KR101781947B1 - 비드부를 보강한 튜브리스 타이어 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 림 플랜지부에 맞닿는 부위와 카카스 에지부의 응력을 효과적으로 줄일 수 있는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어에 관한 것이다.
본 발명은 비드 코어를 카카스가 턴업하여 감싸고, 카카스의 내부에는 비드 코어의 상측에 비드 필러가 채워지며, 카카스의 외측에는 스틸 채퍼가 감싸는 튜브리스 타이어에 있어서, 비드 코어와 카카스 사이에는 림 플랜지 측에 카카스의 턴업부가 끌려 내려가는 것을 방지하는 제1보강 고무층이 형성된다.
본 발명의 구성에 의하면, 카카스 에지와 스틸 채퍼와 나일론 채퍼의 계면 응력을 줄여 높은 공기압 사용 조건에서 비드부의 내구성을 향상시켜 비드부를 보강하는 효과가 있다.

Description

비드부를 보강한 튜브리스 타이어{Tubeless Tire with Reinforced Bead Part}
본 발명은 튜브리스 타이어에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 림 플랜지부에 맞닿는 부위와 카카스 에지부의 응력을 효과적으로 줄일 수 있는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어에 관한 것이다.
통상적으로 타이어의 내구 요구 성능은 벨트 내구성과 비드 내구성으로 나누어지고, 타이어에서 발생하는 비드부의 박리(Separation)를 방지하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1는 종래 일반적으로 비드부의 박리를 방지하기 위한 타이어의 비드부(10)를 보여주는 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이 고강력 스틸 와이어로 이루어진 비드번들(11, Bead bundle)을 중심으로 타이어의 기본 골격을 이루는 래디얼(Radial) 방향으로 배열된 카카스(12)가 위치하는데, 과하중이나 고온상태에서 주행을 계속하면 반복적인 압축인장에 의해 특히 카카스(12)의 턴업 엣지부(12a)에서 높은 전단응력이 발생하여 조기에 사고로 이어지는 것이 비드부 박리의 일반적인 사고 현상이다.
이를 방지하기 위해 스틸코드로 구성된 스틸 체퍼(14, Steel chafer)로 카카스(12)를 보호하거나, 필요시 나이론 체퍼(15, Nylon chafer)로 보강하는 것이 일반적인 보강구조였다. 또한, 종래에는 상기 비드 코어(11)을 중심으로 카카스(12)가 위치하게 되면, 빈공간이 발생하게 되는데 이를 메꾸어 주는 고무를 일명 비드필러(13)라 하는데, 여기서 상기 비드필러(13)는 대형 타이어의 경우 요구특성에 맞추기 위하여 2중 구조의 서로 다른 물성을 갖춘 고무로 설계되며, 그 위치에 따라 윗부분을 상부 비드필러(13a), 아래쪽에 위치한 고무를 하부 비드필러(13b)라고 한다.
종래 타이어의 비드부 구조로서, 한국공개특허 제2012-0067138호, 한국공개특허 제2013-0014878호, 한국공개특허 제2013-0075792호 등이 개시되어 있다.
한편, 튜브리스 타이어(Tubeless Tire)는 부틸(Butyl)재 등으로 만든, 공기가 새지 않는 고무막을 튜브 대신에 타이어의 안쪽 내벽에 직접 접착한 타이어로서, 공기가 새는 것을 방지하며, 튜브와 타이어간의 마찰이 없으므로 열의 발생이 적고 무게가 가볍고 조립하기 쉽다는 장점이 있다.
튜브리스 타이어가 높은 압력이 가해진 상태에서 림 플랜지부에 브레이크 드럼 등으로 열이 가해지면 림 플랜지부와 맞닿은 부분의 고무가 끊어지는 사고가 발생할 수 있다. 이러한 현상을 억제하기 위해 타이어에서 림 플랜지부와 맞닿는 부분의 응력을 감소시킬 수 있는 고무의 양을 늘려 제조하였으나, 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 상에 크랙이 발생할 경우에는 그 효과가 크지 않다는 문제점이 있었다. 그리고, 카카스 에지부에 크랙이 발생하면 스틸 채퍼의 계면을 따라 전파되어 림 플랜지부의 고무에 쉽게 크랙이 발생할 수 있다는 문제점이 있었다.
