KR101689466B1 - 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유변유체(Magneto-Rheological Fulid)와 압전소자를 이용하여 저속으로 달리는 상황에서는 낮은 탄성비로 탑승자에게 부드러운 주행감각을 느끼게 하고, 고속으로 달리는 상황에서는 높은 탄성비로 조종성의 증대를 가져올 수 있도록 한, 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어에 관한 것으로서,
노면에 접촉되고 외면에 그루브(11')가 형성된 캡 트레드(11a)와 그 하부의 언더 트레드(11b)로 이루어진 트레드부(11)와; 내부에 주입된 공기에 대한 내 투과성을 높여주기 위해 특수고무로 제작된 인너라이너(13)와; 타이어의 골격에 해당하고 운행중 반복되는 굴신 하중에 대한 내피로성을 강화하기 위하여 패브릭코드로 형성된 카카스플라이(15)와; 타이어의 측면을 형성하여 굴신운동을 하며 카카스플라이(15)를 보호하는 사이드월(12)과; 타이어를 림에 장착시키는 비드부(14)와; 상기 트레드부(11)와 카카스플라이(15) 사이에 배치되며, 자기유변유체(MR 유체)와 압전소자(22)를 이용하여 주행 속도에 따라 타이어의 탄성비가 자동으로 변화되도록 한 가변탄성부재(20);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어{Variable Spring Ratio Pnuematic Tire adopted Magneto-Rheological Fluid and Piezo Element}

본 발명은 자기유변유체(Magneto-Rheological Fulid)와 압전소자를 이용하여 저속으로 달리는 상황에서는 낮은 탄성비로 탑승자에게 부드러운 주행감각을 느끼게 하고, 고속으로 달리는 상황에서는 높은 탄성비로 조종성의 증대를 가져올 수 있도록 한, 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어에 관한 것이다.

일반적으로 타이어는 자동차의 전체 하중을 지지하고, 완충 작용으로 노면으로부터 받는 충격을 흡수하며, 노면과 타이어의 마찰에 의해 자동차의 기본적인 주행과 정지, 방향 전환을 가능하게 하는 역할을 수행한다.

이러한 타이어는 공기입 타이어와 비공기입 타이어로 구분되고, 공기입 타이어는 공기가 주입된 튜브를 이용하는 튜브 타입 타이어와 튜브를 사용하지 않고 타이어에 직접 공기를 주입하는 튜브리스 타이어로 구분되고 있다. 그러나, 이러한 공기입 타이어는 펑크 등으로 인해 공기압이 낮아지게 되면, 사고 위험이 커지게 되는 문제점이 있다.

반면, 비공기입 타이어는 압축공기를 사용하지 않기 때문에 펑크 등의 위험에 대하여는 자유롭지만, 타이어에 요구되는 완충 성능 등을 만족시키기가 어려운 단점이 있다. 이와 관련하여 타이어의 부하를 지지하는 보강된 환형밴드와, 휠 또는 허브 간의 부하력을 인장된 상태에서 전달하 는 다수의 웹 스포크를 포함하는 비공기식 타이어가 개발되기도 하였다.

한편, 최근에는 타이어의 탄성력을 조절하기 위하여 자기유변유체(MR 유체; Magneto-Rheological Fludi)를 사용하기도 한다. 자기유변유체는 자기장에 의해 분극이 가능한 소형 입자들을 용매 속에 분산시킨 용액으로서, 자기장이 가해지면 자기 입자들이 체인을 형성하여 전단력에 저항함으로써 스프링과 같은 감쇠 역할을 수행할 수 있는 유체를 말한다. 즉, 비공기입 타이어에서 탄성체로 압축공기 대신에 자기유변유체를 사용하기도 하는 것이다.

이러한 자기유변유체와 관련한 선행기술은 매우 다양하며, 그 중 일부를 소개하면 다음과 같다.

