KR102226674B1 - 회전저항 성능 및 내구성이 향상된 비드필러 구조를 가지는 공기압 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 회전저항 성능과 내구성을 향상시키기 위하여, 노면과 접촉하는 트레드부(100); 상기 트레드부(100)의 양측에서 숄더와 이너라이너(300)를 형성하며 연장되는 사이드월부(200); 상기 트레드부(100)와 상기 사이드월부(200)의 내주면에 일체로 부착되며 사이드월부(200)의 양단부에서 턴업(3a)를 형성하는 카카스(3); 및 상기 턴업된 카카스의 내측에서 휠 측에 삽입되는 비드코어(1)와 상기 비드코어(1)의 상기 트레드(100) 측면에 삽입되는 제1비드필러(2a) 및 상기 턴업된 카카스의 외측에 상기 제1비드필러(2a)와 대향하는 영역으로부터 상기 트레드부(100) 측으로 연장되어 삽입되는 제2비드필러(2b)를 포함하는 비드부(P)를 포함하고, 상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 회전저항 성능 및 내구성 향상을 위한 비드필러 구조를 가지는 공기압 타이어를 제공한다.

Description

회전저항 성능 및 내구성이 향상된 비드필러 구조를 가지는 공기압 타이어{PNEUMATIC TIRE WITH BEAD FILLER STRUCTURE ENHANCING ROLLING RESISTANCE PERFORMANCE AND DURABILITY}

본 발명은 공기압 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 회전저항 성능과 내구성을 향상시킬 수 있도록 비드 필러의 구조를 개선한 공기압 타이어에 관한 것이다.

일반적으로, 최근 고출력의 엔진을 가진 자동차의 등장으로 주행 중 차량에 가속 및 감속이 급격하게 발생함으로써 타이어에도 과부하가 걸리게 되어 내구성 향상의 필요성이 증대되었고 또한 전기 자동차의 등장으로, 타이어의 회전저항 성능 향상이 더욱 요구되게 되었다.

상술한 필요성에 의해, 공기압 타이어의 회전저항 성능의 향상과 내구성 향상을 위해 유럽 등록특허 EP 2379356호(이하, ‘356’ 특허라 함)와 국제특허 PCT/EP2012/073834호(이하, ‘834’ 특허라 함), 미국 등록특허 US 9248704호(이하, ‘704’ 특허라 함) 등에서 제1비드필러에 부가되는 제2비드필러(외부비드필러)를 비드부에 적용함으로써 회전저항 성능 향상과 더불어 비드부에 걸리는 전단응력을 감소시켜 비드부의 내구성을 향상시키고 있다.

그러나 상술한 종래기술의 ‘356’, ‘834’ 및 ‘704’ 특허들의 경우 제1비드필러를 높게 사용하면서, 제2비드필러를 적용하도록 되어 있으나, 이는 단면 높이(SH: Section Height)가 낮은 로우 시리즈(Low Series)의 경우에 비드 내구성에 불리하게 적용될 수 있는 문제점을 가진다.

구체적으로, 상술한 종래기술의 356, 834 및 704 특허들과 같이, 비드필러 높이가 높아지면 타이어가 하중을 받았을 때 비드필러의 굽힘량(Bending 량)이 상승하게 된다. 비드필러의 굽힘량이 상승하게 되면 비드필러가 굽어지는 경우 굽혀지는 쪽에 압축량이 많아지고 이는 비드필러와 카카스(carcass) 사이의 전단응력을 높인다. 높아진 전단응력은 비드와 카카스 사이의 분리(Bead Separation)를 유발하여 비드 내구성을 악화시키므로, 비드 필러를 높이 사용할수록 비드부의 내구성에 대한 안정성은 더욱 낮아지게 된다.

이에 따라, 비드 내구성의 저하 방지를 위해 비드 필러를 구성하는 재료인 컴파운드의 경도(Hardness)를 낮게 하는 방법, 카카스의 턴업 높이를 낮추는 방법(Low 턴업) 등이 있으나, 이러한 방법들은 타이어의 강성을 낮춰 차량의 핸들링 성능 등 타이어의 감도마저 함께 낮추게 되는 문제점을 발생시킨다.

