KR20220090613A

KR20220090613A - 내구성이 향상된 비공기입 타이어

Info

Publication number: KR20220090613A
Application number: KR1020200180529A
Authority: KR
Inventors: 최석주; 김남석; 김성태; 박범호; 허정무
Original assignee: 한국타이어앤테크놀로지 주식회사
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-30

Abstract

본 발명의 일실시예는 비공기입 타이어를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어는, 트레드부와 림부를 서로 연결하며 구조적 지지 역할을 하는 스포크부(30);를 포함하되, 상기 스포크부(30)는, 고무계 조성물을 포함하여, 상기 스포크부(30)가 맞닿는 트레드부(10)와 공가류가 가능하므로 내구성 및 안정성이 향상된 비공기입 타이어를 제공 가능한 효과가 있다.

Description

내구성이 향상된 비공기입 타이어{Airless tire with high durability}

본 발명은 비공기입 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비공기입 타이어의 스포크부가 고무계 조성물 성분으로 구성됨으로써 상기 스포크부가 맞닿는 트레드부와 공가류(cocuring)가 가능하도록 하여 공기입 타이어와 유사한 조종성을 가지면서도 내구성 및 승차감을 향상시킨 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어에 관한 것이다.

현 시대에 일반적으로 사용되는 타이어들은 구조에 따라 래디얼 타이어, 바이어스 타이어, 그리고 솔리드 타이어 등으로 분류할 수 있는데, 그 중에서 승용차 및 특수목적을 제외한 자동차에는 대부분 래디얼 타이어 즉, 공기압 (또는 공기입) 타이어가 사용되고 있다. 그러나, 이러한 공기압 타이어는 구조가 복잡하고 여러 단계의 제조공정수를 요하며 이에 따른 유해물질 배출량 또한 무시되지 못할 정도이다. 뿐만 아니라, 공기압 타이어의 성능 발휘 및 안전성에 절대적으로 중요한 공기압을 수시로 점검해야 하는 관리의 불편함 및 주행 중 외부 물질에 의한 찔림과 충격으로 타이어가 파손될 수 있는 위험성 문제가 항상 내재되어 있다는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위하여, 공기압을 사용하지 않는 비공기입 타이어에 대한 관심 및 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

비공기입 타이어는, 종래의 공기압 타이어와 달리, 소재와 공정의 단순화를 통해 생산비용을 크게 절감할 수 있고 에너지 사용량 및 유해물질 발생량을 현저히 절감할 수 있는 새로운 개념의 공정과 구조로 이루어진 타이어로, 종래의 공기압 타이어의 공기압의 부족 등으로 인해 야기될 수 있는 문제점을 해결 가능할 뿐만 아니라, 공기압 타이어에서 발생되는 스탠딩 웨이브(standing wave) 형상을 방지할 수 있으며 회전 저항을 크게 개선할 수 있는 이점 또한 가진다.

비공기입 식 타이어는 종래의 공기압식 타이어와는 완전히 다른 구조로 이루어져 있으며, 공기압식과 달리 압축공기를 전혀 이용하지 않는 설계방식이기 때문에 공기압 손실 또는 부족함 (flat tire)으로 인하여 주행 중에 발생될 수 있는 사고의 위험으로부터 자유롭다.

최근의 비공기입 타이어의 선행 기술들을 살펴보면, 대한민국 공개특허 제10-2006-0051513호의 경우, 타이어의 부하를 여러 겹의 스테이플을 포함한 다수의 지지부재로 지지하는 기술이며, 대한민국 등록특허 제1270386호의 경우 탄성 재료로 제조되는 본체 및 접지면으로 기능하는 원주방향 연장형 크라운 부분과 그에 접합되는 연장형 사이드월로 구성된 기술이다.

타이어의 재료 측면에서 살펴보면, 국제 공개특허 제2019/067597호의 경우 플라스틱 및 탄성체의 혼합 재료로 구성된 스포크에 관한 기술을 개시하고 있다.