자기유변유체와 관련한 선행기술 중 특허문헌 1은 상하 단부받침 사이로 고무층과 강판이 번갈아 적층되고, 고무층과 강판을 수직 방향으로 관통하는 중공부를 형성한 1개 또는 그 이상의 튜브를 구비하고, 상기 튜브는 중공부에 MR유체가 충진되고, 외주면에 코일이 감겨있으며, 상기 코일이 감겨진 튜브를 압전소자로 피복한 것을 특징으로 함으로써, MR유체와 같은 가제어성 유변유체를 이용하여 진원으로부터 전달되는 진동을 효과적으로 제어 및 감쇠시킬 수 있는 압전 MR유체 면진받침에 대하여 기재하고 있다. 그러나, 특허문헌 1은 타이어와 관련한 기술이 아니라는 점에서 본원발명과 차이가 있다.

또, 특허문헌 2는 일반적인 구조를 가진 공기입 타이어의 사이드월 부위에 자기유변체층을 부착하여 타이어의 사이드월 강성을 조절하여 타이어 주행성능을 조정할 수 있는 공기식 형태의 타이어의 강성조정 구조가 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 2의 자기유변유체층은 그 역할이 타이어의 사이드월에 대한 강성을 조정하는데 국한되어 있는 문제점이 있다.

또한, 특허문헌 3은 노면과 접촉하는 트레드와, 이 트레드에 접하는 상부 자성 코일층, 상기 상부 자성 코일층 밑면에 접하는 자기유변유체층, 이 자기유변유체층 밑면에 접하는 하부 자성 코일층 및, 이 하부 자성 코일층과 휠 사이를 연결하는 고무층으로 이루어지고, 자기유변유체층의 유체 유출을 방지하기 위한 자기유변유체 보호튜브를 포함함으로써, 공기압을 사용하지 않고 자기장 세기에 의해 모듈러스(Modulus)가 변화하는 자기유변유체(Magnetorheological fluid)를 이용한 자기유변형 비공기식 타이어에 대하여 기재하고 있다.

그러나, 상기한 특허문헌 3은 압축공기를 사용하지 않는 비공기입 타이어에 관한 것으로, 자기유변유체만으로는 타이어에 요구되는 성능을 충분하게 만족시키기가 어렵다는 문제점이 있다.

