KR102177497B1 - 저중량 공기입타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저중량 공기입타이어를 개시한다.
본 발명에 따르는 저중량 공기입타이어는 벨트 및 인너라이너 사이에 위치하는 카카스를 포함하는 저중량 공기입 타이어에 있어서, 상기 카카스는 300D 내지 850D/2P 굵기 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때, 작은 두께를 가지면서도 종래에 카카스와 동등 수준의 강성 및 안정성을 구현하고, 타이어 경량화 및 구름저항(Rolling Resistance, RRc)을 감소시키고 주행성능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

저중량 공기입타이어{Low Weight Pnematic tire}

본 발명은 저중량 공기입타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작은 두께를 가지면서도 종래에 카카스와 동등 수준의 강성 및 안정성을 구현하고, 타이어 경량화 및 구름저항(Rolling Resistance, RRc)을 감소시키고 주행성능을 향상시키는 저중량 공기입타이어에 관한 것이다.

일반적으로 공기입 타이어는 노면에 직접 접촉되는 트레드부(Tread)와, 트레드 내측에서 다른 구성요소의 보호층 역활을 하는 캡플라이(Capply)와, 타이어의 골격을 이루는 카카스와(Carcass)와, 림에 결합되는 비드(Bead)와, 상기 비드를 감싸 비드가 받는 충격을 완하시키는 에이펙스(Apex)와 상기 트레드부와 비드를 연결하며 타이어가 굴신 운동을 하도록 하는 사이드 월(Sidewall) 및 상기 트레드 부와 카카스 사이에 설치되는 하나 이상의 벨트(Belt)를 포함 할 수 있다.

여기서 카카스는 타이어 내부에서 코드 층을 형성하여 하중을 지지하고, 노면의 충격을 견디는 기능을 한다. 이와같은 카카스로서 종래에는 폴리에스터나 천연섬유인 셀룰로오스(Ceullose)섬유에 일정한 꼬임을 주어 만든 경사가 위사와 서로 직교하는 형태로 제직된 텍스타일(Textile) 코드를 적용하였다.

최근 친환경에 대한 요구가 증가함에 따라 타이어의 경량화 및 회전저항일 낮은 타이어에 대한 시장이 커지고 있으나, 현재 사용중인 텍스타일 코드의 굵기로는 타이어의 중량 요구를 만족시키는데 어려움이 있는 실정이다.

이러한 문제를 인식하여 대한민국특허공개공보 제2017-0122138호에서는 타이어는 회전축을 구비하고, 타이어는 차량 림에 부착하기 위한 2개의 연장불가능 환형 비드구조물과, 적어도 하나의 보강 플라이를 구비하고 2개의 비드 구조물 주위로 감기는 카커스형 구조물과, 이 카커스형 구조물의 반경방향 외측에 배치되는 트레드와, 카커스형 구조물과 트레드 사이에 반경방향으로 배치되는 시어 밴드(shear band)를 포함하며, 2개의 비드 구조물은 적어도 1층의 경량 발포재를 포함하는 타이어를 개시하고 있으나, 이 역시 다른 형태의 구조물로 변경되어 저중량의 한계를 나타내는 문제가 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 작은 두께를 가지면서도 종래에 카카스와 동등 수준의 강성 및 안정성을 구현하고, 타이어 경량화 및 구름저항(Rolling Resistance, RRc)을 감소시키고 주행성능을 향상시킬 수 있는 저중량 공기입타이어를 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 벨트 및 인너라이너 사이에 위치하는 카카스를 포함하는 저중량 공기입 타이어에 있어서, 상기 카카스는 300D 내지 850D/2P 굵기 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 저중량 공기입타이어를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 코드는 초기 모듈러스가 2.6g/d 하중하 2~6%를 가지며, 강성이 7.5~14.0g/d를 구비한 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 코드는 토핑고무와 접착력을 향상시키는 유황을 함유한 접착액으로 코팅된 것일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 접착액은 2 내지 10 wt%의 유황을 함유하는 고무계 접착액인 것일 수 있다.