그러나 이러한 종래의 비공기입 식 타이어의 경우, 하중의 지탱이 스포크가 갖는 인장력에 의해서만 이루어지게 된다. 또한, 스포크가 맞닿는 타이어의 트레드와의 접합력을 충분히 확보하지 못하는 경우 타이어의 안정성 및 내구성이 떨어지게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 하중의 지탱이 종래 기술과 같이 인장력에 의해서만 이루어지는 경우보다, 인장력과 압축력 두 가지 요인에 의해 이루어지는 경우가 보다 안정되고 적절한 접지 면적을 유도할 수 있으며 이에 의한 조종성, 제동력 및 승차감 등의 차량 성능을 극대화 할 수 있어 이의 개발을 위한 여전히 많은 도전과 장애가 있다.

대한민국 공개특허 제2006-005151호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스포크 간의 간섭 현상이 발생하지 않으면서도 구조적 강성의 조화를 통해 압축력 및 인장력이 모두 구현 가능한 스포크부를 포함하되, 상기 스포크부는 고무계 조성물 성분으로 이루어짐으로써 반복적으로 발생되는 물리적 스트레스에 대한 내피로특성이 우수할 뿐만 아니라 트레드부와의 계면에서 또한 내구성능이 우수한 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 비공기입 타이어를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비공기입 타이어는, 지면과 접촉하는 트레드부(10); 상기 트레드부와 이격되면서 차축과 연결되는 링 형상의 림부(20); 및 상기 트레드부와 상기 림부 사이에 위치하되, 상기 트레드부와 상기 림부를 서로 연결하며 구조적 지지 역할을 하는 스포크부(30);를 포함할 수 있다.

상기 스포크부(30)는, 고무계 조성물을 포함함으로써 상기 스포크부(30)가 맞닿는 트레드부(10)와 공가류(cocuring)가 가능한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 고무계 조성물은, 상기 고무계 조성물 100 중량부 당 NR 0 PHR 내지 50 PHR, SBR 0 PHR 내지 50 PHR, BR 0 내지 50 PHR, 스티렌 함량이 20 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 블록 공중합체 0 내지 60 PHR 및 분자 내 탄소-탄소 트렌스-이중결합 함량비가 50 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 고무계 조성물은, 황 가교가 가능한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 고무계 조성물은, 10% 변형에서의 modulus 값(modulus 10% strain)이 10 MPa 내지 30 MPa 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 비공기입 타이어는, 상기 트레드부(10)의 내측과 계면을 이루는 외측 환형밴드부(40); 상기 림부(20)의 외측과 계면을 이루는 내측 환형밴드부(50);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 스포크부(30)는, 상기 외측 환경밴드부와 내측 환형밴드부를 연결하는 복수개의 스포크들(31); 및 상기 복수개의 스포크들(31)을 상기 스포크들의 측면에서 서로 연결하는 스포크 연결부(32);를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기 트레드부(10)는, 고무 복합재료를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

상기 림부(20)는, 강철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 복합재료를 포함하거나, 또는 플라스틱 복합재료를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

상기 외측 환형밴드부(40) 및 내측 환형밴드부(50)는, 각각 독립적으로 고무 복합재료, 플라스틱 복합재료 및 금속 복합재료 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 스포크 간의 간섭 현상이 발생하지 않으면서도 구조적 강성의 조화를 통해 압축력 및 인장력이 모두 구현 가능한 스포크부를 포함하되, 상기 스포크부는 고무계 조성물 단일 성분으로 이루어짐으로써 반복적으로 발생되는 물리적 스트레스에 대한 내피로특성이 우수할 뿐만 아니라 트레드부와의 계면에서 또한 내구성능이 우수한 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공 할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 FEA 해석 중 한 섹션을 도시화 한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비공기입 타이어의 정특성 평가 중 변형 정도 및 접지 형상을 나타내는 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내구성이 향상된 비공기입 타이어를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 FEA 해석 중 한 섹션을 도시화 한 개념도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어의 이미지를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어는, 지면과 접촉하는 트레드부(10); 상기 트레드부와 이격되면서 차축과 연결되는 링 형상의 림부(20); 및 상기 트레드부와 상기 림부 사이에 위치하되, 상기 트레드부와 상기 림부를 서로 연결하며 구조적 지지 역할을 하는 스포크부(30);를 포함할 수 있다.