KR 10-2010-0076171 A KR 10-2003-0097218 A KR 10-2011-0061959 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자기력에 따라 점성이 변화되는 자기유변유체의 특성을 공기입 타이어에 적용하여 공기입 타이어의 장점은 그대로 유지하면서도 차속에 따라 타이어의 탄성비가 자동으로 변화되어 저속에서는 낮은 탄성비로 부드러운 주행감을 주고 고속에서는 높은 탄성비로 조종성을 증대시켜 사고 위험이 감소하도록 한, 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 노면에 접촉되고 외면에 그루브가 형성된 캡 트레드(Cap Tread)와 그 하부의 언더 트레드(Under Tread)로 이루어진 트레드부와; 내부에 주입된 공기에 대한 내 투과성을 높여주기 위해 특수고무로 제작된 인너라이너(Inner Liner)와; 타이어의 골격에 해당하고 운행중 반복되는 굴신(Bending and Stretching) 하중에 대한 내피로성을 강화하기 위하여 패브릭코드로 형성된 카카스플라이(Carcassply)와; 타이어의 측면을 형성하여 굴신운동을 하며 카카스플라이를 보호하는 사이드월(Side Wall)과; 타이어를 림(Rim)에 장착시키는 비드부(Bead Portion)와; 상기 트레드부와 카카스플라이 사이에 배치되며, 자기유변유체와 압전소자를 이용하여 주행 속도에 따라 타이어의 탄성비가 자동으로 변화되도록 한 가변탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 가변 탄성비 공기입 타이어에 따르면, 상기 가변탄성부재는 언더 트레드와 카카스플라이 사이에 채워진 자기유변유체로 이루어진 유체층과, 상기 언더 트레드의 저면과 카카스플라이의 상면에 각각 부착되어 압력 변화에 따라 전기를 생성하며 상기 유체층 내에 위치하는 복수의 압전소자와, 양단이 상기 압전소자에서 각각 연결되고 상기 압전소자에서 발생하는 전기를 이용하여 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 가변 탄성비 공기입 타이어에 따르면, 상기 솔레노이드 코일은 유체층의 체적 변화에 따라 압축 또는 팽창하도록 스프링 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 가변 탄성비 공기입 타이어에 따르면, 상기 압전소자와 솔레노이드 코일은 타이어의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어는, 타이어에 작용하는 압력의 변화에 따라 압전소자에서 전기가 발생하고 이 전기에 의해 솔레노이드 코일에서 자기장이 생성되어 자기유변유체의 점성을 변화시키게 되므로, 저속에서는 자기유변유체가 낮은 탄성비를 유지하여 부드러운 주행감을 주게 되고 고속에서는 자기유변유체의 탄성비가 높아져 조종성이 향상됨으로써 사고 위험이 감소하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어가 도시된 구성도.
도 2는 정지 상태의 가변탄성부재를 나타낸 확대도.
도 3은 주행 상태의 가변탄성부재를 나타낸 확대도.
도 4는 주행 상태의 타이어 측면을 개략적으로 나타낸 참고도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 자기유변유체와 압전소자를 이용한 가변 탄성비 공기입 타이어는 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 노면에 접촉되고 외면에 그루브(11')가 형성된 캡 트레드(11a)와 그 하부의 언더 트레드(11b)로 이루어진 트레드부(11)와; 내부에 주입된 공기에 대한 내 투과성을 높여주기 위해 특수고무로 제작된 인너라이너(13)와; 타이어의 골격에 해당하고 운행중 반복되는 굴신 하중에 대한 내피로성을 강화하기 위하여 패브릭코드로 형성된 카카스플라이(15)와; 타이어의 측면을 형성하여 굴신운동을 하며 카카스플라이(15)를 보호하는 사이드월(12)과; 타이어를 림에 장착시키는 비드부(14)와; 상기 트레드부(11)와 카카스플라이(15) 사이에 배치되며, 주행 속도에 따라 점성이 변화되는 자기유변유체와 압전소자(22)를 이용하여 타이어의 탄성비가 자동으로 조절되도록 한 가변탄성부재(20);를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 가변탄성부재(20)는 언더 트레드(11b)와 카카스플라이(15) 사이에 채워진 자기유변유체로 이루어진 유체층(21)과, 상기 언더 트레드(11b)의 저면과 카카스플라이(15)의 상면에 각각 부착되어 압력 변화에 따라 전기를 생성하며 상기 유체층(21) 내에 위치하는 복수의 압전소자(22)와, 양단이 상기 압전소자(22)에서 각각 연결되고 상기 압전소자(22)에서 발생하는 전기를 이용하여 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일(23)을 포함한다.

이때, 상기 솔레노이드 코일(23)은 유체층(21)의 체적 변화에 따라 압축 또는 팽창하도록 스프링 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 압전소자(22)와 솔레노이드 코일(23)은 타이어의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 가변 탄성비 공기입 타이어의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

차량이 정지 상태에 있을 경우에는 타이어에 기본 하중 Z₀가 가해지고 있으며, 자기유변유체 내의 입자(24)는 자기장의 영향(D)를 받고 있지 않으므로 자유롭게 분산되어 있다. 그리고, 압전소자(22)와 솔레노이드 코일(23)이 유체층(21) 내에서 타이어의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어 있으므로, 유체층(21)은 전체적으로 균일한 점성을 가지게 되며, 이때의 가변 탄성비 타이어가 가지고 있는 탄성비(Spring Ratio)는 k₀이다.

하지만, 자동차가 속도를 높여 주행할수록 타이어가 지면으로 받는 힘은 증가하게 되며, 그 힘은 타이어의 캡 트레드(11a)와 언더 트레드(11b)를 거쳐, 가변탄성부재(20)의 유체층(21)에 전달이 된다. 이에 따라, 상기 유체층(21)에는 추가 하중인 ΔZ(≥0)가 더 가해지고 있으며, 주행시 타이어에 가해지는 전체 힘 Z_total 은 Z₀+ΔZ가 된다. 따라서, 상기 유체층(21)은 압축되어 체적이 감소하게 되고, 그로 인해 상기 압전소자(22)는 수직응력 T를 받게 됨으로써, 상기 압전소자(22)에서 전기가 발생하여 솔레노이드 코일(23)에 전기가 흐르게 된다.