본 발명의 저중량 공기입타이어에 의하면, 작은 두께를 가지면서도 종래에 카카스와 동등 수준의 강성 및 안정성을 구현하고, 타이어 경량화 및 구름저항(Rolling Resistance, RRc)을 감소시키고 주행성능을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 공기입타이어의 일부 단면도이고,
도 2는 본 발명의 카카스 고무의 일부 단면도로 코드를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명을 상세하게 설명한다.

다만, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다.

또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하며, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이며, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하며, 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하고, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어(1)는 벨트(20) 및 인너라이너(40) 사이에 위치하는 카카스(30)를 포함하며, 상기 카카스(30)는 300D 내지 850D/2P 굵기 코드를 포함하는 특징이 있다.

여기서, D는 Denier로 코드(Cord)의 굵기를 나타내는 단위로서, 1Denier는 1g의 섬유를 9000M 늘렸을때의 굵기를 나타내며, 예를 들어 1500D/2P는 1500g을 9000M 늘린 섬유 다발 2개를 꼬아 만든 cord 구조를 의미한다.

본 발명의 타이어의 더 구체적인 실시예로는 트레드부(10), 캡플라이(80), 벨트(20), 카카스(30), 인너라이너(40), 사이드월(50), 에이펙스(60), 및 비드(70)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 벨트(20)와 인너라이너(40) 사이에 위치하는 카카스(30)는 기존 텍스타일코드 대비 굵기가 적은 코드(CO)로 이루어져 있으며, 상기 코드에 사용되는 코드의 접착액(RFL)은 토핑고무와의 접착력이 향상 될 수 있도록 유황(Sulfur)이 함유된 고무를 사용할 수 있다.

또한, 상기 코드는 초기 모듈러스가 2.6g/d 하중하 2~6%를 가지며, 강성이 7.5~9.0g/d를 구비한 것일 수 있으며, 만일 2% 미만인 경우 타이어 공정성문제가 발생(타이어 성형 및 가류 시 팽창에 따른 케이싱 형상 문제)할 수 있으며, 6%를 초과하는 경우 타이어 핸들링 성능 확보에 어려움이 있을 수 있고, 만일 강성이 7.5g/d 미만인 경우, 타이어 형상 유지 및 케이싱 강성 확보를 위해서는 보강층이 증가되어 타이어 중량감소 효과가 미미해질 수 있고 반대로 14.0g/d를 초과하는 고강성 섬유를 사용하면 피로성능이 기존 섬유 대비 열세하며, 원재료 단가가 높아 타이어 제조 비용 상승에 원인이 된다.

상기 g/d 단위는 denier당 cord의 강성을 나타내는 단위로서 상세하게는 1denier가 같는 cord의 강력을 나타낸다.

또한 상기 재료로는 폴리에스터(Polyester), 아라미드(Aramid), 셀룰로오스(Cellulose), 폴리케톤(POK) 또는 카본이 함유된 합성 고분자가 사용될 수 있고, 그 굵기는 200 내지 900 Denier를 가질 수 있는데, 만일 200 Denier미만이면, 타이어의 형상 유지 및 하중 지지를 위해 2장 이상의 보강층을 적용함으로서 타이어 중량 절감 및 회전저항 성능 향상에 어려움이 있으며, 900 Denier를 초과하여 굵기를 가진 코드를 사용하면 하중지지에 성능 확보에 유리하나 보강층의 무게가 증가하며, 회전저항 성능 향상에 불리할 수 있다.

상기 코드의 카카스 EPI(Ends Per Inch, 1인치내에 들어가는 코드의 개수)는 코드의 굵기에 의해서 결정되며 하기와 같은 수학식1에 의해 결정될 수 있다.

<수학식1>

(a : 코드~코드간 간격, b : 코드 굵기(두께))

타이어 코드의 압연 두께는 코드 굵기에 의해 결정되며 하기와 같은 수학식2에 의하여 결정될 수 있다.

