KR20200109168A - 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치 - Google Patents

타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치 Download PDF

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Abstract

타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성을 측정하여 트레드 패턴블록의 기본 문양에 내재된 물리적 특성을 평가하여 타이어 성능개선에 활용할 수 있도록 한 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치에 관한 것으로서, 마찰력을 발생시키는 노면을 제공하는 시험용 노면, 트레드 패턴블록의 시편을 장착하는 지그부, 지그부를 동작시켜 상기 시편을 회전시키고 하중을 인가하는 시편 구동부, 시편 구동부에 의해 상기 시험용 노면과 접촉되어 회전하는 패턴블록 시편의 강성을 측정하는 강성 측정부, 시편 구동부의 동작을 제어하는 계측 제어부 및 강성 측정부에서 측정한 패턴블록 시편의 강성 측정값을 기초로 연산을 통해 이방성을 연산하는 이방성 연산부를 포함하여, 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치를 구현한다.

Description

타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치{Stiffness anisotropy measuring device for tire tread pattern block}
본 발명은 타이어 트레드(tire tread) 패턴블록(pattern block) 강성의 이방성 측정장치에 관한 것으로, 특히 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성을 측정하여 트레드 패턴블록의 기본 문양에 내재된 물리적 특성을 평가하여 타이어 성능개선에 활용할 수 있도록 한 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 타이어 트레드(접지면)는 도로에 닿는 모든 타이어의 최상단 부분이며, 주행거리, 견인력, 저소음 및 열 발생에 관여한다.
트레드 패턴은 도로상의 그립을 향상시키기 위해 트레드에 설계된 패턴블록, 배수를 위한 홈, 제동구동력 확보를 위한 양각의 문양, 파이프 및 채널의 배열로 이루어진다.
특히, 타이어 트레드 문양의 강성(stiffness)은 노면에 접지하여 자동차 및 타이어의 여러 가지 성능을 결정하게 된다. 따라서 패턴블록 모양과 차량의 성능과의 관계를 규명하기 위해서는 접지면 무늬의 모양에 내재된 여러 가지 물리적 특성을 규정짓고 그것을 측정하는 것이 필요하다.
타이어 트레드 패턴블록의 형상은 타이어의 용도에 따라 매우 다양한 모양으로 설계된다. 차량의 용도 즉, 승용, 경트럭용, 트럭, 버스용으로 나뉘고, 계절에 따라 여름철용, 겨울철용, 사계절용으로 나뉘고, 기능에 따라 마모, 소음, 연비, 승차감, 조종안정성 등으로 나뉘는데, 이들 용도와 요구기능에 따라 매우 다양한 형상으로 설계되므로 일반적으로 패턴블록의 기본 문양은 비대칭 형상을 하고 있다. 이 기본문양이 타이어의 횡 방향과 종 방향으로 펼쳐져서 접지면 전체 트레드 패턴 문양을 이루고 있다.
이들 패턴 문양은 심미적 디자인 관점에서 설계되어 왔으나, 노면에 접촉하여 자동차 주행성능에 직접적으로 영향을 미치는 패턴블록에 내재된 물리적 특성을 평가할 필요가 있다.
패턴블록의 거동을 계산하는 방법으로서, 하기의 <비 특허문헌 1> 에 유한요소법이라는 공학적 수단과 컴퓨터를 이용하는 방법이 있다.
여기서 유한요소법은 연속체인 구조물을 1차원인 막대, 2차원인 삼각형이나 사각형, 3차원인 중실체(사면체, 6면체)의 유한 개의 요소로 분할하여 각각의 영역에 관하여 에너지원리를 기초로 하는 근사해법에 기인하여 계산을 하는 수치계산방법이다. 유한요소법은 구조해석을 중심으로 하여 가장 많이 사용되는 방법으로, 복잡한 형상의 응력해석 등을 위해 개발된 방법이다. 방대한 매트릭스 연산을 하는 것이므로 고성능의 컴퓨터가 필요하다.
또한, 타이어 트레드 패턴을 분석하는 방법으로서, 하기의 <특허문헌 1> 에 타이어 트레드 패턴 강성 분석방법이 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 타이어 트레드 패턴 강성 분석방법은 타이어를 전산 모델링하는 단계, 내압과 하중을 부여하여 타이어 트레드패턴부의 접지형상을 구하는 단계, 상기 내압과 하중에 의해 변형된 타이어의 형상과 타이어 내부의 물질상태(material state)를 초기화하는 단계, 트레드 패턴부를 제외한 다른 부재를 강체(rigid body)로 재설정하는 단계, 강체화된 부분 외의 상기 트레드 패턴부의 회전, 이동(translation)에 따른 강성을 계산하는 단계를 포함한다. 이러한 구성을 통해 타이어 트레드 패턴의 강성을 분석한다.
대한민국 공개특허 10-2013-0031977(2013.04.01. 공개)(타이어 트레드패턴 강성 분석방법)
K. Sridhaaran and R. Sivaramakrisnan: "Dynamic behavior of tread block", American Journal of Engineering and Applied Sciences, 2012, 5(2), 119-127