통상적인 압전소자의 압전 효과는 D = dT + εE 로 표시되며, 속도의 증가로 인해 ΔZ가 증가하고 유체층(21)이 압축되어 압전소자(22)애 수직응력 T가 적용되면 전기가 발생한다. 이때, 상기 유체층(21)의 압축에 따라 스프링 형태의 솔레노이드 코일(23)이 압축되면서 상기 압전소자(22)에 솔레노이드 코일(23)에 의한 탄성력이 작용하여 전기 발생량이 증가하게 된다.

상기 솔레노이드 코일(23)에 전기가 흐르게 되면, 상기 솔레노이드 코일(23)의 주위에 자기장이 형성되고, 이 자기장으로 인해 상기 유체층(21) 내의 입자(24)들이 직립하게 됨으로써, 상기 유체층(21) 내에 있는 자기유변유체의 점성이 증가하게 된다. 이때, 상기 압전소자(22)와 솔레노이드 코일(23)이 타이어의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치되어 있으므로, 타이어의 전구간에 걸쳐 자기유변유체의 점성은 균일하게 변화함으로써, 타이어의 탄성비가 증가하게 된다.

이에 따라 주행중인 타이어의 탄성비 K_total은 점성이 강화된 자기유변유체로 인한 추가적인 탄성비 K_add와 기본 탄성비 k₀의 합으로 나타난다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

11...트레드부
11a...캡 트레드
11b...언더 트레드
11'...그루브
12....사이드월
13...인너라이너
14...비드부
15....카카스플라이
20...가변탄성부재
21...유체층
22...압전소자
23...솔레노이드 코일
24...입자

Claims (4)

1. 노면에 접촉되고 외면에 그루브(11')가 형성된 캡 트레드(Cap Tread, 11a)와 그 하부의 언더 트레드(Under Tread, 11b)로 이루어진 트레드부(11)와;
   내부에 주입된 공기에 대한 내 투과성을 높여주기 위해 특수고무로 제작된 인너라이너(Inner Liner, 13)와;
   타이어의 골격에 해당하고 운행중 반복되는 굴신(Bending and Stretching) 하중에 대한 내피로성을 강화하기 위하여 패브릭코드로 형성된 카카스플라이(Carcassply, 15)와;
   타이어의 측면을 형성하여 굴신운동을 하며 카카스플라이(15)를 보호하는 사이드월(Side Wall, 12)과;
   타이어를 림(Rim)에 장착시키는 비드부(Bead Portion, 14)와;
   상기 트레드부(11)와 카카스플라이(15) 사이에 배치되며, 자기유변유체(MR 유체)와 압전소자(22)를 이용하여 주행 속도에 따라 타이어의 탄성비가 자동으로 변화되도록 한 가변탄성부재(20);를 포함하고,
   상기 가변탄성부재(20)는,
   언더 트레드(11b)와 카카스플라이(15) 사이에 채워진 자기유변유체로 이루어진 유체층(21)과, 상기 언더 트레드(11b)의 저면과 카카스플라이(15)의 상면에 각각 부착되어 압력 변화에 따라 전기를 생성하며 상기 유체층(21) 내에 위치하는 복수의 압전소자(22)와, 양단이 상기 압전소자(22)에서 각각 연결되고 상기 압전소자(22)에서 발생하는 전기를 이용하여 자기장을 형성하는 솔레노이드 코일(23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 탄성비 공기입 타이어.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 솔레노이드 코일(23)은 유체층(21)의 체적 변화에 따라 압축 또는 팽창하도록 스프링 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 가변 탄성비 공기입 타이어.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 압전소자(22)와 솔레노이드 코일(23)은 타이어의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 탄성비 공기입 타이어.

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