<수학식2>

(b : 코드 굵기(두께), c : 고무와 코드 사이 간격, d : 설계변수, e : 그린타이어의 EPI(Ends Per Inch), f : 트레드부의 EPI(Ends Per Inch))

상기 수학식 1,2에서 언급된 코드간 간격(a)와 코드와 압연고무사이의 간격(c)는 0.3 ≤ a, c ≤ 1.4를 가지며 0.3 미만이면 코드 노출 불량 등 공정성 문제가 발생할 수 있으며, 1.4를 초과하면, 압연 두께 상승으로 인한 타이어 중량 증가 및 회전저항 향상에 어려움이 있는 한편, 설계변수인 d는 공정요인으로서, 0.4 ≤d ≤ 0.95 범위를 가지는데, 이는 타이어의 품종 특성에 따르는 변수이다.

또한, 상기 코드는 토핑고무와 접착력을 향상시키는 유황을 함유한 접착액으로 코팅된 것일 수 있는데, 상기 접착액은 2 내지 8 중량%의 유황을 함유하는 고무계 접착액인 것일 수 있다.

즉, 상기 코드에 사용되는 고무계 접착액은 코드와 압연고무와의 접착력을 확보하는 역활을 하며 열처리 공정을 통해서 코드 표면에 코팅된다.

이때 사용되는 레조르시놀 포르말린 라텍스(Resorcinol Formalin Latex)이며, 상기 고무계 접착액 고팅 도중 상기 코드 및 고무계 접착액 중 하나는 170℃이상 200℃이하의 온도에서 열처리 할 수 있다.

또한, 상기 고무계 접착액은 비닐 피리딘 라텍스(Vinyl Pyridine Latex)를 중량비 1.8% 이상 6.0%이하로 포함한 레조르시놀 포르말린 라텍스를 사용하며 이때 사용되는 비닐 피리딘 라텍스는 유황(Sulfur)를 2 ~ 10wt%를 함유한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 레조르시놀 포르말린 라텍스는 20~30 중량%로 염기성 수용액에 녹아 있으며 이때 사용되는 포르말린 라텍스의 라텍스가 비닐 피리딘을 사용할 수 있고, 이때 사용되는 비닐 피리딘 함량은 1.8 ~ 6.0 wt%을 사용할 수 있으며, 나머지 함량은 염기성 수용액 (pH 9 이상)을 사용할 수 있다.

수용액으로 용질을 염화나트륨, 염화칼륨, 염화마그네슘 등을 사용할 수 있다.

이때 유황을 포함한 비닐 피리딘 라텍스를 사용함으로써 코드와 고무 사이의 접착층의 모듈러스 구배를 형성할 수 있어 타이어 코드의 내피로성능을 향상시킬 수 있는, 유황이 2 중량% 미만이면 유황의 함량이 부족하여 접착력 향상에 어려움이 있으며, 10 중량% 초과하면, 코팅 라텍스의 모듈러스가 높아 코드~고무라텍스~토핑고무간 모듈러스 구배가 제대로 이루어지지 않아, 피로 및 노화 접착력 향상이 어려울 수 있다.

한편, 상기 코드의 내피로성능은 80%이상이며, 상기 고무계 접착액으로 코팅된 텍스타일코드의 토핑고무와 가교한 후 60℃온도에서 40일동안 보관한 후 초기 접착력과 비교하면 초기 접착력 대비 80%이상의 접착력을 발휘할 수 있다.

이러한 코드는 케이싱 강성을 유지하면서 두께 및 중량이 감소시킬 수 있어서, 타이어의 경량화가 가능하며, 이를 통해 타이어의 회전저항 성능을 확보할 수 있다.

<실시예>

본 발명에 따르는 타이어와 종래 타이어를 아래 표 1의 재료를 사용하여 제조하고 성능을 평가하였다.

즉, 실시예 1 내지 4는 기존 카카스 대비 굵기가 작은 코드를 카카스로 사용하였으며 이때 내피로성능 향상을 위해 2 ~ 10wt%의 유황을 함유한 라텍스를 사용한 고무계접착제를 코드 표면에 코팅한 것을 사용한 공기입 타이어이다.

실시예 1은 600D/2P 폴리에스터 코드, 실시예 2는 750D/2P 레이온 코드, 실시예 3은 400D/2P 폴리케톤 코드, 실시예4는 아라미드 500D와 폴리에스터 500D를 꼬아 만든 하이브리드를 카카스로 적용한 공기입타이어이다.