그러나 상기와 같은 <특허문헌 1> 로 언급한 종래기술은 트레드 패턴의 강성을 분석하는 것은 가능하나, 패턴블록 모양과 차량의 성능과의 관계분석이 이루어지지 않아, 타이어 성능개선에 활용할 수 없는 단점이 있다.
또한, <비 특허문헌 1> 로 언급한 종래기술은 유한요소법이라는 공학적 수단과 컴퓨터를 이용하여 패턴블록의 거동을 확인하는 것은 가능하나, 패턴블록의 형상에 내재된 물리적 특성을 직접적으로 측정하는 방식이 아니고 수학식에 의한 모델링을 통해 패턴블록의 거동을 확인하는 방식이므로, 정확성이 결여되는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술들에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성을 직접적으로 측정하여 트레드 패턴블록의 기본 문양에 내재된 물리적 특성을 평가할 수 있도록 함으로써, 타이어 성능개선을 도모할 수 있도록 한 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 트레드 무늬의 모양에 내재된 여러 가지 물리적 특성을 규정짓고 그것을 측정하여 타이어 트레드 패턴블록 모양과 차량의 성능과의 연관 관계를 규명할 수 있도록 한 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치"는, 마찰력을 발생시키는 노면을 제공하는 시험용 노면; 트레드 패턴블록의 시편을 장착하는 지그부; 상기 지그부를 동작시켜 상기 시편을 회전시키고 하중을 인가하는 시편 구동부; 상기 시편 구동부에 의해 상기 시험용 노면과 접촉되어 회전하는 패턴블록 시편의 강성을 측정하는 강성 측정부; 상기 시편 구동부의 동작을 제어하는 계측 제어부; 상기 강성 측정부에서 측정한 패턴블록 시편의 강성 측정값을 기초로 연산을 통해 이방성을 연산하는 이방성 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 "타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치"는, 상기 이방성 연산부에서 연산된 이방성 연산결과를 화면에 표시해주는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 시험용 노면은 서로 상이한 거칠기를 구비한 노면으로서, 표준 노면, 콘크리트 노면, 아스팔트 노면 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 노면은 마른 노면, 빗길노면, 빙판, 눈길 노면의 상태 중 어느 하나의 상태와 동일한 노면 상태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기에서 시편 구동부는 상기 패턴블록의 시편을 360° 회전시켜 패턴블록 시편이 실제 노면과 직접적으로 마찰하는 것과 동일한 접촉력을 유발시키는 것을 특징으로 한다.
상기에서 이방성 연산부는 상기 강성 측정부에서 측정한 강성 측정값을 푸리에 변환을 하고, 상기 푸리에 변환된 결과로부터 1차 하모니 성분을 블록패턴 강성의 이방성 정보로 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 블록패턴 강성의 이방성(Block Stiffness)은 아래와 같은 수식을 정의하는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
여기서 Shear Disp.(Displacement) X는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편의 변위를 나타내고, Shear Force F는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편에 작용하는 힘을 나타낸다.
본 발명에 따르면 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성을 직접적으로 측정하여 트레드 패턴블록의 기본 문양에 내재된 물리적 특성을 평가할 수 있도록 함으로써, 타이어 성능개선을 도모할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 트레드 무늬의 모양에 내재된 여러 가지 물리적 특성을 규정짓고 그것을 측정하여 타이어 트레드 패턴블록 모양과 차량의 성능과의 연관 관계를 규명할 수 있도록 도모해주는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 적용된 타이어 트레드 패턴의 예시도,
도 3은 본 발명에서 타이어 트레드 패턴블록 강성의 설명 그래프,
도 4는 본 발명을 이용하여 트레드 패턴블록 강성 측정값으로부터 이방성 추출 예시도,
도 5는 본 발명에서 트레드 패턴블록 강성 설명 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치의 구성도로서, 마찰력을 발생시키는 노면을 제공하는 시험용 노면(10), 트레드의 패턴블록 시편(20)을 장착하는 지그부(30)를 포함한다.
여기서 시험용 노면(10)은 서로 상이한 거칠기(Smooth Sueface, Medium Surface, Rough Surface)를 구비한 노면으로서, 표준 노면, 콘크리트 노면, 아스팔트 노면 중 적어도 어느 하나 이상을 포함한다. 아울러 노면은 마른 노면(Dry Surface), 빗길노면(Wet Surface), 빙판(Ice Surface), 눈길 노면(Snow Surface)의 상태 중 어느 하나의 상태와 동일한 노면 상태를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치는 상기 지그부(30)를 동작시켜 상기 패턴블록 시편(20)을 회전시키고 하중을 인가하는 시편 구동부(50)를 포함한다. 이러한 시편 구동부(50)는 상기 패턴블록 시편(20)을 360° 회전시켜 패턴블록 시편(20)이 실제 노면과 직접적으로 마찰하는 것과 동일한 접촉력을 유발시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치는 상기 시편 구동부(50)에 의해 상기 시험용 노면(10)과 접촉되어 회전하는 패턴블록 시편(20)의 강성을 측정하는 강성 측정부(40), 상기 시편 구동부(50)의 동작을 제어하는 계측 제어부(60)를 포함한다.