이때, 상기 스포크부(30)는, 고무계 조성물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 상기 스포크부(30)는, 고무계 조성물을 포함하되, 상기 고무계 조성물 이외의 다른 계열의 성분은 포함하지 않는 고무계 조성물 단일 성분으로 구성됨으로써, 상기 스포크부(30)가 맞닿는 트레드부(10)와 공가류(co-curing)가 가능한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

전술한 바와 같이 종래에도 스포크 구조를 이용한 비공기입 식 타이어는 존재하였으나, 주로 플라스틱계 소재와 고무계 소재가 혼합하여 사용되는 경우가 대부분이었다.

그러나, 스포크가 트레드부와 맞닿는 계면에서의 내구성을 충분히 확보하지 못하는 경우, 비공기입 식 타이어의 안정성 및 승차감이 떨어지게 된다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 스포크부에 사용되는 플라스틱 소재의 경우, 10% 변형에서의 modulus 값(modulus 10% strain)이 20 내지 50 MPa로 탄성계수는 높으나, 반복적인 부하에 대한 피로 특성은 낮다는 문제점이 있었다.

일반적으로 타이어에서 지면과 접촉하는 부분인 트레드부는 주로 고무계 컴파운드 복합체로 구성된다. 따라서 이러한 트레드부와 공가류(co-curing)가 가능하기 위해서는, 스포크부 또한 공가교가 가능한 고무 소재로 이루어져야 할 필요가 있다.

공가류, 즉 공가교(共架橋)란 고무나 중합체 간에 가교 결합을 형성하여 서로 얽힌 망상 구조를 형성하도록 하는 것을 의미한다.

따라서, 상기와 같이 상기 트레드부와 상기 림부를 서로 연결하며 구조적 지지 역할을 하는 스포크부를 고무계 조성물 단일 소재로 구성함으로써, 트레드부와의 계면에서의 공가류를 통해 충분한 내구성을 확보할 수 있어 사용자에게 안정적인 승차감을 제공 가능하면서도 종래 플라스틱 소재보다 반복적인 부하에 대한 내피로특성 및 진동 특성이 향상된 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공할 수 있다.

더욱 상세하게는, 상기 고무계 조성물은, 상기 고무계 조성물 100중량부 당 NR 0 PHR 내지 50 PHR, SBR 0 PHR 내지 50 PHR, BR 0 내지 50 PHR, 스티렌 함량이 20 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 블록 공중합체 0 내지 60 PHR 및 분자 내 탄소-탄소 트렌스-이중결합 함량비가 50wt% 이상인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

또한, 상기 고무계 조성물은, 황 가교(sulfur 가류)가 가능한 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

일반적으로, 고무 소재는 가황 후 고무 사슬간 황이 연결되어 가교되며, 단황가교(-S-), 이황가교(-S-S-), 다황가교(-S_x-, x=3~8)로 구성된 황가교 구조를 이루고 있다. 이러한 단황, 이황, 다황 가교 구조의 함량과 총 가교밀도에 따라 고무 탄성 특성과 인장물성 등이 달라지게 된다.

본 발명의 고무계 조성물은, 상기와 같은 황 가교가 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고무계 조성물은, 10% 변형에서의 modulus 값(modulus 10% strain)이 10 MPa 내지 30 MPa 인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기와 같은 특징으로 인하여, 본 발명의 고무계 조성물은 타 성분, 예를 들어 플라스틱 계열의 소재보다 반복적인 부하에 대한 내피로특성 및 진동 특성이 향상되어 내구성 및 안정감이 향상된 비공기입 타이어의 제공이 가능한 효과가 있다.

