KR102568993B1 - 에어리스 타이어 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 에어리스 타이어에 관한 것으로, 내주에 차축이 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 이너링(inner ring); 외주에 트레드 부재가 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 아우터링(outer ring); 및 이너링과 아우터링 사이에 설치되어 양자를 일체적으로 연결하고, 신축 가능한 탄성재질로 구성되어서 타이어에 작용하는 하중을 인장 탄성으로 지지하는 탄성 스포크;를 포함하고, 탄성 스포크는, 이너링과 아우터링 사이에 방사상으로 배치되어 양단이 대응하는 접합링들에 각각 연결되는 앵글(angle) 상으로 절곡 구성되고, 절곡된 모서리가 서로 반대 방향을 향하도록 교번적으로 배치되는 다수의 메인 스포크; 및 다수의 메인 스포크들 중 이웃하는 두 메인 스포크의 근접하는 모서리 외측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 보조 스포크;를 포함한다.
Description
본 발명은 타이어에 작용하는 하중이 적은 무부하 하중에서 우수한 승차감을 제공하며, 하중의 크기에 관계없이 동일한 승차감을 유지하고, 타이어가 항상 원형을 유지하여 우수한 주행성능을 발휘할 수 있도록 하기 위한 에어리스 타이어에 관한 것이다.
타이어는 차량의 주행 시 차체, 탑승자, 화물 등의 무게에 따른 하중을 견딜 수 있어야 하고, 동시에 도로의 상태에 따라 차체에 가해질 수 있는 충격도 일정부분 흡수할 수 있어야 한다. 그러면서도 차량의 주행에는 문제가 되지 않는 형상도 유지할 수 있어야 한다.
이를 위해 타이어는 대부분 내부에 압축공기를 채워 넣어서 하중은 물론이고, 주행 중에 노면으로부터 가해지는 충격을 공기압에 분산시켜 흡수함으로써 높은 주행 안정성을 발휘할 수 있는 래이디얼 타이어(radial tire)를 사용하고 있다.
그러나 이러한 래이디얼 타이어는 공기압에 따라 그 작용 효과에 상당한 차이가 발생하고, 예컨대 주행 중 펑크(puncture)가 발생하면 본래의 형태를 유지하지 못하기 때문에 차량의 주행이 곤란해질 뿐 아니라, 교통사고 발생 위험이 대단히 높은 문제가 있다. 또한, 래이디얼 타이어는 구조가 복잡하고, 제조 공정이 번잡할 뿐만 아니라 제조 시 유해물질 배출량도 많고, 특히 공기압을 수시로 점검해야 하는 불편함이 뒤따랐다.
이에 따라 근래에는 공기압 없이도 차량에 가해지는 하중과 충격에 적절히 대응할 수 있으면서도 소재와 공정의 단순화에 의한 생산비용 절감과 유해물질 배출량을 크게 낮출 수 있고, 래이디얼 타이어에 비해 구름 저항을 향상시킬 수 있는 소위 에어리스 타이어가 출현하여 점차 그 사용 영역을 확대해 가고 있다.
이러한 에어리스 타이어는 차축에 연결되는 허브와, 지면에 접촉하는 트레드 링 및 이들을 상호 연결하는 탄성 스포크로 구성되어, 타이어에 작용하는 하중과 충격을 트레드 링의 형상 변형과 탄성 스포크가 압축 변형되면서 지탱하도록 되어 있다.
이 때문에, 통상의 에어리스 타이어는 탄성 스포크의 압축 변형 시 트레드 링의 지면 접촉부위가 일그러질 수밖에 없고, 따라서 트레드 링이 원형을 유지할 수 없고 지면에 접촉되는 부위만 국부적으로 일그러져 한 곳에 집중하는 압축 하중이 작용되어 에어리스 타이어의 주행 성능이 떨어지는 문제가 있었다.
한편, 래이디얼 타이어와 솔리드 타이어(solid tire) 및 에어리스 타이어 등 모든 타이어는 공차 상태의 초기 무부하 하중일 경우이거나 또는 화물을 적재하거나 탑승자가 추가되어 하중이 증가한 경우라 하더라도 타이어의 하중 조건은 동일하다. 즉, 타이어의 하중 조건은 하중의 변화에 관계없이 규격에 제시된 최대 허용 하중을 기준으로 제조되기 때문이다.
따라서 운전자만 탑승한 초기 무부하 상태의 승차감은 부하 상태의 승차감에 비해 현저히 감소될 수밖에 없어 초기 승차감이 좋지 못한 문제가 있다. 래이디얼 타이어의 경우 하중에 따라 공기압을 적절히 조절함으로써 무부하 상태에서도 승차감을 개선할 수 있지만, 이는 타이어 성능에 악영향과 안전성에 문제가 있으며, 솔리드 타이어를 포함한 에어리스 타이어의 경우 구조적 특성상 무부하 상태에서의 승차감을 개선할 수 없었다.