도 2의 (a)는 타이어의 비드부에서 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 사이에서 클랙이 발생한 상태(A부분)를 나타내는 사진이고, 도 2의 (b)는 카카스 에지부가 박리되어 크랙이 발생된 상태(B부분)를 나타내는 사진이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 카카스 에지와 스틸 채퍼와 나일론 채퍼의 계면 응력을 줄여 내구성을 향상한 비드부를 보강한 튜브리스 타이어를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비드부를 보강한 튜브리스 타이어는 비드 코어를 카카스가 턴업하여 감싸고, 카카스의 내부에는 비드 코어의 상측에 비드 필러가 채워지며, 카카스의 외측에는 스틸 채퍼가 감싸는 튜브리스 타이어에 있어서, 비드 코어와 카카스 사이에는 림 플랜지 측에 카카스의 턴업부가 끌려 내려가는 것을 방지하는 제1보강 고무층이 형성된다.
스틸 채퍼의 외부에는 나이론 채퍼가 감싸고, 스틸 채퍼와 나이론 채퍼 사이에는 계면 응력을 줄이는 제2보강 고무층이 형성된다.
제1보강 고무층의 모듈러스는 카카스 토핑 고무의 350~450%로 한다. 제1보강 고무층의 높이는 림 플랜지의 높이 이하로 형성된다.
제2보강 고무층의 모듈러스는 카카스 토핑 고무의 125~175%로 한다.
본 발명에 의한 비드부를 보강한 튜브리스 타이어에 의하면, 카카스 에지와 스틸 채퍼와 나일론 채퍼의 계면 응력을 줄여 높은 공기압 사용 조건에서 비드부의 내구성을 향상시켜 비드부를 보강하는 효과가 있다.
도 1은 종래 비드부의 박리를 방지하기 위한 타이어의 비드부를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래 타이어의 비드부에서 크랙 발생상태를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 비드부를 보강한 튜브리스 타이어의 비드부를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 보강 고무층의 모듈러스에 따른 변형 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 비드부의 변형 에너지를 종래 비드부의 변형에너지와 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 비드부를 보강한 튜브리스 타이어의 비드부를 나타내는 단면도이다. 본 발명이 적용된 튜브리스 타이어는 노면와 접촉하는 고무층인 트레드(Tread), 트레드와 연결되어 있고 타이어의 측면을 이루는 사이드 월(Side wall), 사이드 월과 연결되어 있고 차량의 림(Rim)에 고정되는 비드(Bead)부, 타이어의 내부에 설치되어 사이드 월의 굴신운동에 대한 내피로성이 강하면서 골격을 형성하는 카카스(Carcass), 그리고 트레드와 카카스 사이에 배치되어 카카스를 보호하고 트레드 표면의 강성을 향상시키는 벨트를 포함한다. 이하에서는 사이드 월의 단부에 설치된 비드부의 비드 코어 외에 타이어를 구성하는 부분에 대해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 비드부(100)는 비드 코어(110)와, 카카스(120)와, 비드 필러(130)와, 스틸 채퍼(140)와, 나일론 채퍼(150), 제1보강 고무층(160)과, 제2보강 고무층(170)을 포함한다.
비드 코어(110)는 다수의 와이어의 집착체인 알비드를 구비하는 육각형 단면을 이루고 있으며, 원형단면의 다수층으로 형성될 수도 있다.
카카스(120)는 비드 코어(110)를 감싸 올려서(턴업하여) 설치되고 스틸코드로 된 심재에 고무를 입혀 타이어 래디얼(Radial) 방향으로 배열되며, 트레드 내부에 배치되는 벨트층 타이어의 골격역할을 수행한다.
비드 필러(130)는 비드 코어(110)를 중심으로 카카스(120)가 위치할 때 형성되는 빈공간(비드 코어의 상측 공간)을 채워주는 고무로서, 위치에 따라 상부 비드필러(131)와 하부비드필러(132)로 나누어진다.
스틸 채퍼(140)는 카카스(120)의 외측에 밀접하여 감싸서 설치되며, 카카스(120)의 양측으로 감싸 올려져서 턴업된다. 스틸 채퍼(140)의 끝단은 카카스(120)의 의 턴업부(121)의 끝단(121a)보다 낮게 형성된다.
나일론 채퍼(150)는 스틸 채퍼(140)의 일측(림 플랜지 측)을 감싸서 밀착되며, 나일론 채퍼(150)의 끝단은 스틸 채퍼(140)의 끝단과 카카스(120)의 턴업부(121)를 감싸서 올려져서, 턴업부(121)의 끝단(121a)보다 높게 형성된다. 나일론 채퍼(150)의 끝단은 상부 비드필러(131)의 우측면에 닿아 있다.
제1보강 고무층(160)은 비드 코어(110)와 카카스(120)의 턴업 에지부(121) 사이에 형성되어 카카스(120)의 턴업부(121)가 끌려 내려가는 것을 방지한다. 제1보강 고무층(160)은 비드 코어(110)에서 림 플랜지(F) 측에 위치한다. 이에 따라, 제1보강 고무층(160)은 비드 코어(110)와 림 플랜지(F) 사이의 압력이 증가하여 카카스(120)가 당기는 반대 방향으로 변형하여 카카스(120)의 턴업부(121)가 끌려 내려가는 것을 방지한다.