등록특허 EP 2379356호 국제특허 PCT/EP2012/073834호 미국 등록특허 US 9248704호

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 회전저항 성능과 내구성을 향상시킬 수 있도록 개선한 비드 필러의 구조를 가지는 공기압 타이어를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

상술한 본 발명의 기술적 과제의 달성을 위하여 본 발명의 일 실시예는,

노면과 접촉하는 트레드부(100);

상기 트레드부(100)의 양측에서 숄더와 이너라이너(300)를 형성하며 연장되는 사이드월부(200);

상기 트레드부(100)와 상기 사이드월부(200)의 내주면에 일체로 부착되며 사이드월부(200)의 양단부에서 턴업(3a)를 형성하는 카카스(3); 및

상기 턴업된 카카스의 내측에서 휠 측에 삽입되는 비드코어(1)와 상기 비드코어(1)의 상기 트레드(100) 측면 방향으로 삽입되는 제1비드필러(2a) 및 상기 턴업(3a)된 카카스(3)의 외측에 상기 제1비드필러(2a)와 대향하는 영역으로부터 상기 트레드부(100) 측으로 연장되어 삽입되는 제2비드필러(2b)를 포함하는 비드부(P)를 포함하고,

상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 20% 이하인 것을 특징으로 하는 회전저항 성능 및 내구성 향상을 위한 비드필러 구조를 가지는 공기압 타이어를 제공한다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 하단 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 이상의 지점에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 60% 이하의 위치에 위치하는 것을 특징으로 한다.

상기 턴업(3a)의 상기 비드부(100)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따르는 공기압 타이어는, 비드필러를 구성하는 제1비드필러(2a)와 제2비드필러(2b) 및 카카스 턴업(3a)의 높이와 길이를 최대 인장 전단 응력(Cshear 인장) 또는 최대 압축 전단 응력(Cshear 압축)을 포함하는 전단 응력 발생 면적을 최소로 하도록 설정하는 것에 의해, 비드부에 인가되는 변형력을 최소화시켜, 공기압 타이어의 회전저항 성능 및 내구성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예 따른 공기압 타이어의 밴드부의 단면도.
도 2는 도 1의 밴드부 중 비드부(P)의 확대 단면도.
도 3은 시료 타이어 비드부에 발생되는 인장 전단 응력 및 압축 전단 응력에 대한 메커니즘을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실험을 위한 시료 타이어들의 조건표.
도 5는 도 4의 시료 타이어들의 관찰인자로서 스트레인에너지밀도(SED: Strain Energy Density) 측정 표.
도 6은 도 4의 시료 타이어들의 관찰인자로서 스트레인에너지밀도(SED: Strain Energy Density) 측정 그래프.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예 따른 공기압 타이어의 밴드부의 단면도이고, 도 2는 도 1의 밴드부 중 비드부(P)의 확대 단면도이다.

도 1 및 도 2와 같이, 본 발명의 실시예의 공기압 타이어는, 노면과 접촉하는 트레드부(100), 상기 트레드부(100)의 양측에서 숄더와 이너라이너(300)를 형성하며 연장되는 사이드월부(200), 상기 트레드부(100)와 상기 사이드월부(200)의 내주면에 일체로 부착되며 사이드월부(200)의 양단부에서 턴업(3a)을 형성하는 카카스(3) 및 상기 턴업된 카카스의 내측에서 휠 측에 삽입되는 비드코어(1)와 상기 비드코어(1)의 상기 트레드(100) 측면 방향으로 삽입되는 제1비드필러(2a) 및 상기 턴업(3a)된 카카스(3)의 외측에 상기 제1비드필러(2a)와 대향하는 영역으로부터 상기 트레드부(100) 측으로 연장되어 삽입되는 제2비드필러(2b)를 포함하는 비드부(P)를 포함하고, 타이어의 회전저항 성능 및 내구성 향상을 위해 상기 비드부(P)를 구성하는 제1비드필러(2a)와 제2비드필러(2b) 및 카카스의 턴업(3a)의 길이 및 위치가 개선된 것을 특징으로 한다.

상기 비드부(P)는 휠과 타이어 사이에서의 공기 누출을 방지하며 휠과 밀착 지지되도록 하는 결합력을 제공하는 것으로서, 강철로 된 와이어(1a)에 고무를 토핑시켜 여러 층으로 감아진 비드코어(1)와, 이 비드코어(1)에 부착되는 제1비드필러(2a)와 상기 비드코어(1)와 제1비드필러(2a)를 감싸는 카카스(3) 및 제2비드필러(2b), 그리고 카카스(3)를 타이어 내부 안쪽에서 감싸는 이너라이너(300)로 구성된다.

