drag force)을 발생시켜 차량의 주행 효율 및 수명에 부정적인 영향을 미친다. 2015년 3월 10일에 특허된 미국특허 8,973,629호에서는 타이어의 내부에 팽창식 차단체를 삽입하여 타이어 내에 분리된 챔버를 형성함으로써 타이어 내부 공기의 회전 운동을 방지하는 타이어를 제시하였다. 그러나 이 경우는 차단체를 팽창시키는 별도의 작업 공정이 요구되고, 챔버 사이에 압력 균형을 유지하기 위한 공기 통과를 허용하는 수단이 요구되는 점 등에서 실제적 활용이 곤란한 단점이 있다.

미국특허 8,973,629호, 미국특허8,287,642호, 및 미국특허 7,290,577호

본 발명은 운행중 차량에 장착된 타이어의 내부 공동에 유발되는 내부 공기 유동을 제어하는 베인을 구비함으로써 차량의 연비를 향상시키는 타이어를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 타이어는 트레드부, 사이드월부, 및 비드부를 구비하여 원주상의 공동을 형성하며, 트레드부의 내측면을 하부 베이스로 하여 타이어의 폭 방향으로 가로지르며 상기 공동 내로 연장되는 내부 베인이 트레드부의 내측면의 원주 방향을 따라 복수개 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 타이어의 내부 베인은 트레드부의 내측면에 대하여 동일한 원주 방향으로 경사지게 연장되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어의 내부 베인은 단말부가 사이드월부의 양 내측면에 이르는 연장 높이를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어의 내부 베인은 타이어의 중심축 쪽을 향하여 볼록하게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어의 내부 베인은 경사진 방향으로만 개방 가능한 판막이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 타이어는 트레드부, 사이드월부 및 비드부를 구비하여 원주상의 공동을 형성하며, 타이어의 내벽을 베이스로 하여 상기 공동 내에 개구부를 지닌 포켓 구조의 벨로우즈가 원주 방향을 따라 복수개 형성되며, 그 개구부가 동일한 원주 방향으로 향하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어의 포켓 구조의 개구부 가장자리가 사이드월부의 양 내측면에 위치한 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 타이어는 내부 베인이 공기 배리어의 기능을 가짐으로써 타이어 내에서 일 방향으로 유발되는 내부 공기의 역회전 운동 형성을 저항하는 효과를 갖는다. 또한 본 발명은 국부적 공기 유동이 타이어 회전 방향 쪽으로 형성되는 효과를 제공한다. 나아가서 본 발명은 차량 연비 개선 및 타이어의 수명 연장 효과를 갖는다.

도1은 종래 타이어의 연직 대칭면을 따른 단면의 개략도이다.
도2는 종래 타이어의 정상 형상 부위와 국부적 변형 부위의 타이어 반경 방향 단면도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 타이어의 개략 사시도이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 타이어의 연직 대칭면을 지나는 개략 단면도이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 타이어의 내부 베인을 나타내는 타이어 반경 방향 단면도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 타이어에서 국부적 공기 유동을 나타내는 부분 단면도이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 내부 베인의 배열을 나타내는 개략 사시도이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 타이어의 정상 형상 부위와 국부적 변형 부위를 비교한 반경 방향 단면도이다.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 타이어 판막의 동작 단면도이다.
도10은 본 발명의 실시예에 따른 타이어 판막을 도시하는 반경 방향 단면도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 본 발명은 여러 가지 다양한 형태로 변형하여 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지는 않는다. 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 간략화 하거나 과장되게 묘사할 수 있으며, 본 발명을 명확하게 하기 위하여 발명과 직접적인 관계가 적은 부분은 생략되었다.

도1은 통상적인 타이어가 차량에 장착되어 직립되었을 경우, 연직 대칭면을 지나는 단면을 개략적으로 도시한다. 또한 도1은 차량 타이어가 주행중 국부적으로 변형되는 상황을 도식적으로 나타낸다. 공기 주입 타이어(1)가 차량의 하중을 받으면 지면(ground; 2)에 가압되어 국부적으로 변형되는 부위가 발생된다. 차량이 주행 방향(M)으로 움직일 때, 바퀴의 회전 방향(W)에 따라, 예컨대, 바퀴가 각 만큼 회전하면서 정상 형상 부위(Normal shape, N)가 국부적 변형 부위(locally Distorted shape, D)로 전환된다. 타이어 자체를 기준으로 보면 국부적 변형 부위(D)는 타이어의 회전 방향과 반대 방향으로 이동된다. 이로 인하여 타이어 공동(4)에 존재하는 내부 공기는 타이어 회전 방향(W; 이하 정회전 방향이라 한다)과 반대 방향(R; 이하 역회전 방향이라 한다)으로 회전 운동을 하게 된다.

