KR19990080231A - 불규칙 마모를 제어한 타이어의 트레드 패턴 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설계된 타이어 트레드 패턴의 트레드 블록의 마모 정도를 미리 예측하여 트레드 블록의 불규칙 마모를 제어할 수 있는 트레드 패턴에 관한 것으로써, 임의의 트레드 블록을 완전히 포함할 수 있는 직사각형의 틀(CONVEX HULL)을 만들고, 이 직사각형을 피치내의 가장 작은 사이프(SIPE) 즉, 트레드 상에 형성된 가장 작은 홈의 폭보다 작거나 같은 길이를 갖도록 가로 세로로 1㎜간격으로 나누어서 여기서 구해진 격자점들이 초기에 설계된 트레드 블록과 비교하여 트레드 블록을 포함하는지의 여부를 판별한 다음, 포함 관계를 갖는 격자점들을 기준으로 하여 트레드 블록 내에서 정의되는 중심점 'A'와 'B'로부터 트레드 블록 내의 격자점을 구성하는 직선들과의 거리 'Ad'와 Bd'를 검사하여 상기 중심점으로부터 가까울수록 강성이 큰 부위로 계산하여 모니터의 색깔 표상에서 더 옅은 색으로 나타나게 하고, 중심점으로부터 멀어질수록 즉, 트레드 블록의 모서리에 가까울수록 강성이 약해 마모에 불리한 것으로 계산하여 모니터의 색깔 표상에서 더 짙은 색으로 나타나게 하여 설계된 트레드 패턴의 트레드 블록의 마모 정도를 미리 예측하도록 한다.

Description

불규칙 마모를 제어한 타이어의 트레드 패턴

타이어의 트레드 패턴 형상 변화에 의한 편마모 제어 기술은 종래에는 블록의 형상을 바꾼다거나 트레드 폭 방향으로의 리브 그루브를 트레드 접지면상에 접지압이 균일하도록 배치하는 기술이 사용되어져 왔는데, 특히 쇼울더부와 크라운부의 블록의 비율을 정의한다거나 그루브의 깊이나 폭을 조정하여 이러한 패턴에 의해 마모를 제어하는 기술을 사용해왔다.

그런데, 타이어의 트레드 패턴은 복잡하고 다양한 형태로 만들어지고 있으며, 이는 트레드 패턴 형상이 타이어의 성능 측면에서 많은 기여도를 가지고 있기 때문인데, 이러한 측면에서 종래의 실험적인 방법에 의해 패턴의 형상을 제어하는 방법은 실제와 큰 오차를 범할 수 있어서, 보다 효과적인 방법으로 트레드 패턴 블록의 강성을 제어하여 정상적인 마모를 유추하면서 패턴의 형상을 제어할 수 있는 방법이 필요하였다. 따라서 종래의 기술들은 단지 이미지만을 고려해 선정된 트레드 패턴 블록의 강성만을 계산해 주는 역할을 담당했을 뿐, 설계 변경에 거의 영향을 주지 못했으며 타이어 개발기간 단축에도 크게 기여하지 못했다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 발명한 것으로써, 상기한 바와 같이 타이어의 마모 문제가 대두되면서 타이어의 구조뿐만 아니라 타이어의 트레드 블록이 설계 당시 어느 정도의 강성을 지니고 있는지를 파악하여 타이어의 초기 트레드 패턴 설계부터 마모를 대비할 필요가 있게 되었다.

타이어는 일반적인 재료역학에서 다루는 강체로 가정할 수 없는 재료이므로 고무에 힘을 가하였을 때, 굽힘 응력과 동시에 강하게 전단 응력이 발생하여 재료 역학적인 일반식을 적용하기 곤란한데, 타이어가 하중을 받으면서 접지 되는 트레드 부위에 발생하는 굽힘 운동은 F = -kx, k = -F/x의 관계를 가지며 이는 수직 방향의 스프링 상수에 대응되고, 도 1에 도시한 바와 같이 굽힘력이 발생하는 트레드부의 블록을 단위 질량 m 이라고 하면 m은 원심력( mv²/r)을 받게 되며, 이때 r은 타이어 굽힘력의 함수가 되어 굽힘력이 크면 반경 r이 커지게 되고 굽힘력이 적어지면 반경은 작아지게 된다.

이러한 굽힘력을 받는 부위의 패턴 블록은 수축과 팽창을 하게 되며, 도 2에 도시한 바와 같이 이는 수직방향의 굽힘력 뿐만 아니라 견인력과 측력이 작용하는 평면 굽힘 운동을 하게 되고, 따라서 트레드부 각각의 블록은 강성이 크고 작음에 따라 마모의 정도가 다르게 되며, 특히 블록의 모서리 부분은 굽힘 운동량에 의한 변형이 크므로 마모에 약하게 된다.