본 발명은 상술한 제반 문제를 감안하여 창안된 것으로서, 타이어에 가해지는 변화하는 하중에 대응하여 하중의 크기에 관계없이 항시 우수한 승차감을 발휘할 수 있는 에어리스 타이어를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 타이어에 작용하는 하중과 충격에 관계없이 트레드 링을 원형 상태로 유지시킴으로써 주행성능을 향상시킬 수 있는 에어리스 타이어를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 에어리스 타이어는, 내주에 차축이 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 이너링(inner ring); 외주에 트레드 부재가 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 아우터링(outer ring); 및 이너링과 아우터링 사이에 설치되어 양자를 일체적 또는 간접적으로 연결하고, 신축 가능한 탄성재질로 구성되어서 타이어에 작용하는 하중을 인장 탄성으로 지지하는 탄성 스포크;를 포함하고,
탄성 스포크는,
이너링의 외주에 접합 또는 결합되는 이너 접합링; 아우터링의 내주에 접합 또는 결합되는 아우터 접합링; 이너 접합링과 아우터 접합링 사이에 방사상으로 배치되어 양단이 대응하는 접합링들에 각각 연결되는 앵글(angle) 상으로 절곡 구성되고, 절곡된 모서리가 서로 반대 방향을 향하도록 교번적으로 배치되는 다수의 메인 스포크; 및 다수의 메인 스포크들 중 이웃하는 두 메인 스포크의 근접하는 모서리 외측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 보조 스포크;를 포함하여,
하중에 따라 보조 스포크가 원주 방향으로 늘어남과 함께 절곡된 메인 스포크가 지름방향으로 펴지면서 초기 하중을 1차로 지지한 후, 증가되는 하중을 메인 스포크가 지름방향으로 늘어나면서 2차로 지지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하기로, 아우터링은, 트레드 부재가 외주에 결합되는 강성 재질의 제1 아우터링; 제1 아우터링과 간격을 두고 동심으로 배치되며, 내주에 탄성 스포크가 결합되는 강성 재질의 제2 아우터링; 및 제1 및 제2 아우터링 사이에 개재되는 발포성 완충재;를 포함하는 구성일 수 있다.
메인 스포크의 탄성은 보조 스포크의 탄성보다 크게 구성되는 것이 바람직한데, 이는 예컨대 메인 스포크의 단면적을 보조 스포크의 단면적보다 크게 구성하거나 메인 스포크의 수량보다 보조 스포크의 수량을 적게 하는 것으로 달성할 수 있다.
여기서, 메인 스포크와 보조 스포크는 설정된 변형량만큼 인장된 상태로 이너링과 아우터링 사이에 고정될 수도 있으며, 이 경우 초기 하중 시에는 타이어의 수평 중심 아래쪽에 위치하는 메인 스포크와 보조 스포크가 초기 상태로 복원될 뿐 압축은 작용하지 않아 더욱 우수한 주행성능을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 다수의 메인 스포크들 중 이웃하는 두 메인 스포크의 절곡된 모서리 내측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 피칭(pitching) 억제 스포크를 더 포함 할 수 있다.
바람직하기로, 메인 스포크와 보조 스포크는 타이어의 지름방향을 따라서 적어도 2단으로 배치될 수 있고, 타이어의 지름방향 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 메인 스포크와 보조 스포크의 탄성이 점차 커지는 구성일 수 있다. 이 경우, 하중에 따른 지지단계가 세분화 되어, 각 단계별로 승차감을 조절할 수도 있다.
이러한 다단 구성은, 예를 들어 메인 스포크가 서로 반대 방향을 향해 2단으로 절곡된 지그재그 형태로 구성되어 타이어의 지름방향 안쪽에 위치하는 제1 메인 스포크와 외측에 위치하는 제2 메인 스포크가 몸체를 일부 공유하고, 보조 스포크가 이웃하는 두 메인 스포크의 근접하는 모서리들 중 타이의 지름방향 안쪽에 위치하는 모서리 외측을 원주방향으로 연결하는 제1 보조 스포크와 외측에 위치하는 모서리 외측을 원주방향으로 연결하는 제2 보조 스포크로 이루어지는 구성일 수 있다.
탄성 스포크는, 고무 또는 우레탄 등 다양한 탄성 부재로 이루어질 수 있다.
발포성 완충재는, 합성 수지; 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA); 발포제; 가교제; 금속산화물; 스테아린상아연염; 및 스테아린산을 포함 할 수 있다.
이러한 발포성 완충재는, 합성 수지 45 내지 70 중량％; 에틸렌비닐아세테이트 3 내지 30 중량％; 가교제 0.1 내지 1.5 중량％; 금속산화물 0.1 내지 10 중량％; 발포제 0.1 내지 5 중량％; 스테아린산아연염 0.1 내지 10 중량％; 및 스테아린산 0.1 내지 3 중량％를 포함 할 수 있다.
또한, 발포성 완충재는, 기공의 공극률이 30~60％이고, 기공 중 열린 셀(open cell)과 폐쇄 셀(closed cell)의 비율이 40~60:40~60으로 포함될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의한 에어리스 타이어에 의하면, 초기 하중은 보조 스포크의 인장에 의해 지지되고, 최대 하중은 메인 스포크의 인장에 의해 지지되기 때문에 타이어에 가해지는 하중의 크기에 관계없이 항시 우수한 승차감을 발휘할 수 있다.
