KR20170002992A - 차량 연비 및 주행안정성 개선을 위해 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어 - Google Patents

차량 연비 및 주행안정성 개선을 위해 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 좋은 연비와 안정적인 주행성능을 동시에 확보하기 위해 가벼우면서도 경도 및 강성이 높은 소재를 적용하고 구조를 변경한 래디알 타이어에 관한 것이다.

Description

차량 연비 및 주행안정성 개선을 위해 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어{A RADIAL TIRE USING MATERIAL HAVING HIGH MODULUS AND HARDNESS FOR FUEL EFFICIENCY, RIDE AND HANDLING}
본 발명은 좋은 연비와 안정적인 주행성능을 동시에 확보하기 위해 가벼우면서도 경도 및 강성이 높은 소재를 적용하고 구조를 변경한 래디알 타이어에 관한 것이다.
최근 자동차 산업에서는 환경을 보호하고, 한정된 에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연비의 개선이 가장 큰 화두로 떠오르고 있다. 부품의 무게를 줄이는 것이 제일 쉬운 방법이지만, 내구성의 저하 등을 초래할 수 있으므로 양자의 균형을 맞추는 것이 중요하다.
타이어의 경우 각 구성요소를 경량화하면 연비가 개선되지만 주행안정성(승차감 및 핸들링)이 떨어질 수 있다. 따라서 좋은 연비와 안정적인 주행성능을 동시에 확보하기 위해 가벼우면서도 경도와 강성이 높은 소재를 사용한 타이어의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-0890867호는 신규한 폴리에스터 코드를 카카스로 적용하여 공기압 타이어를 제조함으로써 연비와 승차감을 향상시키고자 하였다. 또한 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0013904호는 복합 섬유를 이용하여 타이어의 캡플라이를 제조함으로써 강성을 확보하면서도 중량을 감소하여 차량의 연비를 개선하고자 하였다.
이와 같이 타이어의 소재를 개발하여 연비를 개선하고 주행안정성을 확보하려는 많은 시도가 있었으나, 타이어의 일 구성요소에 집중된 연구가 대부분이었으므로 만족할만한 효과를 얻지 못하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-0890867호 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0013904호
본 발명은 자동차의 연비와 주행안정성을 개선할 수 있는 래디알 타이어를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 아래와 같은 구성을 포함한다.
본 발명은 카카스, 캡플라이, 비드필러 및 스틸벨트를 포함하는 래디알 타이어로서, 상기 카카스는 고탄성 저수축 폴리에틸렌 테레프탈레이트(High Modulus Low Shrinkage Polyethylene terephthalate, HMLS PET)섬유이고, 상기 캡플라이는 아라미드 섬유와 나일론 섬유를 연사한 복합섬유이며, 상기 비드필러는 천연고무 100중량부 및 페놀수지 10 내지 15중량부를 포함하고, 상기 스틸벨트는 직경이 0.25 내지 0.3mm인 2가닥의 필라멘트를 꼬아 구성된 초고강도 스틸코드(Super High Tensile steel cord)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 HMLS PET 섬유는 방사속도 2500 내지 3000 ft/min, 열처리 온도 190 내지 200℃를 거친 것이고, 1000 내지 1300 데니아, 30 내지 35의 섬유 1인치당 코드수(EPI)를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 카카스는 상기 HMLS PET 섬유가 싱글 플라이(Single ply)로 적용된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 아라미드 섬유는 1000 내지 1500 데니아이고, 상기 나일론 섬유는 840 내지 1260 데니아일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 비드필러의 경도는 93 내지 96 shore A일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 스틸벨트의 1인치당 코드수(EPI)는 18 내지 20일 수 있다.
본 발명에 따른 래디얼 타이어를 사용하면 자동차의 연비와 주행안정성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 래디얼 타이어의 일 구성요소에만 초점을 맞춘 것이 아니라 전반적인 관점에서 개량한 것이므로 자동차의 연비와 주행안정성 개선 정도가 최대화된다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 바이어스 타이어를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 래디알 타이어를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다. 본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