그래서 본 발명에서는 고무에 힘을 가하였을 때 발생하는 변형량은 선형적으로 증감한다라는 가정과 트레드 블록의 높이는 동일 피치 내에서 일정하다는 가정으로부터 출발하는데, 트레드 블록의 강성을 비교 예측하기 위해 도 3에 도시한 바와 같이 우선 임의의 트레드 블록을 완전히 포함할 수 있는 직사각형의 틀(CONVEX HULL)을 만들고, 이 직사각형을 피치내의 가장 작은 사이프(SIPE) 즉, 트레드 상에 형성된 가장 작은 홈의 폭보다 작거나 같은 길이를 갖도록 가로 세로로 1㎜간격으로 나누어서 여기서 구해진 격자점들이 초기에 설계된 트레드 블록과 비교하여 트레드 블록을 포함하는지의 여부를 판별한 다음, 포함 관계를 갖는 격자점들을 기준으로 하여 트레드 블록 내에서 정의되는 중심점 'A'와 'B'로부터 트레드 블록 내의 격자점을 구성하는 직선들과의 거리 'Ad'와 Bd'를 검사하여 상기 중심점으로부터 가까울수록 강성이 큰 부위로 계산하고, 중심점으로부터 멀어질수록 즉, 트레드 블록의 모서리에 가까울수록 강성이 약해 마모에 불리한 것으로 계산한다.

도 3상의 Ymin과 Ymax는 트레드 단위 피치에서의 트레드 블록의 원주방향의 길이를 정의한 것이며, Xmin과 Xmax는 트레드 단위 피치에서의 트레드 블록의 폭방향의 길이를 정의한 것이다.

도 1은 타이어 트레드부의 굽힘 운동이 발생하는 부분의 개략도,

도 2는 블록에서의 평면 굽힘 운동을 나타내는 상태도,

도 3은 트레드 블록의 강성을 계산하기 위한 요소 모델의 상태도,

도 4는 트레드 블록의 강성을 계산하는 과정의 흐름도,

도 5는 본 발명에 따른 트레드 블록의 내용을 검증하기 위해 모니터 상에 나타낸 모델 타이어의 트레드 블록의 개략적인 평면도,

도 6은 모델 타이어에 대한 마모 정도를 실제 차에 적용하여 시험한 결과의 그래프,

도 7은 트레드 부위별 크기 비율을 나타낸 개략적인 평면도,

도 8은 단위 블록 내의 횡 방향, 원주 방향 비율을 나타낸 개략적 평면도.

이하, 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서의 트레드 블록의 강성을 계산하는 일련의 과정을 도 4에 도시한 바와 같이 세부적으로 나타내면, 첫 번째는 직사각형 틀의 격자화로서 타이어의 트레드 패턴이 설계되면 상기 패턴을 구성하고 있으면서 전체 트레드 블록을 포함하고 있는 직사각형의 틀을 정의하는 (Xmin, Ymin), (Xmax, Ymax)을 구하고, 이 직사각형 틀 내부를 피치내의 가장 작은 사이프의 폭보다 작거나 같은 길이를 갖도록 가로 세로로 1mm 간격으로 나누어 격자점을 구성한 후, 이 격자점들을 설계된 트레드 블록과 비교하여 트레드 블록 내에 포함되는 격자점을 정한다.

두 번째는 거리검사로서 이렇게 격자점들을 포함하여 구해진 트레드 블록 내의 중심점을 정하고 상기 중심점에서부터 트레드 블록 내에서 1㎜간격으로 나뉘어진 직선들과의 거리 검사를 한다.

세 번째는 출력과정으로서 상기한 거리 검사를 통해 블록 내부의 중심에서 멀어질수록 강성이 약해진다는 가정하에 블록의 경계면에 가까워질수록 짙은 색으로 나타나도록 18단계로 나누어 계산된 색깔 표에 맞게 모니터 상으로 출력하는 과정을 거친다.

이러한 단계의 검사를 통해 트레드 패턴의 쇼울더부와 센터부의 블록이 각각 균등하게 만족할 만한 색깔 분포를 가지면 이는 균일한 마모 양상에 대응되는 것이며, 그렇지 않는 경우는 트레드 패턴을 수정해가며 전 과정을 다시 거치면서 만족할 만한 균등한 색깔 분포를 가질 때까지 반복된다.