또한, 트레드 부재가 외력에도 변형되지 않는 강성 아우터링에 결합되어 있으면서 타이어에 작용하는 하중을 탄성 스포크의 인장력만으로 지지할 수 있는 바, 트레드 부재를 항시 원형 상태로 유지시킬 수 있다. 이에 따라 타이어의 구름 저항이 최소화되어 주행성능을 향상시킬 수 있다. 또, 타이어에 작용하는 하중이 절반이상 다수의 스포크에 분산 작용하여 스포크 수명 연장에 따른 타이어의 수명 연장과 주행 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어를 도시한 분해 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어를 도시한 정면도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 부분 확대 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어의 다른 형태를 발췌하여 도시한 정면도,
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 단면도,
도 6 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어 탄성 스포크의 초기 하중 반경(R1)을 결정하는 거리(S1) 변화량 설계방법과 작용을 설명하기 위한 발췌도들,
도 7 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어의 하중 변화에 따른 상태를 도시한 정면도들,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어 탄성 스포크의 다른 형태를 도시한 요부 발췌 정면도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 요부 발췌 정면도,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 요부 발췌 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어를 도시한 정면도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 부분 확대 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어의 다른 형태를 발췌하여 도시한 정면도,
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따라 취한 단면도,
도 6 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어 탄성 스포크의 초기 하중 반경(R1)을 결정하는 거리(S1) 변화량 설계방법과 작용을 설명하기 위한 발췌도들,
도 7 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어의 하중 변화에 따른 상태를 도시한 정면도들,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리스 타이어 탄성 스포크의 다른 형태를 도시한 요부 발췌 정면도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 요부 발췌 정면도,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 요부 발췌 정면도이다.
이와 같은 본 발명의 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.
도 1 내지 도 5에서, 본 발명에 의한 에어리스 타이어(1)는, 내주에 차축(도시하지 않음)이 결합되는 이너링(10)과, 외주에 트레드 링(40)이 결합되는 아우터링(20) 및 이너링(10)과 아우터링(20) 사이에 설치되어 양자를 일체적 또는 간접적으로 연결하여 타이어에 작용하는 하중을 지지하는 탄성 스포크(30)를 포함할 수 있다.
이너링(10)은 외력에 의해 변형을 일으키지 않을 수 있는 강성 재질, 예를 들어 금속 또는 고강도 엔지니어링 플라스틱 등으로 구성될 수 있다. 이너링(10)의 내주에는 차축을 지지하는 허브(도시하지 않음)와 연결할 수 있도록 플랜지(11)가 구비될 수 있고, 이 플랜지(11)에는 복수의 체결구멍(12)들이 방사상으로 형성될 수 있다. 바람직하기로, 이러한 이너링(10)은 탄성 스포크(30)와의 견고한 고정을 위해서 외주의 축방향 양측에 탄성 스포크(30)의 내단부를 삽입하여 볼트(50) 등으로 체결하기 위한 제1 체결 플랜지(13)를 각각 구비할 수 있다.
아우터링(20) 역시 외력에 대해 충분히 대항하여, 변형을 일으키지 않고 원형 상태를 유지할 수 있도록 금속이나 고강도 엔지니어링 플라스틱 등의 강성 재질로 구성될 수 있다. 또한, 원형 상태를 유지한 아우터링(20)에 의해 타이어의 하중은 지면 부분에 국부적으로 작용하지 않고 절반 이상의 다수의 스포크(30)에 분산 작용하게 하여 스포크(30)의 수명 연장과 타이어의 안전성을 확보할 수 있다. 이러한 아우터링(20)도 탄성 스포크(30)와의 견고한 고정을 위해서 내주의 축방향 양측에 탄성 스포크(30)의 외단부를 삽입하여 볼트(50) 등으로 체결하기 위한 제2 체결 플랜지(21)를 각각 구비할 수 있다.
아우터링(20)은 단일 몸체로 구성되어도 무방하나, 바람직하기로는 도 10에 도시한 바와 같이 발포성 완충재(24)를 포함하는 샌드위치 형태의 구성일 수 있다. 즉, 트레드 링(40)이 외주에 결합되는 강성 재질의 제1 아우터링(22)과, 이 제1 아우터링(22)과 간격을 두고 동심으로 배치되어서 내주에 탄성 스포크(30)가 결합되는 강성 재질의 제2 아우터링(23)과, 제1 및 제2 아우터링(22)(23) 사이에 개재되는 발포성 완충재(24)를 포함하는 구성일 수 있는 것이다. 이 경우, 제2 체결 플랜지(21)는 제2 아우터링(23)의 내주에 구비된다.
이와 같은 구성의 아우터링(20)은 주행 중 노면으로부터 가해지는 충격이나 롤링 현상 등을 발포성 완충재(23)가 적절히 흡수할 수 있어 타이어(1)의 승차감을 더욱 향상시킬 수 있다.
여기서, 발포성 완충재(24)는 합성 수지, 에틸렌, 비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA), 발포제, 가교제, 금속산화물, 스테아린산아연염 및 스테아린산을 포함하여 제조될 수 있다. 또한, 미소 중공구체를 더 포함하여 제조될 수도 있다.
합성 수지는 유기 화합물의 합성으로 만들어진 수지 모양의 고분자 화합물을 통틀어 지칭하는 것으로, 에틸렌비닐아세테이트가 발포제에 의해 발포될 때 경도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 합성 수지는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리아미드(polyamide), 폴리에스테르(polyester), 아크릴로니트릴(acrylonitrile), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride), 폴리염화비닐리덴(polyvinylidene chloride), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리우레탄(polyurethane) 및 나일론(nylon)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. 합성수지를 너무 높은 비율로 사용하면 가공 온도가 높아지면서 가공성이 저하되고, 물성이 저하될 수 있다. 반대로 합성수지를 너무 낮은 비율로 사용하면 가공은 용이하나 경도가 너무 저하될 수 있다. 그러므로, 가공성과 물성을 확보하고 원하는 경도를 확보할 수 있도록 총 중량에 대하여 45 ~ 70 중량%의 비율로 혼합되는 것이 바람직할 수 있다.