비교예 1,2는 종래의 타이어에 대한 것으로 비교예 1은 폴리에스터 카카스 비교예 2는 셀룰로오스 카카스(레이온)을 사용한 공기입 타이어이다.

이러한 평가는 공기입 타이의 부하내구력, 속도내구력, 접착력 및 내피로성능 평가 결과를 비교한 것이다.

구분	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4
재료	PET 1300D/2P	Rayon 1650D/2P	PET 600D/2P	Rayon 750D/2P	POK 400D/2P	Ar500D/1P+PET500D/1P
Cord 두께(mm)	0.63	0.68	0.48	0.52	0.38	0.40
비닐피리딘라텍스 내 유황 함량(%)	0	0	2	5	8	10
casing강성	100	100	100	98	100	100
초기접착력 (kgf/cm2)	100	110	104	101	103	100
내 피로접착력 (kgf/cm2)	100	93	110	108	112	110
타이어 중량(%)	100	105	92	95	89	90
RR성능	100	92	105	103	108	106
부하내구력(%)	100	100	102	101	103	101
속도내구력(%)	100	105	100	103	102	105
Handlig성능	100	110	102	104	107	105

구분		비교예3	실시예5	실시예6	실시예7	실시예8
재질		PET	<-	<-	<-	<=
굵기(mm)		0.48	<-	<-	<-	<-
비닐피리딘라텍스 내 유황 함량(%)		0	2	5	8	10
접 착 력	초기	100	102	104	103	99
	노화 (160도, 40일)	75	81	84	85	77
	피로	75	83	85	84	79
구분		비교예4	실시예9	실시예10	실시예11	실시예12
재질		Rayon	<-	<-	<-	<=
굵기(mm)		0.53	<-	<-	<-	<-
비닐피리딘라텍스 내 유황 함량(%)		0	2	5	8	10
접 착 력	초기	100	103	105	101	98
	노화 (160도, 40일)	78	82	85	82	76
	피로	68	81	84	80	75

* 타이어 고무는 천연고무를 사용하여, 비교예와 실시예의 타이어를 모두 205/55 R16 저중량 타이어 규격으로 제조함

* 강성, 접착력, 중량, RR성능, 내구력, 핸들링성능은 비교예1을 100으로 기준하여 상대값으로 표기함

* 코드 간격(a), 고무와 코드 사이 간격(c), 안전율(d)을 동일하게 설정함

(이는 케이싱 강성 및 내 피로 후 접착력을 현용 동등 이상 확보함으로써 타이어 부하 내구력 및 속도 내구력을 비교예 동등 이상 확보하면서 타이어 중량 감소 및 RR성능을 향상 시킬 수 있도록 하기 위함임)

* 타이어 케이싱 강성 확보를 통해 Handling성능 동등 이상 확보가 가능함

* 부하내구력 측정은, 먼저 타이어에 림을 장착 후 공기압을 먼저 림을 장착 후 공기압을 26psi주입하고, 일반타이어의 경우 초기 속도 120km/hr, 스노우타이어의 경우 110km/hr로 시작ㅎ여 4시간동안 최대 하중의 85%을 주어 주행시킨 후 6시간 동안 5%의 하중을 증가시켜 시험하고, 그 후 24시간 최대 하중을 주어 일정 속도로 주행한 후 2시간 마다 8.5%의 하중을 부가하여 사고시까지 주행한 후 내구력을 측정함.

* 속도내구력 측정은, 32psi의 공기압을 주입하고, 일반 타이어의 경우 초기속도 140km/hr, 스노우타이어의 경우 130km/hr로 시작하여 4시간동안 최대 하중의 85%를 가하면서 2시간 동안 80km, 그 후 2시간동안 초기 140km/hr부터 시작하여 30분마다 속도 10km/hr증가시켜 사고시까지 주행 후 내구력을 측정함.