도2에서는 종래 타이어의 정상 형상 부위(N)와 국부적 변형 부위(D)의 타이어 반경 방향 단면을 도시한다. 도2에서 보듯이 타이어는 통상적으로 트래드부(tread portion; 10), 사이드월부(sidewall portion; 20), 및 비드부(bead portion; 30)로 이루어져 그 내부에 환상의(toroidal) 공동(cavity; 40)을 형성한다. 공동(40)은 도시되지 아니한 림(rim)에 의하여 폐쇄된다. 도2의 오른 쪽에 도시된 국부 변형 부위(D)는 왼 쪽에 도시된 정상 형상 부위(N)와 비교하여 공동의 단면 높이는 감소되지만, 공동의 단면 폭은 상대적으로 증가한다. 본 발명에서 트레드부(10)는 차량의 하중에 의해 타이어가 가압되어 국부 변형시 폭이 실질적으로 변화되지 않는 바닥 부위를 지칭하고, 사이드월부(20)는 트래드부의 상부로서 국부 변형시 폭이 변화되는 부위를 지칭한다. 비드부(30)는 사이드월부 상부에서 림과 체결되며 국부 변형시 폭이 실질적으로 변화되지 않는 부위를 지칭한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어의 개략적인 사시도를 도시한다. 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타이어(100)의 연직 대칭면을 지나는 단면을 개략적으로 도시한다. 본 실시예에 따른 타이어(100)는 트레드부(110), 사이드월부, 및 비드부에 의하여 원주상의 공동(140)을 형성하며, 트레드부(110)의 내측면(111)을 하부 베이스로 하여 타이어의 폭 방향으로 가로지르며 상기 공동 내로 연장되는 판상의 내부 베인(internal vane; 150)이 트레드부(110)의 내측면(111)의 원주 방향을 따라 복수개 형성된다. 내부 베인은 타이어의 내벽의 구배 정도에 따라 대략 활꼴(segment of a circle)의 모양을 띨 수 있으며, 내벽 라이너와 함께 성형되거나 또는 접착제 등으로 부착될 수 있다. 내부 베인은 고무, 고분자, 플라스틱,직물 등의 재료 또는 이들의 혼합을 사용할 수 있고, 가요성(flexible) 또는 반가요성(semi-flexible)을 갖는 것이 바람직하다. 내부 베인(150)은 트레드부(110)의 내측면(111)에 대하여 동일한 원주 방향으로 경사지게 연장되는 것이 바람직하다. 내부 베인(150)이 경사진 방향은 주행중 타이어의 정회전 방향과 동일하도록 타이어를 장착하는 것이 바람직하다. 이러한 내부 베인은 공기 배리어(air barrier)의 기능을 가짐으로써 국부적 변형 부위(D)에 의하여 일 방향으로 유발되는 내부 공기의 역회전 운동 형성을 저항하는 효과를 갖는다.

도5는 타이어의 트레드부(110)가 아래 쪽 방향을 향하도록 배향될 때, 정회전 방향인 후방으로 경사진 내부 베인(150)을 도시한다. 경사각은 반경 방향으로부터 약 20~70도 범위인 것이 바람직하다. 도시되었듯이 내부 베인(150)은 그 상단부인 단말부(151)가 사이드월부(120)의 양 내측면(121)에 이르는 연장 높이를 갖는 것이 바람직하다. 이는 양 사이드월부 간의 국부적인 폭 변형을 억제시키는 효과가 있다. 타이어의 정상 형상 부위(N)에서 내부 베인(150)과 트레드부(110)의 내측면(111) 사이에 형성된 국부 공간(152)의 체적은 타이어가 회전하여 지면에 접촉하는 국부적 변형 부위(D)로 전환되면서 그 국부 체적이 상대적으로 감소된다. 이에 따라 도6에 도시되듯이 국부적 공기 유동(AIR)이 정방향 쪽으로 형성된다. 이는 내부 베인(150)이 타이어의 내벽과 함께 벨로우즈(bellows)를 형성하여 타이어 회전에 따라 순간적으로 공기를 펌핑을 함으로써 공기 유동을 정방향 쪽으로 발생시키는 것으로 설명된다. 이러한 국부적 공기 유동의 유속은 타이어의 회전 속도가 빠를수록 증가된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 내부 베인(150)은 타이어의 중심축 쪽을 향하여 볼록한 곡면을 가져 그 단면이 곡선을 이루도록 형성될 수 있다. 도7은 내부 베인의 배열과 형상을 한층 명확히 설명하기 위하여 타이어 본체(body)를 생략한 채 내부 베인만을 분리하여 도시한 예시도이다. 타이어의 정상 형상 부위(N)에 존재하던 볼록한 내부 베인은 타이어가 회전하여 지면에 접촉하는 국부적 변형 부위(D)로 전환되면서 타이어 폭이 증가되면 양 사이드월에 의하여 인장력을 받게 되므로 평편한 상태로 변형된다. 이러한 상황은 도8에 도식적으로 나타냈다. 이 경우, 내부 베인(150)과 트레드부(110)의 내측면(111) 사이에 형성된 국부 공간(152)은 정상 형상 부위(N)에서 국부적 변형 부위(D)로 전환되면서 체적 감소비율이 더욱 현저하게 되며, 따라서 더욱 효과적으로 정방향의 국부적 공기 유동을 유발하는 효과를 갖는다. 도7 및 도8에서는 볼록한 내부 베인의 구배(curvature)가 타이어 폭 방향으로만 형성된 예를 도시하고 있으나, 반경 방향의 구배를 동시에 형성하는 것도 가능하다.