에틸렌비닐아세테이트는 유연성이 높고, 가교성과 발포성이 용이한 장점을 가진다. 에틸렌비닐아세테이트를 상대적으로 높은 비율로 혼합하면 발포배율이 너무 높아져서 가공성이 나빠지고, 경도가 낮으며 인장강도가 낮아져서 물성이 저하될 수 있다. 에틸렌비닐아세테이트를 상대적으로 낮은 비율로 혼합하면 경도가 높고 딱딱해져서 원하는 유연성을 확보하지 못할 수 있다. 그러므로, 적절한 발포 비율과 경도, 인장강도를 확보하고, 충분한 유연성을 확보할 수 있도록 총 중량에 대하여 3 ~ 30 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
가교제는, 황 가교제, 유기과산화물 가교제 또는 레진 가교제 중에서 단독 또는 2종 이상 병용하여 사용할 수 있다. 유기과산화물 가교제는 사이클로헥사논퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시이소프로필카르보네이트, t-부틸퍼옥시라우릴레이트, t-부틸퍼옥시아세테이트, 디-t-부틸디퍼옥시프탈레이트, t-디브틸퍼옥시말레인산, t-부틸큐밀퍼옥사이드, t-부틸하이드로퍼옥사이드, t-부틸퍼옥시벤조에이트, 디벤조일퍼옥사이드, 디큐밀퍼옥사이드, 1,3-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 메틸에틸케톤퍼옥사이드, 디-(2,4-디클로로벤조일)퍼옥사이드, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 디-t-부틸퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-(t-부틸퍼옥시)-3-헥신, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발러레이트 또는 α,α'-비스(t-부틸퍼옥시)디이소프로필벤젠 등을 사용할 수 있다. 레진 가교제는 메틸올(methylol)기를 5~ 20% 함유한 변성 페놀 수지를 사용할 수 있다. 가교제를 너무 높은 비율로 사용하면 가교점도가 높아 가공성이 나빠져서 사출시 찢어질 수 있다. 반대로 가교제를 너무 낮은 비율로 사용하면 가교점도가 낮아 정상적인 발포 성형이 어려울 수 있으므로 0.1 ~ 1.5 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
금속산화물은 산화아연 또는 산화마그네슘을 사용할 수 있다. 금속산화물은 발포속도 조절제로 사용되는 것으로 가교를 촉진시키는 역할을 할 수 있다. 금속산화물을 상대적으로 높은 비율로 혼합하면 조기 발포가 일어나면서 불량품을 유발할 수 있다. 금속산화물을 상대적으로 낮은 비율로 혼합하면 가교가 원활하게 이루어지지 않게 된다. 그러므로, 적절한 시기에서 가교가 원활하게 진행될 수 있도록, 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
발포제로는 질소, 설퍼헥사플루오라이드(SF6), 아르곤, 이산화탄소, 1,1,1,2-테트라플루오로에탄(HFC-134a),1,1,2,2-테트라플루오로에탄(HFC-134), 1,1,1,3,3-펜타플루오로프로판, 디플루오로메탄(HFC32), 1,1-디플루오로에탄(HFC-152a), 펜타플루오로에탄(HFC-125), 플루오로에탄(HFC-161) 및 1,1,1-트리플루오로에탄(HFC-143a), 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄, n-펜탄, 이소펜탄, 시클로펜탄, 네오펜탄, 헥산, 아조디카본아미드(ADCA), 아조디이소부티로-니트릴, 벤젠설포닐하이드라자이드, 4,4-옥사벤젠 설포닐-세미카바자이드, p-톨루엔 설포닐세미카바자이드, 바륨 아조디카복실레이트, N,N'-디메틸-N,N'-디니트로소테레프탈아미드, 트리하이드라지노트리아진, p,p'-옥시비스(벤젤술포닐히드라지드)(OBSH), 디니트로소펜타메틸렌테트라민(DPT), p-톨루엔술포닐히드라지드(ptoluenesulfonyl hydrazide), 벤젠술포닐히드라지드(benzenesulfonyl hydrazide), 탄산수소나트륨 및 탄산나트륨으로 이루어진 군에서 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. 발포제가 너무 적게 사용되면 발포 배율이 감소되어 경도가 커지게 되고, 너무 많이 사용하면 발포 배율이 증가되어 성형성과 제품화가 어려울 수 있다. 그러므로 발포제는 총 중량에 대하여 0.1 ~ 5중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
스테아르산 아연염은 가교를 촉진시키고, 윤활제로 역할을 할 수 있다. 스테아르산 아연염을 상대적으로 높은 비율로 혼합하면 이형성이 향상되어 이형제로서의 역할을 충분하게 발휘하는 반면에 물성 저하를 유발하게 된다. 스테아르산 아연염을 상대적으로 낮은 비율로 혼합하면 이형성이 저하되어 작업성이 매우 나빠진다. 그러므로, 스테아르산 아연염을 충분한 이형성을 발휘하면서 물성 저하가 발생하지 않도록 총 중량에 대하여 0.1 ~ 10중량%의 비율로 혼합될 수 있다.