* 압연고무와의 접착력은 먼저 고무가 압연된 압연물 2장을 가로 10.5cm, 세로 12cm로 자르고, 그 후 두 압연물을 접합시켜 160℃, 20분, 500psi조건 하에서 가류한후, 최소 4시간 방치시킨다. 그 후 카카스 고무와 코드와의 접착력을 평가함.

* 내피로특성 평가는, 먼저 고무가 압연된 압연물 두장을 가로 3.5cm, 세로 30cm로 자르고, 그 두 두 압연물을 접합시켜 160℃, 20분, 500psi조건 하에서 가류한후, 최소 4시간 방치시키고, 해당 압연물을 내피로 시험기 clamp애 장착한 뒤 70kg 하중하 온도 60℃, 220rpm속도로 시험기를 4시간동안 작동시키고, 그 후 시편을 시험기에서 빼내어 접착력을 평가 한 후, 초기 접착력과 비교, 피로 전, 후의 접착력을 비교함.

* 코드와 토핑고무와의 접착력을 확보하기 위헤 코드 표면에 코팅하는 고무계 접착액은 비닐 피리딘 라텍스(Vinyl Pyridine Latex)를 중량비 1.8 내지 6.0 중량%로 포함된 레조르시놀 포르말린 라텍스를 사용하며 이때 사용되는 비닐 피리딘 라텍스는 유황(Sulfur)을 사용함에 있어 중량비에 따른 초기, 노화, 피로 접착력 평가 결과를 나타냄.

* 노화 접착력 평가는 기존의 접착력 평가 시편과 동일한 방법으로 제작하며, 60도시 오븐에 40일 방치 후 접착력을 평가하고, 이때 평가에 사용한 코드는 폴리에스터 재질이며, 기타 해당 특허 범위내 소재를 사용하여도 유사한 결과를 나타냄.

상기 표 1을 참고하면, 본 발명에 따르는 공기입타이어는 작은 두께를 가지면서도 종래에 카카스와 동등 수준의 강성 및 안정성을 구현하고, 타이어 경량화 및 구름저항(Rolling Resistance, RRc)을 감소시키고 주행성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

또한, 표 2를 보면, 비닐피리딘라텍스 내 유황 함량에 따른 접착력 평가 결과는 소재/굵기에 따라 접착력 값은 상이하나 함량에 따른 접착력 경향성은 유사함을 알 수 있다.

1 : 공기입타이어, 10 : 트레드 부, 20 : 벨트, 30 : 카카스, 40 : 인너라이너, 50 : 사이드월, 60 : 에이펙스, 70 : 비드, 80 : 캡플라이, a : 코드~코드간 간격, b : 코드 굵기, c : 고무와 코드 사이 간격, d : 안전률, e : 그린타이어 EPI, f : 트레드 부 EPI

Claims (4)

1. 삭제
2. 벨트 및 인너라이너 사이에 위치하는 카카스를 포함하는 저중량 공기입 타이어에 있어서, 상기 카카스는 300D/2P 내지 850D/2P 굵기 코드를 포함하고,
   상기 코드는 초기 모듈러스가 2.6g/d 하중하 2~6%를 가지며, 강성이 7.5~14.0g/d를 구비하고,
   상기 코드의 압연 두께(Gauge)는 아래 수학식 2에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 저중량 공기입타이어.
   <수학식2>
   

   

   
   (b : 코드 굵기(두께), c : 고무와 코드 사이 간격, d : 설계변수, e : 그린타이어의 아래 수학식 1에 의한 EPI(Ends Per Inch), f : 트레드부의 아래 수학식 1에 의한 EPI(Ends Per Inch))
   <수학식1>
   

   

   
   (a : 코드~코드간 간격, b : 코드 굵기(두께))
   (상기 수학식 1,2에서 언급된 코드간 간격(a)와 코드와 압연고무사이의 간격(c)는 0.3 ≤ a, c ≤ 1.4, 0.4 ≤d ≤ 0.95)
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 코드는 토핑고무와 접착력을 향상시키는 유황을 함유한 접착액으로 코팅된 것을 특징으로 하는 저중량 공기입타이어.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 접착액은 2 내지 10 wt%의 유황을 함유하는 고무계 접착액인 것을 특징으로 하는 저중량 공기입타이어.

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