타이어는 크게 바이어스 타이어와 래디얼 타이어로 구분할 수 있다.
바이어스 타이어는 철심, 가는 섬유 등으로 구성된 코일이 촘촘히 층을 이루고 있다. 바이어스 타이어는 도 1과 같이 상기 층들이 타이어의 옆면에서부터 트레드(Tread, 지면에 닿는 부분)까지 하나의 덩어리로 이루어져 있다. 따라서 하중이 가해지면 옆면과 트레드의 형태가 함께 일그러지므로 트레드가 지면에 고르게 붙지 않는다는 단점이 있다.
래디얼 타이어는 옆면과 트레드가 별개인 구조를 가진다. 도 2를 참조하면 옆면에는 캡플라이, 스틸벨트 등이 들어가지 않음을 알 수 있다. 따라서 하중이 가해져 옆면의 형태가 변형되더라도 트레드가 영향을 받지 않아 지면에 고르게 붙을 수 있다. 즉, 래디얼 타이어는 바이어스 타이어에 비하여 높은 주행안정성을 가진다.
도 2는 본 발명에 따른 래디얼 타이어의 구조를 간략히 도시한 것이다. 본 발명에 따른 래디얼 타이어는 트레드(50), 카카스(10), 캡플라이(20), 비드필러(30) 및 스틸벨트(40)를 포함할 수 있다.
트레드(50)는 타이어에서 직접 노면과 접하는 부분이다. 타이어의 구동력, 제동력, 선회력 등을 노면에 전하는 구성이므로 이의 성능에 따라 타이어의 특성이 크게 좌우된다. 트레드(50)는 타이어 내부의 카카스, 스틸벨트 등을 보호하므로 충격에 강해야 하고, 타이어의 수명과 직결되므로 내마모성이 좋아야 한다.
종래에 트레드를 얇게 제조하여 타이어를 경량화함으로써 연비를 개선하고자 하는 시도가 많이 있었다. 그러나 트레드의 박육화는 내마모성의 저하를 수반하므로 양자의 균형을 맞추는 것이 쉽지 않았다. 따라서 발명자는 트레드를 제외한 다른 구성요소들의 소재를 개발하여 이를 해결하고자 하였다.
발명자는 카카스(10), 캡플라이(20), 비드필러(30) 및 스틸벨트(40)에 고경도 및 고강성 소재를 적용하여 스프링 강성(종, 횡, 비틀림 방향)을 증가시킴으로써 주행안정성(승차감 및 핸들링)을 향상시켰다. 또한 고강성 및 저중량 소재를 적용하여 타이어를 경량화함으로써 연비를 개선하였다. 이하 구체적으로 설명한다.
카카스(10)는 타이어의 골격이 되는 중요한 부분이다. 카카스를 포함하기 때문에 타이어가 자동차의 하중을 버티며 형상을 유지할 수 있고, 주행 중에 가해지는 충격을 견딜 수 있다.
카카스는 일반적으로 폴리에스터(Polyester), 폴리나프탈렌 테레프탈레이트(Polynaphthalene terephthalate) 등의 합성섬유 소재가 적용된다. 그러나 본 발명에서는 고탄성 저수축 폴리에틸렌 테레프탈레이트(High Modulus Low Shrinkage Polyethylene terephthalate, 이하 'HMLS PET'라 함)를 적용하였다.
상기 HMLS PET는 2500 내지 3000 ft/min의 방사속도로 수행되는 초고속 방사 기술을 사용하여 준비될 수 있다. 상기 방사속도의 범위를 만족해야 섬유의 결정영역과 무정형영역을 연결해주는 타이 체인(Tie chain)이 충분히 형성되어 우수한 강도를 가진 HMLS PET를 얻을 수 있다. 또한 상기 HMLS PET는 190 내지 200℃에서의 열처리를 더 거침으로써 적당한 길이로 연신될 수 있다.
전술한 과정을 거친 HMLS PET는 우수한 강성을 가진다. 섬유에 하중을 가하여 15% 연신될 때까지의 강성이 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유 등의 일반 폴리에스터 섬유보다 약 10% 높다. 따라서 타이어에 하중이 가해지더라도 그 형상의 변형 정도가 심하지 않으므로 우수한 주행안정성을 확보할 수 있다.
또한 타이어의 변형 정도를 더욱 저감하여 주행안정성을 높이기 위하여, 1000 내지 1300 데니아 및 30 내지 35의 섬유 1인치당 코드수(End Per Inch, EPI)를 가진 HMLS PET를 사용할 수 있다.
상기 카카스는 HMLS PET를 제직(Weaving)하여 직물형태로 만든 것일 수 있다. 상기 HMLS PET는 고강성(High modulus) 및 저수축(Low shrinkage) 성능을 가진다. 따라서 이를 싱글 플라이(Single ply) 즉, 외겹으로 하여 카카스에 적용해도 타이어가 자동차의 하중을 버티며 형상을 유지할 수 있고, 주행 중에 가해지는 충격을 견딜 수 있다. 따라서 상기 카카스의 중량이 감소하고, 이에 따라 타이어가 경량화되며 자동차의 연비가 개선된다.
캡플라이(20)는 스틸벨트가 주행 중 벗겨지는 것을 방지하기 위해 스틸벨트를 고정하는 구성이다. 스틸벨트는 다른 구성과 비교하여 비중이 높기 때문에 바퀴의 회전에 따른 원심력을 많이 받는다. 따라서 상기 스틸벨트를 단단히 고정하지 않으면, 주행 중 벗겨져서 타이어가 파손될 수 있다.
