KR20210016182A - 승용차용 공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명의 승용차용 공기입 타이어는, 인너라이너 상에 배치되는 카카스층; 상기 카카스층 상에 배치되는 제1벨트층; 상기 제1벨트층 상에 배치되는 제1보강벨트층; 상기 제1보강벨트층 상에 배치되는 제2벨트층; 및 상기 제2벨트층 상에 그 에지부를 덮도록 배치되는 제2보강벨트층을 포함한다.

Description

승용차용 공기입 타이어{Pneumatic tire for passenger car}

본 발명은 승용차용 공기입 타이어에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보강 벨트 구조를 가진 승용차용 공기입 타이어에 관한 것이다.

일반적으로 공기입 타이어는, 타이어의 내주를 구성하는 인너라이너, 노면과 접하며 벨트층을 갖춘 트레드부와, 타이어 내부 코드층으로 하중을 지지하고 충격에 견디는 타이어의 골격인 카카스, 타이어의 옆부분으로 카카스를 보호하고 굴신운동을 하는 사이드월부 및, 코드지 끝부분을 감아주며 타이어를 림(Rim)에 장착시키는 비드부로 이루어져 있다.

타이어의 벨트부는 외력에 대한 충격을 흡수 또는 차단하는 타이어의 보강층으로써, 이와 같은 벨트는 금속 재질의 코드 상하에 고무층을 토핑하여 형성되며, 이와 같이 형성된 벨트를 카카스와 트레드부 사이에 다수 매로 적층 설치하여 벨트부를 구성한다.

공기입 타이어의 트레드부는 스틸 벨트 위에 보강 벨트가 배치되고, 그 위에 서브 트레드 및 캡 트레드가 배치된다. 타이어가 하중을 받을 때, 변형이 가장 작은 스틸 코드를 중심으로 트레드부 변형이 발생하게 된다.

도 1에는 종래기술에 따른 승용차용 공기입 타이어의 벨트 보강 구조를 나타내는 단면도가 도시되어 있다. 카카스(10)는 인너라이너 바로 위에 배치되고 2개의 층으로 구성된다. 카카스(10) 상에는 벨트부(20)가 배치되고, 제1벨트(21)와 제2벨트(22)로 구성될 수 있다. 벨트부(20)의 최상부에는 보강벨트(30)가 설치된다. 보강벨트(30)는 벨트 전체폭을 커버하는 풀커버(full cover) 보강벨트(31)와, 벨트 양단부를 커버하는 에지커버(edge cover) 보강벨트(31)로 분류된다. 풀커버 보강벨트(31)는 고속 주행시 원심력에 의해 벨트부 전체가 올라가는 현상을 억제하고 내구성을 유지하는 목적으로 사용되며, 에지커버 보강벨트(32)는 고속 주행시 벨트 말단부가 올라가는 현상을 억제하여 고속내구성을 향상시킬 목적으로 사용된다.

고속 주행시 회전하는 타이어는 원심력이 작용하여 원주 방향의 타이어 제원(Dimension)이 변화되는 데, 이러한 타이어 제원의 변화 요인은 저속 주행보다 고속 주행에서 타이어 변형이 증가하여 주행에 대해 불안정한 요소로 작용하게 된다. 일반적으로 내구 성능은 응력 집중(변형 에너지 증가)과 상관성이 큰 것으로 알려져 있다. 특히, 고속 주행시 스탠딩 웨이브(standing wave) 발생에 의한 타이어 사이드월부의 급격한 온도 상승을 볼 수 있다. 따라서, 고속 주행시 열발생을 저감하기 위해서는 타이어의 변형 에너지를 분산시키는 기술이 필요하다.

고속 주행시 노면과 접촉하는 트레드부와 핸들링 성능에 영향을 주는 사이드월부의 변화, 즉 타이어의 제원(치수) 변화는 주로 회전하는 바깥쪽(원주 방향인 트레드부)이 가장 크게 된다. 이러한 현상들은 주행 중 타이어의 떨림 현상 및 이상 마모가 발생하는 등 주행 안정성을 저하시킨다는 문제점을 야기한다.