이상과 같은 목적과 구성에 의해 이루어진 본 발명의 불규칙 마모를 제어한 트레드 패턴에 대한 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 바와 같이 트레드 블록의 마모정도를 미리 예측하는 본 발명의 타당성을 검증하기 위해 도 5에 도시한 바와 같이 모델 타이어(A, B, C, D)를 만들고 실제 차에 적용한 시험을 이용하여 검증하였다. 도 5에 도시한 바와 같이 A는 쇼울더 블록과 크라운부의 비율을 1:1.1, B는 쇼울더 블록과 크라운부의 비율을 2:1, C는 쇼울더 블록과 크라운부의 비율을 1.2:1, D는 쇼울더 블록과 크라운부의 비율을 1:1.3으로 설정하여 모델 타이어 A, B, C, D 각 패턴의 그루브 깊이를 동일하게 8mm로 하고 수제작한 타이어를 이용하여 검증하였다.

도 5의 A, B, C, D에서 모델 타이어의 검증을 위해 중형 승용차에 모델 타이어를 취부하여 초기 측정치와 각 주행거리별로 마모의 정도를 측정한 결과를 도 6에 도시하였는데, 차량의 주행거리는 4단계로 0 Km/h, 4000 Km/h, 8000 Km/h, 12000 Km/h에서의 트레드 마모 정도를 측정하여 도 5의 모델 타이어의 계산결과와 비교하였고, 여기에서 X축은 트레드 센터에서 좌·우로 기준으로 한 트레드 접지 폭을 의미하며, Y축은 각 주행 거리별로 마모된 양상 즉, 그루브 깊이의 변화를 나타낸 것이다.

계산한 결과와 모델 타이어의 마모 시험 결과는 잘 일치했고, 특히 차량의 후륜과 일치하는 경향이 높았으며, 모델 타이어의 검증 결과 마모에 유리한 패턴 형상에 대해 트레드 폭방향의 블록 배치 비율은 각각의 단위 블록의 폭방향 및 원주방향의 적정 비율이 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

도 7에 도시한 바와 같이 모델 타이어를 이용한 타이어의 트레드 폭 상에 쇼울더부, 크라운부, 센터부별 블록 크기의 비율은 1:1:1로 균일하거나 쇼울더부가 다른 부위에 비해 상대적으로 1∼1.2 의 큰 범위에 있는 것이 마모의 특성에 유리했고, 도 8에서는 하나의 블록에서 마모 특성에 적합한 비율은 횡방향과 폭방향의 비율이 각각 1:1.3과 1.3:1의 범위 내에 있는 것이 마모에 유리한 특성을 나타내었다.

따라서 본 발명은 타이어의 표면을 구성하는 트레드 패턴의 초기 개념 설계 단계부터 마모를 고려하여 트레드 패턴을 설계하게 됨으로써 트레드 블록의 마모 성능을 미리 예측하여 최적의 마모조건을 선택한 트레드 패턴을 설계하기 때문에 타이어의 마모성능을 최대한 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 설계된 타이어 트레드 패턴 내의 트레드 블록의 마모정도를 예측하는 방법에 있어서,

   타이어의 트레드 패턴이 설계되면 상기 패턴을 구성하고 있으면서 전체 트레드 블록을 포함하고 있는 직사각형의 틀을 정의하는 (Xmin, Ymin), (Xmax, Ymax)를 구하고, 이 직사각형 틀 내부를 피치내의 가장 작은 사이프의 폭보다 작거나 같은 길이를 갖도록 가로 세로로 1mm 간격으로 나누어 격자점을 구성한 후, 이 격자점들을 설계된 트레드 블록과 비교하여 트레드 블록 내에 포함되는 격자점을 정하는 직사각형 틀의 격자화 단계와;

   이렇게 격자점들을 포함하여 구해진 트레드 블록 내의 중심점을 정하고 상기 중심점에서부터 트레드 블록 내에서 1㎜간격으로 나뉘어진 직선들과의 거리 검사를 하는 거리검사 단계와;

   상기한 거리 검사를 통해 블록 내부의 중심에서 멀어질수록 강성이 약해진다는 가정하에 블록의 경계면에 가까워질수록 짙은 색으로 나타나도록 18단계로 나누어 계산된 색깔 표에 맞게 출력하는 과정을 거치는 출력 단계를 거쳐 마모 정도를 예측하는 것을 특징으로 하는 불규칙 마모를 제어한 타이어의 트레드 패턴.
2. 타이어의 트레드 폭 상에 쇼울더부와 크라운부의 블록 크기의 비율은 1:1:1로 균일하게 구성하거나 쇼울더부의 블록이 다른 부위의 블록에 비해 1∼1.2의 큰 범위에 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 불규칙 마모를 제어한 타이어의 트레드 패턴.
3. 단일의 트레드 블록에서 횡 방향과 폭 방향의 비율이 각각 1:1.3이거나 또는 1.3:1의 범위 내에 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 불규칙 마모를 제어한 타이어의 트레드 패턴.