상기 강성 측정부(40)에서 측정한 패턴블록 시편(20)의 강성 측정값을 기초로 연산을 통해 이방성을 연산하는 이방성 연산부(70), 상기 이방성 연산부(70)에서 연산된 이방성 연산결과를 화면에 표시해주는 표시부(80)를 더 포함할 수 있다.
여기서 이방성 연산부(70)는 상기 강성 측정부(40)에서 측정한 강성 측정값을 푸리에 변환(Fourier Transform)을 하고, 상기 푸리에 변환된 결과로부터 1차 하모니 성분(Harmonic of measured data)을 블록패턴 강성의 이방성 정보로 추출한다.
상기 블록패턴 강성의 이방성(Block Stiffness)은 아래와 같은 수식을 정의할 수 있다.
Figure pat00002
여기서 Shear Disp.(Displacement) X는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편의 변위를 나타내고, Shear Force F는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편에 작용하는 힘을 나타낸다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 시험용 노면(10) 상에 지그부(30)를 통해 측정용 블록패턴 시편(20)을 올려놓고, 계측 제어부(60)의 제어에 따라 시편 구동부(50)를 동작시켜 실체 주행 상황을 모사한다. 이때, 계측 제어부(60)는 상기 시편 구동부(50)에 하중(Lv)을 인가하여 상기 지그부(30)에 적절한 하중(시험을 위해 미리 설정된 하중)을 인가하도록 하여, 노면의 진행방향으로의 변위를 줌으로써 블록 강성을 구하는 데이터를 확보할 수 있도록 한다. 블록패턴 시편(20)은 일정 각도 단위로 시편을 회전시켜가면서 각각의 회전각도에서의 블록 강성 정보, 즉 수직부하상태에서의 진행방향 변위 X(Dx)와 수직부하상태에서의 작용력 F(Fx)를 취득한다. 이렇게 하여 블록패턴 시편(20)의 모든 방향(360°)에서 강성정보를 취득한다. 이를 위해 시편 구동부(50)는 하중 인가 로드와 회전을 위한 모터 등을 구비할 수 있다.
시험용 노면(10)은 서로 상이한 거칠기를 구비한 노면으로서, 표준 노면, 콘크리트 노면, 아스팔트 노면 등을 이용할 수 있다. 동일한 블록패턴 시편(20)을 상기 표준 노면, 콘크리트 노면, 아스팔트 노면에 접촉시켜 블록패턴 시편(20)이 다양한 노면을 주행할 수 있도록 하여 실제 주행 환경을 구현한다.
아울러 노면도 마른 노면, 빗길노면, 빙판, 눈길 노면의 상태를 갖도록 구현하여, 실제 도로 환경과 동일한 시험 환경을 구현한다.
시험용 블록패턴 시편(20)에 하중이 인가된 상태에서 회전을 하면, 강성 측정부(40)에서 패턴블록 강성을 측정한다.
여기서 강성 측정부(40)는 브리지 회로로 구성된 로드 셀을 이용하여 작용력(Fx)을 측정하고, 동시에 측정된 노면의 변위(Dx)와 결합하여 강성을 측정한다.
타이어 패턴은 도 2에 도시한 바와 같이, 기본 문양인 평행사변형 모양의 패턴블록이 복수로 결합된 형태이다.
트레드 패턴블록 강성의 이방성을 측정하기 위해, 단위 블록에 내재된 모든 방향(360°)으로의 강성을 규정하기 위해, 블록패턴 시편(20)을 작은 각도 단위로 회전시켜가면서 강성을 측정한다. 시편을 회전시키면서 강성을 측정하는 도중에 시편이 측정 초기 위치로 오면 모든 방향 즉, 360° 방향의 블록 강성 정보가 취득된 것으로 판단한다.
도 3은 이렇게 측정된 블록 강성을 정의하는 그래프이다.
이렇게 실시간으로 측정되는 타이어 트레드 패턴블록의 강성 측정값은 이방성 연산부(70)에 전달된다.
이방성 연산부(70)는 강성 측정값을 기초로 연산을 통해 이방성을 연산한다.
예컨대, 이방성 연산부(70)는 상기 강성 측정부(40)에서 측정한 강성 측정값을 0°~ 360°까지 펼친 다음, 푸리에 변환(Fourier Transform)을 하고, 상기 푸리에 변환된 결과로부터 1차 하모니 성분(1st Harmonic of measured data)을 블록패턴 강성의 이방성 정보로 추출한다.
실제 타이어 접지면을 구성하는 기본문양이 모두 형상의 이방성을 띄고 있어서, 블록 강성도 이방성을 갖는다는 전제하에 블록패턴에 내재된 물리적 특성을 블록패턴 강성의 이방성이라고 명명하였다.
도 4는 측정한 블록패턴 강성 측정값을 이용하여 블록 강성의 이방성을 연산하는 실시 예이다.
도 4에서 검색은 곡선으로 표시된 것이 실제 시험장치를 통해 실측한 패턴블록 강성 측정값이고, 붉은색의 곡선이 이방성 연산 결과이다.
이어, 표시부(80)는 상기 이방성 연산부(70)에서 연산된 이방성 연산결과를 화면에 표시해준다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
10: 시험용 노면
20: 블록패턴 시편
30: 지그부
40: 강성 측정부
50: 시편 구동부
60: 계측 제어부
70: 이방성 연산부
80: 표시부