다시 말해서, 노면과 접촉하는 트레드부의 경우 원심력의 작용에 의해서 원주방향의 타이어 치수가 변화하게 된다. 특히 치수의 변화가 타이어의 중량차에 의해 타이어의 중심선을 기준으로 좌우측이 서로 편향되어 변화할 경우, 주행중 타이어의 떨림 현상은 물론이고 쏠림(Pulling) 현상이 발생하게 되며, 제동시 차량이 편류되거나 진동에 따른 타이어의 조기 마모 또는 편 마모가 발생하게 된다. 이는 아무리 작은 값의 치수변화라 할지라도 원심력은 속도의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에, 고속 주행시 타이어는 원심력의 상승에 따라 성장이 증폭되어 큰 힘으로 작용하게 되어 주행 안정성이 저하된다는 문제점과, 타이어의 치수 성장에 따른 벨트부의 반복 변형과 운동량이 증가되어 벨트층 사이에서 박리(Separation)가 촉진되는 등 잠재적인 문제점을 가지고 있다.

차량 연비 향상을 위해서, 타이어는 낮은 구름 저항이 요구되는데, 보강벨트가 벨트층 위에 배치됨에 따라 트레드 변형이 증가하여 구름 저항이 증가하게 되는 단점이 존재한다. 즉, 고속 주행 성능 향상을 위해 보강벨트를 타이어 벨트 위에 많이 감을수록, 고속 주행 성능은 개선되지만 타이어 구름저항도 점점 커지게 되므로, 고속 주행 성능과 타이어 구름 저항의 트레이드 오프(trade off) 개선이 필요하다.

등록특허공보 제10-1737386호(듀얼 보강벨트 구조를 가지는 공기입 타이어)

본 발명은 고속 주행시 원심력에 대한 저항력을 높이고 트레드 변형을 빠르게 회복할 수 있도록 하는 보강벨트 구조를 가진 승용차용 공기입 타이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 트레드 변형을 줄이면서도 발열 온도가 낮고 구름 저항이 낮은 공기입 타이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 승용차용 공기입 타이어는, 인너라이너 상에 배치되는 카카스층; 상기 카카스층 상에 배치되는 제1벨트층; 상기 제1벨트층 상에 배치되는 제1보강벨트층; 상기 제1보강벨트층 상에 배치되는 제2벨트층; 및 상기 제2벨트층 상에 그 에지부를 덮도록 배치되는 제2보강벨트층을 포함한다.

상기 제1보강벨트층은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어질 수 있다.

상기 제1보강벨트층은 스틸 코드 재질로 이루어질 수도 있다.

상기 제1벨트층은 상기 제2벨트층보다 트레드 폭 방향으로 더 넓은 폭을 갖도록 형성되고, 상기 제2보강벨트층은 상기 제2벨트층 및 상기 제1벨트층의 에지부를 덮도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 제2보강벨트층은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 제1벨트층과 상기 제2벨트층은 스틸 코드 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 승용차용 공기입 타이어에 의하면, 보강벨트 구조가 고속 주행시 원심력에 대한 저항력을 높이고 트레드 변형을 빠르게 회복할 수 있도록 한다.

또한, 트레드 변형을 줄이면서도 발열 온도가 낮고 구름 저항이 낮은 공기입 타이어를 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 공기입 타이어를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 공기입 타이어를 나타내는 단면도이다.
도 3은 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 주변형률을 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이다.
도 4는 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 전단변형률을 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이다.
도 5는 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 온도 분포를 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 2는 본 발명에 따른 공기입 타이어를 나타내는 일부 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 승용차용 공기입 타이어는, 인너라이너 상에 배치되는 카카스층(110), 카카스층 상에 배치되는 제1벨트층(121), 제1벨트층 상에 배치되는 제1보강벨트층(131), 제1보강벨트층 상에 배치되는 제2벨트층(122), 및 제2벨트층 상에 그 에지부를 덮도록 배치되는 제2보강벨트층(132)을 포함한다.

카카스층(110)은 타이어의 내면을 구성하여 타이어 내부의 공기압을 유지하는 인너라이너 바로 위에 배치되고 2개의 층으로 구성될 수 있다. 카카스층(110)은 트레드부로부터 사이드월부를 거쳐 비드부까지 배치된다. 특히, 카카스층(110)은 비드코어를 감싸서 소정 높이로 다시 올라가는 부위, 즉 턴업(turn-up)부를 포함한다.

제1벨트층(121)은 제2벨트층(122)과 함께 카카스층(110) 상에 배치되어 노면 접지력과 핸들링 등의 성능을 조절한다. 제1벨트층(121)과 제2벨트층(122)은 스틸 코드 재질로 이루어질 수 있다.

제1보강벨트층(131)은 제1벨트층(121) 상에 배치되고, 제2벨트층(122)은 제1보강벨트층(131) 상에 배치된다. 즉, 제1보강벨트층(131)은 제1벨트층(121)과 제2벨트층(122)의 사이에 배치된다.