스테아린산은, 스테아르산 아연염과 함께 사용되어 윤활제로의 역할과 이형성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 스테아린산을 상대적으로 높은 비율로 혼합하면 이형성은 향상되지만 물성 저하가 유발되며 가교 효율이 떨어지게 된다. 스테아린산을 상대적으로 낮은 비율로 혼합하면 이형성이 떨어져 작업성이 매우 나빠진다. 그러므로, 스테아린산은 상기 스테아르산 아연염과 함께 어우러지면서 충분한 이형성과 작업성을 나타낼 수 있도록 총 중량에 대하여 0.1 ~ 3중량%로 혼합될 수 있다.
미소 중공구체는 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 산화티타늄 및 실리카로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다. 미소 중공구체는 속이 빈 중공구조를 갖는 3차원의 미소구형의 필러(filler)의 한 종류이다. 저발포율에서도 낮은 밀도를 유지하여 쿠션성을 향상시키는 동시에 저밀도 수지의 낮은 파괴한계를 보강하여 내파열성, 내압축성 등의 내구성을 향상시킬 수 있다. 상대적으로 높은 비율로 혼합하면 가공성이 저하될 수 있고, 너무 낮은 비율로 혼합하면 내구성, 저밀도 유지와 쿠션성 향상 등의 효과가 미미할 수 있다. 그러므로 총 중량에 대하여 5 ~ 20 중량%로 혼합될 수 있다. 상기 미소 중공구체는 평균입자가 0.30mm ~ 0.60mm 인 것이 쿠션성과 내구성의 동시 향상효율이 좋다.
발포성 완충재(24)는 추가로 촉진제를 더 첨가하여 제조될 수 있다. 촉진제로는 트리알릴시아누르산염(TAC), 메르캅토벤조티아졸(MBT), 디벤조티아졸디술피드(MBTS) 및 디펜타메틸렌티우람테프라설파이드(DPTT)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 또는 둘 이상을 사용할 수 있다.
또한, 발포성 완충재(24)의 발포 성형을 안정화시키기 위하여 정포제를 추가로 포함할 수 있다. 정포제는 기포를 안정화시키기 위한 것으로서 폴리디메틸실록산 또는 폴리옥시알킬렌 등의 비이온계 계면활성제가 적합한데, 비이온계 계면활성제를 정포제로서 사용함으로써 적합한 기포 구조를 형성할 수 있다. 기공 중 열린 셀(open cell)과 폐쇄 셀(closed cell)의 비율이 40~60:40~60으로 포함될 수 있다.
발포성 완충재(24)에서 기공의 공극률이 너무 낮으면 경도가 커서 딱딱하고, 유연성이 좋지 않아서 원하는 효과를 얻기 어려울 수 있다. 또한, 발포성 완충재(24)에서 기공의 공극률이 너무 높으면 경도가 너무 낮아서 가공성이 좋지 않을 수 있다. 그러므로, 원하는 경도와 유연성과 가공성을 확보하기 위하여 기공의 공극률이 30~60% 일 수 있다.
도 6 및 도 7에서, 탄성 스포크(30)는 하중 등의 외력이 작용할 시 외력의 크기에 대응하여 적절하게 신축될 수 있는 신축성 재질로 구성될 수 있고, 예를 들어 적절한 강성과 신축성을 겸비한 고무 또는 우레탄 등 다양한 탄성부재로로 구성될 수 있다. 이러한 탄성 스포크(30)는 이너링(10)의 외주에 접합되는 이너 접합링(31)과, 아우터링(20)의 내주에 접합되는 아우터 접합링(32)과, 이너 접합링(31)과 아우터 접합링(32) 사이에 방사상으로 배치되는 다수의 메인 스포크(34) 및 보조 스포크(35)를 포함 할 수 있다.
이너 접합링(31)과 아우터 접합링(32)은 접착제(33)에 의해서 이너링(10)의 외주와 아우터링(20)의 내주에 각각 접합됨으로써 이너링(10)과 아우터링(20)을 일체적으로 연결시킬 수 있다. 접착제(33)는 여러 가지가 사용될 수 있으며, 예를 들어 열경화성 수지가 사용될 수 있다.
탄성 스포크(30)는 이와 같은 접착제(33)에 의한 접합만으로 이너링(10)과 아우터링(20)에 고정될 수 있도 있으나, 바람직하기로는 볼트(50) 등의 체결수단을 더 구비하여 단단히 고정되는 것이 좋다. 이를 위해 탄성 스포크(30)의 내단측 및 외단측에는 탄성 스포크(30)를 이너링(10)의 제1 체결 플랜지(13)와 아우터링(20)의 제2 체결 플랜지(21)에 각각 볼트(50)로 체결할 수 있도록 다수의 체결구멍(30a)들이 방사상으로 구비될 수 있다.