상기 캡플라이로는 아라미드(Aramid) 섬유와 나일론(Nylon) 섬유를 연사(Twisting)한 복합섬유를 적용할 수 있다.
아라미드 섬유는 우수한 구조 안정성과 높은 강성을 가지지만 접착력이 좋지 않기 때문에 스틸벨트를 고정하는데 어려움이 있을 수 있다. 따라서 접착력이 강한 나일론 섬유를 아라미드 섬유와 연사하여 사용하는 것이 바람직하다.
상기 아라미드 섬유는 1000 내지 1500 데니아, 상기 나일론 섬유는 840 내지 1260 데니아인 것을 사용할 수 있다. 상기 범위를 만족해야 아라미드 섬유의 강성과 나일론 섬유의 접착력을 모두 확보할 수 있다.
상기 복합섬유는 강성과 접착력이 모두 우수하기 때문에, 상기 캡플라이에 싱글 플라이(Single ply)로 적용하여도 스틸벨트를 단단히 고정할 수 있어 좋은 주행안정성을 확보할 수 있다. 이에 따라 상기 캡플라이의 중량을 낮출 수 있어 타이어를 경량화할 수 있다.
비드필러(30)는 타이어를 자동차의 림에 결합하는 부분이다. 상기 비드필러가 림에 일정한 조임을 주기 때문에 주행 중 타이어의 공기압이 감소되어도 타이어가 림에서 빠지지 않을 수 있다.
종래에는 비드필러의 강성을 높이기 위하여 천연고무에 카본블랙을 높은 함량으로 충진하였다. 그러나 강성의 상승폭에 비하여 중량의 증가폭이 훨씬 크다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 비드필러로 천연고무 100 중량부 및 페놀수지 10 내지 15 중량부를 혼합한 조성물을 사용하였는바, 이 때 상기 비드필러는 93 내지 96 shore A의 경도를 가진다. 상기 페놀수지의 함량이 15 중량부를 넘어가면 탄성이 감소하여 주행안정성이 떨어질 수 있다.
상기 비드필러는 카본블랙 20 내지 25 중량부를 더 포함할 수 있다.
상기 비드필러는 우수한 경도를 가지고 있기 때문에 타이어 옆면의 강성이 보강되어 주행안정성이 높아진다. 또한 종래의 비드필러와 비교하여 중량이 낮기 때문에 자동차의 연비도 개선된다.
스틸벨트(40)는 카카스와 트레드 사이에 삽입되는 구성으로, 주행시 외부로부터의 충격을 완화하고 트레드의 갈라짐을 방지한다. 또한 지면에 닿는 트레드의 부위를 넓게 하여 주행안정성을 높인다.
종래에는 스틸벨트로 직경이 0.3mm인 3가닥의 필라멘트를 꼬아 구성된 고강도 스틸코드(High Tensile steel cord)를 사용하였다.
본 발명은 상기 스틸벨트로 직경이 0.25 내지 0.3mm인 2가닥의 필라멘트를 꼬아 구성된 초고강도 스틸코드(Super High Tensile steel cord)를 적용한다. 소재 자체의 특성으로써 강도가 높은 것을 사용하기 때문에 필라멘트의 가닥수를 줄여도 강성을 유지할 수 있다.
상기 스틸벨트는 초고강도 스틸코드의 1인치당 코드수(EPI)를 18 내지 20으로 하여 강성을 더 높일 수 있다.
상기 스틸벨트로 강성이 높은 소재를 사용하여 트레드의 접지면을 넓게 유지할 수 있으므로 주행안정성을 개선할 수 있다. 또한 상기 스틸벨트는 종래의 스틸벨트와 비교하여 스틸코드의 가닥수가 적기 때문에 가벼워 자동차의 연비를 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예 1 내지 3
이하의 표 1과 같은 소재 및 구조를 가진 래디알 타이어를 제조하였다.
구성요소 실시예 비교예1 비교예2 비교예3
카카스 소재 HMLS PET HMLS PET HMLS PET HMLS PET
구조 1000 데니아,
35 EPI		 1300 데니아,
30 EPI		 1300 데니아,
30 EPI		 1000 데니아,
35 EPI
캡플라이 소재 혼합섬유
(아라미드+나일론)		 나일론 나일론 혼합섬유
(아라미드+나일론)
구조 아라미드 1500d
나일론 1260d		 840d 840d 아라미드 1500d
나일론 1260d
비드필러 소재 천연고무,
페놀 10중량부
경도 95		 천연고무
경도 77		 천연고무,
페놀 15중량부
경도 95		 천연고무
경도 77
구조 비드필러높이
50mm		 비드필러높이
40mm		 비드필러높이
50mm		 비드필러높이
40mm
스틸벨트 소재 SHT steel cord HT steel cord HT steel cord SHT steel cord
구조 2×0.3mm
20 EPI		 3×0.3mm
18 EPI		 2×0.3mm
20 EPI		 3×0.3mm
18 EPI
측정예
상기 실시예 및 비교예 1 내지 3에서 제조한 래디알 타이어의 단품 및 실차평가를 하였다. 그 결과는 이하의 표 2와 같다.
단품 구름저항 평가는 ISO28580 시험법에 따랐다.
Dry 제동거리 평가는 NCAP 제동평가 시험법에 따랐다.
스프링 특성(종, 횡, 비틀림 강성) 평가는 타이어 특성시험기 (Flat-trac 3)를 이용하여 하중 100%, 공기압 33psi, 속도 100km의 시험조건에서 수행하였다.
항목 실시예 비교예1 비교예2 비교예3
타이어중량(kg)
낮을수록 좋음		 10.0 10.2 10.99 10.32
구름저항 계(RRc) 8.4 8.5 9.1 8.6
Dry 제동거리(m) 45.8 46.0 46.4 46.3
종강성(kgf/mm)