Claims (6)

  1. 타이어 트레드 패턴블록 강성을 측정하여 강성의 이방성을 측정하기 위한 장치로서,
    마찰력을 발생시키는 노면을 제공하는 시험용 노면;
    트레드 패턴블록의 시편을 장착하는 지그부;
    상기 지그부를 동작시켜 상기 시편을 회전시키고 하중을 인가하는 시편 구동부;
    상기 시편 구동부에 의해 상기 시험용 노면과 접촉되어 회전하는 패턴블록 시편의 강성을 측정하는 강성 측정부;
    상기 시편 구동부의 동작을 제어하는 계측 제어부; 및
    상기 강성 측정부에서 측정한 패턴블록 시편의 강성 측정값을 기초로 연산을 통해 이방성을 연산하는 이방성 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 이방성 연산부에서 연산된 이방성 연산결과를 화면에 표시해주는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
  3. 청구항 1에서, 상기 시험용 노면은 서로 상이한 거칠기를 구비한 노면으로서, 표준 노면, 콘크리트 노면, 아스팔트 노면 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 노면은 마른 노면, 빗길노면, 빙판, 눈길 노면의 상태 중 어느 하나의 상태와 동일한 노면 상태를 갖는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
  4. 청구항 1에서, 상기 시편 구동부는 상기 패턴블록의 시편을 360° 회전시켜 패턴블록 시편이 실제 노면과 직접적으로 마찰하는 것과 동일한 접촉력을 유발시키는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
  5. 청구항 1에서, 상기 이방성 연산부는 상기 강성 측정부에서 측정한 강성 측정값을 푸리에 변환을 하고, 상기 푸리에 변환된 결과로부터 1차 하모니 성분을 블록패턴 강성의 이방성 정보로 추출하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
  6. 청구항 5에서, 상기 블록패턴 강성의 이방성(Block Stiffness)은 아래와 같은 수식을 정의하는 것을 특징으로 하는 타이어 트레드 패턴블록 강성의 이방성 측정장치.
    Figure pat00003

    여기서 Shear Disp.(Displacement) X는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편의 변위를 나타내고, Shear Force, F는 패턴블록 시편이 종방향 부하를 받고 노면에 접촉된 상태에서 전후 진행방향으로의 시편에 작용하는 힘을 나타낸다.







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