메인 스포크(34)는 타이어(1)의 지름방향에 대해 중간부위가 절곡된 앵글 상으로 구성되고, 지름방향의 양쪽 끝이 대응하는 이너 접합링(31)의 외주 및 아우터 접합링(32)의 내주에 각각 연결되는 형태를 취한다. 즉, 메인 스포크(34)는 탄성 스포크(30)의 지름방향 중심선과 만나는 이너 접합링(31)의 외주와 아우터 접합링(32)의 내주로부터 동일한 원주방향을 향해 설정된 각도로 각각 연장되어 절곡부에서 만나는 제1 및 제2 변부(34a)(34b)를 갖는 것이다. 이러한 구성의 메인 스포크(34)는 절곡된 모서리부가 서로 반대 방향을 향하도록 원주방향을 따라 교번적으로 배치된다.
이와 같은 메인 스포크(34)는 타이어(1)에 작용하는 하중에 의해 절곡부위가 직선상으로 펴질 수 있고, 또한 더욱 신장될 수 있다. 다시 말해서, 하중이 작용할 때 지름방향 중심선에 대해 경사져 있는 제1 및 제2 변부(34a)(34b)가 1차로 직선상으로 펴질 수 있고, 이후 직선상으로 펴진 상태에서 더 높은 하중이 작용하게 되면 지름방향을 향해 2차로 더욱 신장될 수 있는 것이다.
보조 스포크(35)는 다수의 메인 스포크(34)들 중에서 절곡된 모서리부가 상대적으로 근접하는, 이웃하는 두 메인 스포크(34)들의 모서리 외측을 각각 원주방향으로 연결한다. 이러한 보조 스포크(35)는 타이어(1)에 하중이 작용할 때, 절곡된 메인 스포크(34)들이 직선상으로 펴지는 것에 연동하여 원주방향으로 신장될 수 있다.
따라서 메인 스포크(34)는 보조 스포크(35)보다 큰 탄성을 구유하는 것이 바람직한데, 이는 메인 스포크(34)의 두께(T)를 보조 스포크(35)의 두께(t)보다 크게 형성하여 메인 스포크(34)의 단면적을 보조 스포크(35)의 단면적보다 크게 하거나 메인 스포크(34)의 수량보다 보조 스포크(35)의 수량을 적게 함으로써 달성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 탄성 스포크(30)는, 타이어(1)에 작용하는 초기 하중은 보조 스포크(35)가 지지하고, 최대 하중은 메인 스포크(34)가 지지한다. 도 7(a)는 타이어(1)에 어떠한 하중도 작용하지 않는 상태로 탄성 스포크(30)가 원형을 유지하고 있으며, 이 때에는 이너링(10)의 중심이 타이어(1)의 중심과 일치한다. 이 상태에서, 타이어(1)에 초기 하중이 작용하면, 도 7(b)와 같이 메인 스포크(34)가 지름방향을 따라 직선상으로 펴짐과 동시에 보조 스포크(35)가 원주방향으로 늘어남으로써 초기 하중을 지지할 수 있다. 이 때, 메인 스포크(34)는 단순히 절곡부위가 펴지기만 할 뿐, 초기 하중을 지지하지는 않고, 보조 스포크(35)에 작용하는 인장력으로만 초기 하중을 지지한다.
이와 같이 타이어(1)에 초기 하중이 작용하면, 이너링(10)은 지면(G) 쪽으로 설정된 거리(S1)만큼 이동하고, 지면(G) 쪽으로 이동된 이너링(10)의 중심과 지면(G)이 이루는 초기하중반경(R1)은 타이어(1)의 회전반경(R)보다 초기 하중에 의해 이동한 거리(S1)만큼 작아진다. 여기서, 초기 하중에 의해 이너링(10)이 지면(G) 쪽으로 이동하는 거리(S1)는, 메인 스포크(34)를 구성하는 절곡된 두 변부(34a)(34b)의 길이 a와 b를 더한 값에서 두 변부(34a)(34b)의 양쪽 끝단 간의 거리 c를 뺀 값으로 결정된다. 즉, S1 = (a + b) - c 의 관계식에 의해 결정되는 것이다.
이에 따라 이너링(10)의 수평중심선 아래쪽에 위치하는 메인 스포크(34)에는 압축력이 작용하지만, 본 발명의 에어리스 타이어(1)는 탄성 스포크(30)의 외주를 외력에도 변형되지 않는 강성 아우터링(20)이 감싸고 있기 때문에 트레드 링(40)이 종래와 달리 일그러지지 않고 진원을 유지할 수 있다. 따라서 타이어(1)의 구름 저항이 최소화되어 주행성이 향상됨은 물론 보조 스포크(35)에 의해 초기 하중이 지지되므로 적은 하중의 초기 하중에도 우수한 승차감을 유지할 수 있다.
한편, 타이어(1)에 작용하는 하중이 증가 되거나 최대 하중이 작용하면 도 7(c)와 같이 메인 스포크(34)들이 지름방향으로 늘어나면서 높아진 하중을 지지한다. 이 때, 이너링(10)은 초기하중반경(R1)으로부터 설정된 거리(S2)만큼 지면(G) 쪽으로 이동하여 더욱 작아진 최대하중반경(R2)을 형성한다. 그렇지만, 이 경우에도 이너링(10)의 수평중심선 아래쪽에 위치한 메인 스포크(34)에 압축력이 작용할 뿐 강성 아우터링(20)에 의해 트레드 링(40)은 원형을 유지할 수 있어, 우수한 주행성과 승차감을 확보할 수 있다.