높을수록 좋음		 28.71 26.77 28.45 27.14
횡강성(kgf/mm) 18.67 16.87 17.95 16.24
비틀림강성
(kgf·cm/deg)		 772 561 724 549
주행안정성 승차감 7+ 7 7- 7-
핸들링 7+ 7 7- 7-
본 발명에 따른 카카스, 캡플라이, 비드필러 및 스틸벨트의 소재 및 구조를 만족하는 실시예가 비교예 1 내지 3에 비하여 모든 항목에서 우수한 측정치를 나타냈음을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 래디알 타이어를 사용하면, 자동차의 연비와 주행안정성을 개선할 수 있는 효과가 있다.
이상으로 본 발명에 대해 상세히 설명하였다. 다만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에 의해 정해진다.
10 : 카카스
20 : 캡플라이
30 : 비드필러
40 : 스틸벨트
50 : 트레드부

Claims (6)

  1. 카카스, 캡플라이, 비드필러 및 스틸벨트를 포함하는 래디알 타이어에 있어서,
    상기 카카스는 고탄성 저수축 폴리에틸렌 테레프탈레이트(High Modulus Low Shrinkage Polyethylene terephthalate, HMLS PET)섬유이고,
    상기 캡플라이는 아라미드 섬유와 나일론 섬유를 연사한 복합섬유이며,
    상기 비드필러는 천연고무 100중량부 및 페놀수지 10 내지 15중량부를 포함하고,
    상기 스틸벨트는 직경이 0.25 내지 0.3mm인 2가닥의 필라멘트를 꼬아 구성된 초고강도 스틸코드(Super High Tensile steel cord)인 것을 특징으로 하는 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 HMLS PET 섬유는
    방사속도 2500 내지 3000 ft/min, 열처리 온도 190 내지 200℃를 거친 것이고,
    1000 내지 1300 데니아, 30 내지 35의 섬유 1인치당 코드수(EPI)를 가지는 래디알 타이어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 카카스는 상기 HMLS PET 섬유가 싱글 플라이(Single ply)로 적용된 것인 래디알 타이어.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아라미드 섬유는 1000 내지 1500 데니아이고,
    상기 나일론 섬유는 840 내지 1260 데니아인 래디알 타이어.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비드필러의 경도는 93 내지 96 shore A인 래디알 타이어.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스틸벨트의 1인치당 코드수(EPI)는 18 내지 20인 래디알 타이어.
KR1020150093025A 2015-06-30 2015-06-30 차량 연비 및 주행안정성 개선을 위해 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어 KR20170002992A (ko)

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KR1020150093025A KR20170002992A (ko) 2015-06-30 2015-06-30 차량 연비 및 주행안정성 개선을 위해 고경도 고강성 소재를 적용한 래디알 타이어

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EP4006217A1 (de) * 2020-11-25 2022-06-01 Continental Reifen Deutschland GmbH Gummierter festigkeitsträger für elastomere erzeugnisse, insbesondere fahrzeugreifen, wobei der festigkeitsträger wenigstens ein erstes garn aufweist, verfahren zur herstellung des gummierten festigkeitsträgers und fahrzeugreifen aufweisend wenigstens einen gummierten festigkeitsträger
KR20220130477A (ko) * 2021-03-18 2022-09-27 한국타이어앤테크놀로지 주식회사 래디얼 타이어
KR20240027365A (ko) 2022-08-23 2024-03-04 넥센타이어 주식회사 저중량 카카스를 적용한 공기입 타이어

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