제2보강벨트층(132)은 제2벨트층(122) 상에 그 에지부를 덮도록 배치된다.

도 1에 도시된 종래의 타이어의 경우 보강벨트층이 제2벨트층의 위에 배치되지만, 도 2에서와 같이 본 발명의 타이어의 경우 제1보강벨트층(131)이 제2벨트층(122)의 아래에 배치되는 것이다.

다시 말해서, 제1벨트층(121)과 제2벨트층(122)은 제1보강벨트층(131)에 의해 분리되도록 배치되어 벨트층(120)을 구성하고, 제1보강벨트층(131)과 제2보강벨트층(132)은 제2벨트층(122)에 의해 분리되도록 배치되어 보강벨트층(130)을 구성한다.

제1보강벨트층(131)은 벨트 폭 전체를 거의 커버하는 풀커버(full cover) 보강벨트로 구성될 수 있고, 제2보강벨트층(132)은 벨트층(120)의 에지부를 덮도록 배치되는 에지커버(edge cover) 보강벨트로 구성될 수 있다.

풀커버 제1보강벨트층(131)은 고속 주행시 원심력에 의해 벨트부 전체가 올라가는 현상을 억제하고 내구성을 유지하는 목적으로 사용되며, 에지커버 제2보강벨트층(132)은 고속 주행시 벨트 말단부가 올라가는 현상을 억제하여 고속 내구성을 향상시키는 목적으로 사용된다.

제1벨트층(121)은 제2벨트층(122)보다 트레드 폭 방향으로 더 넓은 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 제2벨트층(122)의 폭은 제1벨트층(121)의 폭보다 작게 형성될 수 있다.

또한, 제1보강벨트층(131)의 폭은 제2벨트층(122)의 폭보다 작게 형성될 수 있다.

그리고, 제2보강벨트층(132)은 제1벨트층(121)의 에지부와 그 아래에 있는 제2벨트층(122)의 에지부를 덮도록 배치될 수 있다. 제2보강벨트층(132)의 폭방향 외측 말단은 제1벨트층(121)의 폭방향 외측 말단보다 폭방향으로 더 외측까지 덮도록 배치될 수 있다.

제1보강벨트층(131)은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어질 수 있다. 하이브리드 섬유는 나일론 섬유보다 강도가 높은 반면, 가격이 비싸다.

제1보강벨트층(131)은 스틸 코드 재질로 이루어질 수도 있다. 스틸 코드 재질은 섬유 재질에 비해 강도가 높아 변형률이 작아지지만, 구름 저항이 상대적으로 커질 수 있다.

제2보강벨트층(132)은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어질 수 있다. 제1보강벨트층(131)이 스틸 코드 재질로 이루어지는 경우, 제2보강벨트층(132)도 스틸 코드 재질로 이루어질 수 있다. 제2보강벨트층(132)은 트레드 폭방향 양단부에 구비되어 숄더부의 변형을 방지한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 듀얼 보강벨트 구조를 가지는 공기입 타이어와 종래의 보강벨트 구조를 가지는 공기입 타이어에 대하여 유한요소해석을 통해 평가한 평가예를 설명한다.

타이어 크기는 215/65R16이며, 도 1의 보강벨트 구조 타이어와 도 2의 보강벨트 구조 타이어에 대해 유한요소 구조 해석을 하였다. 100% 공기압은 4.9kgf/cm²이며, 100% 하중은 1030kgf이다. 해석 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.

구분	종래기술		실시예
	해석값	%	해석값	%
전체 직경 변화 최대값(cm)	-4.7	100	-3.5	74
주변형률 진폭	0.22	100	0.08	38
전단변형률 진폭(Radian)	0.43	100	0.32	74
제2벨트 끝단온도(℃)	87.2	100	77.4	89
제1벨트 끝단온도(℃)	72.1	100	65.2	90
RRc (구름저항계수)	7.32	100	7.01	96

도 3은 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 주변형률을 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이고, 도 4는 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 전단변형률을 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이며, 도 5는 종래기술에 따른 타이어(a)와 본 발명에 따른 타이어(b)에서 각 부위의 온도 분포를 비교하여 나타내는 해석 결과 도면 및 그래프이다.

우선, 표 1에 기재된 바와 같이, 타이어 전체 직경 변화의 최대값은 종래기술에 따른 타이어의 경우 -4.7cm이고, 본 발명 실시예에 따른 타이어의 경우 -3.5cm이다. 그래서, 종래기술에 비해 실시예의 직경 변화값은 74%로서 작음을 알 수 있다.