따라서 본 발명 에어리스 타이어(1)의 초기하중반경(R1)은 메인 스포크(34)의 길이변화량(절곡된 상태의 길이와 직선상으로 펴진 상태의 길이 차이)에 따라 결정될 수 있고, 최대하중반경(R2)은 메인 스포크(34)의 인장하중으로 결정될 수 있다. 그리고, 초기하중의 강도는 보조 스포크(35)의 인장하중으로 결정될 수 있으며, 이는 보조 스포크(35)의 수효와 단면적에 따라 조절할 수 있다. 또한, 메인 스포크(34)의 길이변화량은 그 제1 및 제2 변부(34a)(34b)가 지름방향 중심선과 이루는 각도 또는 보조 스포크(35)의 길이(L)에 따라 조절할 수 있다. 또한, 초기 하중에 따른 변형량 거리(S1)는 최대 허용 하중이 가해져 발생되는 변형량 거리(S2)보다 크게 하는 것이 초기 하중에서 우수한 승차감을 확보하는데 바람직하다.
한편, 이와 같은 본 발명 에어리스 타이어(1)는 탄성 스포크(30)의 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)에 적당히 인장을 부여한 상태로 이너링(10)과 아우터링(20)에 고정시키는 구성일 수도 있다. 이 경우, 작용하는 하중에 의해 수평중심선 위쪽에 위치하는 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)가 인장될 때, 수평중심선 아래쪽에 위치한 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)는 복원탄성에 의해 초기 상태로의 복원 작용만 이루어지고 압축 하중은 작용하지 않을 수 있다. 이에 따라 롤링 등에 보다 효과적으로 대응하여 향상된 승차감을 제공할 수 있다.
이상에서, 본 발명을 초기하중과 최대하중의 2단계로 분리시키는 경우에 대해 설명하였으나, 이는 예시의 목적일 뿐, 예컨대 초기하중, 적어도 하나의 중간하중 및 최대하중 등 여러 단계로 분리시킬 수도 있음은 물론이다. 이 경우, 탄성 스포크(30)의 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)가 타이어(1)의 지름방향을 따라서 적어도 2단으로 배치되고, 타이어(1)의 지름방향 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)의 탄성이 점차 커지는 구성일 수 있다.
도 8에는 예를 들어 탄성 스포크(30)의 메인 스포크(36)와 보조 스포크(39)가 그 지름방향을 따라 2단으로 구비되는 경우의 일례를 개략적으로 도시하였다.
이 실시예는, 전술한 실시예의 구성에서, 메인 스포크(36)가 서로 반대 방향을 향해 2단으로 연속 절곡된 지그재그 형태로 구성되고, 보조 스포크(39)가 이웃하는 두 메인 스포크(36)의 근접하는 모서리부들의 외측을 원주방향으로 각각 연결하는 구성이다. 이 경우, 타이어(1) 지름방향에서 상대적으로 안쪽에 위치하는 제1 메인 스포크(37)와 외측에 위치하는 제2 메인 스포크(38)는 몸체를 일부 공유한다. 즉, 메인 스포크(36)가 제1 내지 제3 변부(36a)(36b)(36c)를 가지는 바, 중간에 위치한 제2 변부(36b)를 제1 및 제2 메인 스포크(37)(38)가 서로 공유하는 것이다.
이 실시예 역시 메인 스포크(36)의 두께(T)보다 보조 스포크(39)의 두께(t1, t2)를 작게 설정하거나 수효를 감소함으로써 보조 스포크(39)가 초기하중을 지지하고, 메인 스포크(36)가 최대하중을 지지할 수 있다. 또한, 타이어(1)의 지름방향에서 상대적으로 안쪽에 위치하는 제1 보조 스포크(39a)의 두께(t1)를 외측에 위치하는 제2 보조 스포크(39b)의 두께(t2)보다 작게 설정하여 초기하중과 중간하중을 각각 지지할 수 있다.
이에 따라 초기하중 시에는 제1 보조 스포크(39a)가 원주방향으로 늘어남과 동시에 제1 메인 스포크(37)가 직선상으로 펴짐으로써 초기하중을 지지하면서 승차감을 유지하고, 중간하중 시에는 제2 보조 스포크(39b)가 원주방향으로 늘어남과 동시에 제2 메인 스포크(38)가 직선상으로 펴짐으로써 중간하중을 지지하면서 승차감을 유지할 수 있다. 그리고, 최대하중 시에는 직선상으로 펴진 제1 및 제2 메인 스포크(37)(38)들이 지름방향으로 늘어나면서 최대하중을 지지하고, 승차감을 유지할 수 있다.
한편, 도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하였는데, 이 실시예는 전술한 첫 번째 실시예의 구성에서, 다수의 메인 스포크(34)들 중 이웃하는 두 메인 스포크(34)의 절곡된 모서리 내측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 피칭 억제 스포크(35b)를 더 포함하는 구성이다.
이러한 구성의 실시예는, 하중에 의한 메인 스포크(34)와 보조 스포크(35)의 인장 시에 피칭 억제 스포크(35b)에 작용하는 압축력에 의해서 전술한 실시예의 효과에 더하여 주행 중 차체에 작용하는 피칭 현상을 적절히 억제할 수 있고, 따라서 주행 안정성을 향상시킬 수 있다.