비드 코어(110)의 우측면과 카카스(120)의 턴업부(121)의 내면 사이의 거리, 즉 제1보강 고무층(160)의 두께(L)는 2~4mm 인 것이 바람직하다. 그리고, 제1보강 고무층(160)의 높이는 림 플랜지(F)의 높이(H) 이하로 형성된다. 제1보강 고무층(160)의 모듈러스(Modulus)는 카카스 토핑 고무의 350~450%로 하는 것이 바람직하다.
제2보강 고무층(170)은 스틸 채퍼(140)와 나이론 채퍼(150) 사이에 형성되어 계면 응력을 줄인다. 제2보강 고무층(170)의 두께는 3mm 이하인 것이 바람직하다. 제2보강 고무층(170)의 모듈러스는 카카스 토핑 고무의 125~175%로 하는 것이 바람직하다.
제1보강 고무층(160)의 모듈러스가 높을수록 카카스 에지의 변형 에너지는 감소하고, 스틸 채퍼(140)와 나이론 채퍼(150) 사이의 변형에너지는 증가하므로, 스틸 채퍼(140)와 나이론 채퍼(150) 사이에서 박리(Separation) 발생확률이 증가하므로, 본 발명과 같은 구조의 변경과 적정한 강성 분배(제1보강 고무층과 제1보강 고무층의 모듈러스 분배)가 필요하다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 제1보강 고무층(160)의 모듈러스에 따른 변형 에너지를 나타내는 그래프이다. 도 4의 그래프에서는 제1보강 고무층(160)의 모듈러스를 카카스 토핑 고무의 100%, 200%, 300% 및 400%로 했을 경우에, 카카스 에지(턴업부 끝단)의 변형에너지와 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 사이의 변형에너지를 나타낸다. 이때, 변형에너지는 100%를 100으로 하였을 때, 상대적인 수치를 나타낸다. 즉, 카카스 에지의 변형에너지는 100, 82, 74 및 68로 점차적으로 감소하고, 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 사이의 변형에너지는 100, 125, 134 및 138로 점차적으로 증가함을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 비드부의 변형 에너지를 종래 비드부의 변형에너지와 비교하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서는 종래 구조(a)의 변형에너지를 100으로 했을 때의 상대치를 나타낸다. 그래프로 나타난 바와 같이 도 1에 도시한 바와 같은 종래 구조(a)에서 도 3에 도시한 본 발명의 구조(b)로 변경 되었을 경우에 카카스 에지의 변형에너지가 약 25% 감소하고, 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 사이의 변형에너지가 약 55% 감소함을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 구조(c), 즉, 물성 및 구조를 최적화할 경우(제1보강 고무층의 모듈러스를 카카스 토핑 고무의 400%로 하고, 제2보강 고무층의 모듈러스를 카카스 토핑 고무의 150%로 했을 경우)에, 카카스 에지의 변형에너지는 약 35%가 감소하고, 스틸 채퍼와 나일론 채퍼 사이의 변형에너지가 약 65% 까지 감소함을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 비드부 110 : 비드 코어
120 : 카카스 121 : 턴업부
121a : 턴업부의 끝단 130 : 비드 필러
131 : 상부 비드필러 132 : 하부 비드 필러
140 : 스틸 채퍼 150 : 나일론 채퍼
160 : 제1보강 고무층 170 : 제2보강 고무층
F : 림 플랜지 H : 림 플랜지 높이
L : 제1보강 고무층의 두께

Claims (5)

  1. 비드 코어를 카카스가 턴업하여 감싸고, 카카스의 내부에는 비드 코어의 상측에 비드 필러가 채워지며, 카카스의 외측에는 스틸 채퍼가 감싸는 튜브리스 타이어에 있어서,
    상기 비드 코어와 상기 카카스 사이에는 림 플랜지 측에 상기 카카스의 턴업부가 끌려 내려가는 것을 방지하는 제1보강 고무층이 형성되고,
    상기 스틸 채퍼의 외부에는 나이론 채퍼가 감싸고,
    상기 스틸 채퍼와 상기 나이론 채퍼 사이에는 계면 응력을 줄이는 제2보강 고무층이 형성되는 것을 특징으로 하는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1보강 고무층의 모듈러스는 카카스 토핑 고무의 350~450%로 하는 것을 특징으로 하는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1보강 고무층의 높이는 상기 림 플랜지의 높이 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2보강 고무층의 모듈러스는 카카스 토핑 고무의 125~175%로 하는 것을 특징으로 하는 비드부를 보강한 튜브리스 타이어.
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