상기 카카스(3)의 단부는 비드코어(1)와 제1비드필러(2a)를 감싸면서 상기 트레드부(100) 측으로 턴업(3a)되며 이때 올라간 수준을 턴업높이(TUH: turn up height)라고 명명한다.

그리고 상기 제1비드필러(2a)는 상기 턴업(3a)된 카카스의 내측에서 상기 비드코어(1)의 트레드부(100) 측의 면으로부터 상기 트레드부(100) 측으로 연장되도록 삽입되어 부착된다. 상기 제2비드필러(2b)는 상기 턴업(3a)과 림 쿠션(6)을 형성하는 외측 고무 사이에 상기 트레드부(100) 측으로 연장되도록 삽입되어 상기 턴업(3a)된 카카스에 부착된다.

이때, 상기 비드부(P)를 구성하는 상기 제1비드필러(2a), 제2비드필러(2b) 및 턴업(3a)된 카카스(3)은 공기압 타이어의 회전저항 성능 및 내구성을 향상시키는 위치 및 길이를 가진다.

구체적으로, 공기압 타이어의 회전저항 성능 및 내구성을 향상시키기 위하여, 상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 20% 이하의 길이를 가진다. 바람직하게는, 상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 10% 이상 20% 이하의 길이를 가진다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 이상의 지점에 위치한다. 바람직하게, 상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 내지 5%의 위치에 위치될 수 있다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 60% 이하의 위치에 위치된다. 바람직하게, 상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 40 % 내지 60%의 위치에 위치될 수 있다.

그리고 상기 턴업헤드(TUH)(3a)의 상기 비드부(100)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 이상의 길이를 가진다. 바람직하게, 상기 턴업높이(TUH)(3a)의 상기 비드부(100)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 내지 70%의 길이를 가질 수 있다.

상술한 구성에 의해 본 발명의 공기압 타이어는 회전저항 성능 및 내구성이 현저히 향상된다.

<실험예>

도 3은 시료 타이어 비드부에 발생되는 인장 전단 응력 및 압축 전단 응력에 대한 메커니즘을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실험을 위한 시료 타이어들의 조건표이고, 도 5는 도 4의 시료 타이어들의 관찰인자로서 스트레인에너지밀도(SED: Strain Energy Density) 측정 표이고, 도 6은 도 4의 시료 타이어들의 관찰인자로서 스트레인에너지밀도(SED: Strain Energy Density) 측정 그래프이다.

본 발명의 실시예의 공기압 타이어의 회전저항 성능 및 내구성 향상의 실험을 위하여, 도 4의 표와 같이, 245/45R18 사이즈를 가지는, 15mm의 높이의 제1비드필러(2a)만을 삽입된 공기압 타이어(시료 A), 15mm의 높이의 제1비드필러(2a)와 35mm의 제2비드필러(2b) 삽입된 공기압 타이어(시료 B), 25mm의 높이의 제1비드필러(2a)만을 삽입된 공기압 타이어(시료 C) 및 25mm의 높이의 제1비드필러(2a)와 35mm의 제2비드필러(2b) 삽입된 공기압 타이어(시료 D)를 제작한 후 도 3와 같이, 비드부(P)에 대하여 하중 및 캠버 앵글을 부가하여 비드부의 인장 및 압축을 유도한 후, 인장 전단응력(Cshear 인장) 및 압축 전단응력(Cshear 압축)을 측정하였다.

<최대 전단 응력 발생 면적>

도 3처럼 하중 및 캠버 앵글 부여시의 비드필러 부위의 전단응력의 분포를 분석한 결과, 전단 응력의 크기는 면적이 넓을수록 넓은 범위에 전단응력이 전달되는 것을 확인하였다.

도 4의 시료 타이어들에 대한 전단응력의 크기 및 면적을 비교해 보면 다음과 같다.

<전단응력의 크기 및 면적>

상기 <전단응력의 크기 및 면적> 비교표와 같이, 시료 타이어 A와 B 및 C와 D를 비교하면, 제2비드필러 적용 시 최대 전단 응력 발생 면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 시료 타이어 A와 C 및 B와 D를 비교하면, 제1비드필러의 높이가 낮을수록 전단응력 발생 면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

즉, 제1비드필러의 높이를 낮추면서 제2비드필러를 적용하는 경우 최대 전단 응력의 발생 면적이 감소함을 알 수 있었다.