도 3은 100% 공기압, 100% 하중을 가했을 때 타이어의 주변형률을 나타낸다. 종래기술(a)에 따른 타이어의 경우, 주변형률의 최소값이 0.16이고 최대값이 0.38로서 그 진폭은 0.22이다. 본 발명 실시예(b)의 타이어의 경우, 주변형률의 최소값이 0.01이고 최대값이 0.09로서 그 진폭은 0.08이다. 그래서, 종래기술에 비해 실시예의 주변형률은 진폭이 38%로서 매우 작음을 알 수 있다.

도 4는 100% 공기압, 100% 하중을 가했을 때 타이어의 전단변형률을 나타낸다. 종래기술(a)에 따른 타이어의 경우, 전단변형률의 최소값이 -0.73이고 최대값이 -0.30으로서 그 진폭은 0.43이다. 본 발명 실시예(b)의 타이어의 경우, 전단변형률의 최소값이 -0.18이고 최대값이 0.13으로서 그 진폭은 0.32이다. 그래서, 종래기술에 비해 실시예의 전단변형률은 진폭이 74%로서 작음을 알 수 있다.

도 5는 100% 공기압, 100% 하중을 가했을 때 타이어의 열해석, 즉 온도 분포를 나타낸다. 종래기술(a)에 따른 타이어의 경우, 제2벨트 끝단의 온도가 87.2℃이고 제1벨트 끝단의 온도가 72.1℃이다. 본 발명 실시예(b)의 타이어의 경우, 제2벨트 끝단의 온도가 77.4℃이고 제1벨트 끝단의 온도가 65.2℃이다. 그래서, 종래기술에 비해 실시예의 온도는 제2벨트 끝단의 온도가 89%이고, 제1벨트 끝단의 온도가 90%로서 낮음을 알 수 있다.

마지막으로, 표 1에서 구름 저항 계수는 종래기술(a)에 따른 타이어의 경우 7.32이고, 본 발명 실시예(b)의 타이어의 경우 7.01로 나타났다. 그래서, 종래기술에 비해 실시예의 구름 저항은 96%로서 작음을 알 수 있다.

본 발명의 승용차용 공기입 타이어는 두 벨트 사이에 보강벨트가 배치되기 때문에, 벨트층의 스틸 코드 사이의 높이가 증가하여 벨트 벤딩 강성 및 트레드 강성이 증가한다. 이로 인해, 100% 공기압을 주입했을 때 10% 공기압 타이어의 크기에 대비해서 작게 변형되는 것을 알 수 있다. 공기입 타이어에 100% 하중을 가할 때, 타이어에서 가장 취약한 부분인 벨트 끝단 부위의 변형률이 매우 작아지고 타이어 발열 수준도 낮아서 일정 하중 주행시의 온도도 낮게 나타남을 알 수 있다. 또한, 이로 인해 타이어의 구름 저항도 낮아짐을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 보강벨트 구조를 가진 승용차용 공기입 타이어에 의하면, 고속 주행시 원심력에 대한 저항력을 높이고 트레드 변형을 빠르게 회복할 수 있도록 한다.

또한, 트레드 변형을 줄이면서도 발열 온도가 낮고 구름 저항이 낮은 공기입 타이어를 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

100: 공기입 타이어 110: 카카스층
120: 벨트층 121: 제1벨트층
122: 제2벨트층 130: 보강벨트층
131: 제1보강벨트층 132: 제2보강벨트층

Claims (6)

1. 인너라이너 상에 배치되는 카카스층;
   상기 카카스층 상에 배치되는 제1벨트층;
   상기 제1벨트층 상에 배치되는 제1보강벨트층;
   상기 제1보강벨트층 상에 배치되는 제2벨트층; 및
   상기 제2벨트층 상에 그 에지부를 덮도록 배치되는 제2보강벨트층을 포함하는 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1보강벨트층은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1보강벨트층은 스틸 코드 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1벨트층은 상기 제2벨트층보다 트레드 폭 방향으로 더 넓은 폭을 갖도록 형성되고,
   상기 제2보강벨트층은 상기 제2벨트층 및 상기 제1벨트층의 에지부를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2보강벨트층은 나일론 섬유 또는 나일론과 아라미드의 하이브리드 섬유 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제1벨트층과 상기 제2벨트층은 스틸 코드 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 승용차용 공기입 타이어.
   

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