이때, 상기 스포크부(30)는, 상기 외측 환경밴드부와 내측 환형밴드부를 연결하는 복수개의 스포크들(31); 및 상기 복수개의 스포크들(31)을 상기 스포크들의 측면에서 서로 연결하는 스포크 연결부(32);를 포함하는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 스포크부(30)는, 상기 스포크 연결부(32)를 통해 상기 스포크들(31)간의 간섭 현상을 최소화할 수 있는 구조로 이루어져, 타이어의 내구성능 및 차량의 조종성능뿐 만 아니라 승차감 성능까지 향상 가능한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 트레드부(10)는, 고무 복합재료를 포함하여 이루어진 것일 수 있다.

이때, 상기 림부(20)는, 강철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 복합재료를 포함하거나, 또는 플라스틱 복합재료를 포함하여 이루어진 것일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 종래 타이어의 림부로 사용되기 위한 재료라면 제한 없이 이용될 수 있다.

상기와 같은 구성적 특징으로 인하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 스포크 간의 간섭 현상이 발생하지 않으면서도 구조적 강성의 조화를 통해 압축력 및 인장력이 모두 구현 가능한 스포크부를 포함하되, 상기 스포크부는 고무계 조성물 단일 성분으로 이루어짐으로써 반복적으로 발생되는 물리적 스트레스에 대한 내피로특성이 우수할 뿐만 아니라 트레드부와의 계면에서 또한 내구성능이 우수한 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공 할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 제조예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

<실험예 1>

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비공기입 타이어의 정특성 평가 중 변형 정도 및 접지 형상을 확인하는 실험을 진행하였다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 비공기입 타이어의 정특성 평가 중 변형 정도 및 접지 형상을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비공기입 타이어는, 스포크 간의 간섭 현상이 발생하지 않았을 뿐만 아니라, 공기압 타이어에서 나타내는 것과 유사한 접지 현상을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 종래 기술에 따른 타이어보다 응력 집중 범위가 좁으므로 반복적인 부하에 대한 내피로특성 및 진동특성 향상이 가능한 것을 확인할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 트레드부
20: 림부
30: 스포크부
31: 스포크
32: 스포크 연결부
40: 외측 환형밴드
50: 내측 환형밴드

Claims

지면과 접촉하는 트레드부(10); 상기 트레드부와 이격되면서 차축과 연결되는 링 형상의 림부(20); 및 상기 트레드부와 상기 림부 사이에 위치하되, 상기 트레드부와 상기 림부를 서로 연결하며 구조적 지지 역할을 하는 스포크부(30);를 포함하되,
상기 스포크부(30)는, 고무계 조성물을 포함함으로써 상기 스포크부(30)가 맞닿는 트레드부(10)와 공가류(cocuring)가 가능한 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 고무계 조성물은, 상기 고무계 조성물 100 중량부 당 NR 0 PHR 내지 50 PHR, SBR 0 PHR 내지 50 PHR, BR 0 내지 50 PHR, 스티렌 함량이 20 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 블록 공중합체 0 내지 60 PHR 및 분자 내 탄소-탄소 트렌스-이중결합 함량비가 50 wt% 이상인 것을 특징으로 하는 올레핀계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 고무계 조성물은, 황 가교가 가능한 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 고무계 조성물은, 10% 변형에서의 modulus 값이 10 MPa 내지 30 MPa 인 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 트레드부(10)의 내측과 계면을 이루는 외측 환형밴드부(40);
상기 림부(20)의 외측과 계면을 이루는 내측 환형밴드부(50);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제5항에 있어서,
상기 스포크부(30)는,
상기 외측 환경밴드부와 내측 환형밴드부를 연결하는 복수개의 스포크들(31); 및
상기 복수개의 스포크들(31)을 상기 스포크들의 측면에서 서로 연결하는 스포크 연결부(32);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 트레드부(10)는, 고무 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 림부(20)는, 강철 및 알루미늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 금속 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제1항에 있어서,
상기 림부(20)는, 플라스틱 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
제5항에 있어서,
상기 외측 환형밴드부(40) 및 내측 환형밴드부(50)는, 각각 독립적으로 고무 복합재료, 플라스틱 복합재료 및 금속 복합재료 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.