다음으로, 상기 시료 타이어들의 최대 전단 응력 값을 스트레인 에너지밀도(ΔSED: strain energy density)를 이용하여 분석한다.

도 5와 같이, 시료 타이어 A와 B 및 C와 D를 비교하면, 제2비드필러 적용 시 ΔSED가 감소하였다. 다음으로, 시료 타이어 A와 C 및 B와 D를 비교하면, 제1비드필러의 높이가 낮을수록 ΔSED가 감소하였다.

즉, 제1비드필러의 높이를 낮추면서 제2비드필러를 적용하는 경우 ΔSED 또한 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

실험결과, 제1비드필러를 낮게 적용하면 전단 응력을 감소시켜 비드부의 내구성을 향상시킬 수 있으나, 제1비드필러의 높이에 따라 그 효과는 제한적이 될 수 있음을 확인하였다.

따라서 본 발명의 실시예의 공기압 타이어의 비드부의 내구성 극대화하기 위해서는 제1비드필러의 높이를 타이어 단면높이의 20% 이하로 적용해야 하는 결론이 도출되었다.

구체적으로, 상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 20% 이하인 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 즉, 상기 제1비드필러(2a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이(SH: section height)의 10% 이상 20% 이하의 높이를 가질 수 있다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 이상의 지점에 위치하는 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 내지 5%의 위치에 위치될 수 있다.

상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 60% 이하의 위치에 위치되는 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 40 % 내지 60%의 위치에 위치될 수 있다.

그리고 상기 턴업헤드(TUH)(3a)의 상기 비드부(100)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 이상의 길이를 가지는 것이 바람직한 것으로 확인되었다. 상기 턴업헤드(TUH)(3a)의 상기 비드부(100)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 내지 70%의 길이를 가질 수 있다.

100: 트레드부
200: 사이드월부
300: 이너라이너
P: 비드부
1 : 비드코어(Bead core)
1a : 와이어
2a : 제1비드필러
2b : 제2비드필러
3 : 카카스(Carcass)
3a: 턴업헤드
6 : 림 쿠션 (Rim Cushion)

Claims (4)

1. 노면과 접촉하는 트레드부(100);
   상기 트레드부(100)의 양측에서 숄더와 이너라이너(300)를 형성하며 연장되는 사이드월부(200);
   상기 트레드부(100)와 상기 사이드월부(200)의 내주면에 일체로 부착되며 사이드월부(200)의 양단부에서 턴업(3a)를 형성하는 카카스(3); 및
   상기 턴업된 카카스의 내측에서 휠 측에 삽입되는 비드코어(1)와 상기 비드코어(1)의 상기 트레드부(100) 측면 방향으로 삽입되는 제1비드필러(2a) 및 상기 턴업(3a)된 카카스(3)의 외측에 상기 제1비드필러(2a)와 대향하는 영역으로부터 상기 트레드부(100) 측으로 연장되어 삽입되는 제2비드필러(2b)를 포함하는 비드부(P)를 포함하고,
   상기 제1비드필러(2a)의 높이는 타이어 단면높이(SH: section height)의 20% 이하이며,
   상기 제1비드필러(2a)에 상기 제2 비드필러(2b)가 적용된 상태에서, 상기 제1비드필러(2a)의 높이가 감소할수록 상기 제1비드필러(2a)와 상기 제2 비드필러(2b)의 최대전단응력의 발생면적과 스트레인에너지밀도(SED: Strain Energy Density)의 크기가 감소함으로써, 상기 제1비드필러(2a)와 상기 제2 비드필러(2b)의 회전저항 성능 및 내구성이 향상되는 것을 특징으로 하는 회전저항 성능 및 내구성 향상을 위한 비드필러 구조를 가지는 공기압 타이어.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제2비드필러(2b)의 상기 휠 측 하단 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 1% 이상의 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 공기압 타이어.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제2비드필러(2b)의 상기 트레드부(100) 측 단부는, 상기 비드코어(1)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측으로 상기 타이어 단면높이의 60% 이하의 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 공기압 타이어.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 턴업(3a)의 상기 비드부(P)의 휠 측 단부로부터 상기 트레드부(100) 측의 단부까지의 길이는 상기 타이어 단면높이의 10% 이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 공기압 타이어.

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