도9 및 도10에 도시되었듯이 내부 베인(150)은 경사진 방향으로만 개방 가능한 판막(valve flap; 153)이 형성되게 할 수 있다. 이 경우 펌핑되는 국부 공기유동(AIR1)이 경사진 방향 쪽에 인접하는 내부 베인에 형성된 판막을 통하여 누설 유동(AIR2)을 허용함으로써 공기 저항이 감소되어 정방향의 공기 유동을 더욱 원활하게 하는 효과를 가질 수 있다. 판막은 도9 및 도10에 나타내었듯이 내부 베인의 일부 면적에 대하여 후방 면적이 더 넓도록 좌우 및 하부 경계를 테이퍼(taper)지게 커팅하는 방식으로 형성될 수 있다. 여기서 커팅되지 않고 남겨진 상부는 피봇단(pivoting end)이 되고, 하부 경계는 자유단(free end)이 되어 자유롭게 개폐되는 구조를 갖는다. 판막의 피봇단은 자유단보다 상부에 형성되는 것이 공기 유동에 더욱 효과적이다.

본 발명의 실시예에 따른 타이어를 다른 측면에서 기술하면, 트레드부, 사이드월부 및 비드부를 구비하여 원주상의 공동을 형성하는 타이어로서, 타이어의 내벽을 베이스로 하여 상기 공동 내에 개구부를 지닌 개방식 포켓 구조의 벨로우즈가 원주 방향을 따라 복수개 형성된다. 본 발명에서 개방식 포켓 구조란 베이스면에 시트를 덧대고 개구부 측를 제외한 나머지 3측을 꿰매거나 접착하여 형성한 구조로서, 개구부가 뚜껑이 없이 개방되어 공기가 자유롭게 출입할 수 있도록 하여 벨로우즈 기능을 할 수 있는 구조를 지칭한다. 개방식 포켓 구조의 개구부는 동일한 원주 방향으로 향하는 것이 바람직하다. 이 경우 벨로우즈가 개방식 포켓 구조를 지녀 타이어가 회전하면서 공기를 국부적으로 분사할 수 있는 구조인 한 그 모양이나 형성 방법에 특별한 제한은 없다. 이때에도 포켓 구조의 개구부의 가장자리가 사이드월부의 양 내측면에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 앞서 설명된 바와 같이 타이어가 회전하면서 포켓의 국부 공간 체적 변화를 더욱 증가시키는 효과를 가져 온다.

본 발명은 승용 차량, 버스, 트럭, 모터사이클, 자전거 등에 장착되는 모든 종류의 공기 주입 타이어에 적용될 수 있다. 본 발명이 차량에 적용되었을 때 연료 소모량은 주행 속도나 타이어 공기압 등의 주행 조건에 따라 예를 들어 10% 내지 30% 또는 그 이상 감소될 수 있다. 이는 차량 연비 개선 효과로 나타날 수 있으며, 타이어의 수명 연장에 도움을 줄 수 있다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 따라서 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해진다. 첨부된 청구항의 균등물로의 치환은 첨부된 청구항의 보호범위에 속하는 것이다.

1,100: 타이어, 2: 지면(ground), 10,110: 트래드부(tread portion)
111: 트레드부의 내측면, 20,120: 사이드월부(sidewall portion)
121: 사이드월부의 내측면, 30: 비드부(bead portion)
4,40,140: 타이어 공동(cavity), 150: 내부 베인(internal vane)
151: 내부 베인의 단말부, 152: 국부 공간, 153: 판막(valve flap)

Claims (7)

1. 삭제
2. 트레드부, 사이드월부, 및 비드부를 구비하여 원주상의 공동을 형성하는 타이어로서,
   트레드부의 내측면을 하부 베이스로 하여 타이어의 폭 방향으로 가로지르며 상기 공동 내로 연장되는 내부 베인이 트레드부의 내측면의 원주 방향을 따라 복수개 형성되며
   내부 베인은 트레드부의 내측면에 대하여 동일한 원주 방향으로 경사지게 연장되는 타이어.
3. 제2항에 있어서,
   내부 베인은 단말부가 사이드월부의 양 내측면에 이르는 연장 높이를 갖는 타이어.
4. 제3항에 있어서,
   내부 베인은 타이어의 중심축 쪽을 향하여 볼록한 곡면을 갖도록 형성된 타이어.
5. 제2항에 있어서,
   내부 베인은 경사진 방향으로만 개방 가능한 판막이 형성된 타이어.
6. 삭제
7. 삭제

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