10: 이너링 13: 제1 체결 플랜지
20: 아우터링 21: 제2 체결 플랜지
22: 제1 아우터링 23: 제2 아우터링
24: 발포성 완충재 30: 탄성 스포크
31: 이너 접합링 32: 아우터 접합링
33: 접착제 34, 36: 메인 스포크
35, 39: 보조 스포크 37, 38: 제1 및 제2 메인 스포크
39a, 39b: 제1 및 제2 보조 스포크 40: 트레드 링
50: 볼트 G: 지면
R: 타이어 회전반경 R1:초기하중반경
R2: 최대하중반경 S1: 초기하중 변형거리
S2: 2차 추가 변형거리
S1 + S2: 최대 변형거리(타이어 공식 거리)
20: 아우터링 21: 제2 체결 플랜지
22: 제1 아우터링 23: 제2 아우터링
24: 발포성 완충재 30: 탄성 스포크
31: 이너 접합링 32: 아우터 접합링
33: 접착제 34, 36: 메인 스포크
35, 39: 보조 스포크 37, 38: 제1 및 제2 메인 스포크
39a, 39b: 제1 및 제2 보조 스포크 40: 트레드 링
50: 볼트 G: 지면
R: 타이어 회전반경 R1:초기하중반경
R2: 최대하중반경 S1: 초기하중 변형거리
S2: 2차 추가 변형거리
S1 + S2: 최대 변형거리(타이어 공식 거리)
Claims (10)
- 내주에 차축이 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 이너링;
외주에 트레드 부재가 결합되고, 외력에 의해 변형되지 않는 강성 재질의 아우터링; 및
상기 이너링과 아우터링 사이에 설치되어 양자를 연결하고, 신축 가능한 탄성재질로 구성되어서 타이어에 작용하는 하중을 인장 탄성으로 지지하는 탄성 스포크;를 포함하고,
상기 아우터링은,
상기 트레드 부재가 외주에 결합되는 강성 재질의 제1 아우터링;
상기 제1 아우터링과 간격을 두고 동심으로 배치되며, 내주에 상기 탄성 스포크가 결합되는 강성 재질의 제2 아우터링; 및
상기 제1 및 제2 아우터링 사이에 개재되는 발포성 완충재;를 포함하며,
상기 탄성 스포크는,
상기 이너링의 외주에 접합되는 이너 접합링;
상기 아우터링의 내주에 접합되는 아우터 접합링;
상기 이너 접합링과 아우터 접합링 사이에 방사상으로 배치되어 양단이 대응하는 상기 접합링들에 각각 연결되는 앵글 상으로 절곡 구성되고, 절곡된 모서리가 서로 반대 방향을 향하도록 교번적으로 배치되는 다수의 메인 스포크; 및
상기 다수의 메인 스포크들 중 이웃하는 두 메인 스포크의 근접하는 모서리 외측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 보조 스포크;를 포함하여,
하중에 따라 상기 보조 스포크가 원주 방향으로 늘어남과 함께 상기 절곡된 메인 스포크가 지름방향으로 펴지면서 초기 하중을 1차로 지지한 후, 증가되는 하중을 상기 메인 스포크가 지름방향으로 늘어나면서 2차로 지지하는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 메인 스포크의 탄성이 상기 보조 스포크의 탄성보다 크게 구성되는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 3에 있어서,
상기 메인 스포크의 단면적이 상기 보조 스포크의 단면적보다 크게 구성된 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 3에 있어서,
상기 보조 스포크의 수량이 상기 메인 스포크의 수량보다 적게 구성되는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 다수의 메인 스포크들 중 이웃하는 두 메인 스포크의 절곡된 모서리 내측을 원주방향으로 상호 연결하는 다수의 피칭(pitching) 억제 스포크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 3에 있어서,
상기 메인 스포크와 보조 스포크가 타이어의 지름방향을 따라서 적어도 2단으로 배치되고, 상기 타이어의 지름방향 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 상기 메인 스포크와 보조 스포크의 탄성이 점차 커지는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 7에 있어서,
상기 메인 스포크가 서로 반대 방향을 향해 2단으로 절곡된 지그재그 형태로 구성되어 타이어의 지름방향 안쪽에 위치하는 제1 메인 스포크와 외측에 위치하는 제2 메인 스포크가 몸체를 일부 공유하고,
상기 보조 스포크가 이웃하는 상기 두 메인 스포크의 근접하는 모서리들 중 타이어의 지름방향 안쪽에 위치하는 모서리 외측을 원주방향으로 연결하는 제1 보조 스포크와 외측에 위치하는 모서리 외측을 원주방향으로 연결하는 제2 보조 스포크로 이루어진 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 3에 있어서,
상기 이너링의 외주 양측에 각각 구비되어 상기 탄성 스포크의 내단부를 삽입하는 제1 체결 플랜지;
상기 아우터링의 내주 양측에 각각 구비되어 상기 탄성 스포크의 외단부를 삽입하는 제2 체결 플랜지; 및
상기 제1 체결 플랜지와 탄성 스포크 및 상기 제2 체결 플랜지와 탄성 스포크를 각각 체결하는 다수의 체결수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
- 청구항 1에 있어서,
상기 발포성 완충재는,
합성 수지; 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA); 발포제; 가교제; 금속산화물; 스테아린상아연염; 및 스테아린산을 포함하는 것을 특징으로 하는 에어리스 타이어.
Priority Applications (1)
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