KR20230109825A - 비공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 타이어에 관한 것으로서 공기압을 사용하지 않으면서, 공기입 타이어와 유사한 조종성을 가지며, 구조적으로 차량의 하중을 효율적으로 지탱하는 비공기입 타이어에 관한 것이다. 이에, 본 발명은 지면과 접촉하는 트레드부와, 트레드부(100)에 접하게 되는 외측환형밴드부와, 차량의 휠과 연결되는 내측환형밴드부 및 내측환형밴드부와 외측환형밴드부 사이의 구조적 지지역할을 하는 스포크부를 포함하는 비공기입 타이어에 있어서, 트레드부에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트가 설치되고, 외측환형밴드부에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트가 설치되는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공한다.

Description

비공기입 타이어{A NON-PNEUMATIC TIRE}

본 발명은 자동차용 타이어에 관한 것으로서 공기압을 사용하지 않으면서, 공기입 타이어와 유사한 조종성을 가지며, 구조적으로 차량의 하중을 효율적으로 지탱하는 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 복잡한데다 제조공정수가 8단계 등으로 많으며 또한 이에 따른 유해물질 배출량이 무시되지 못할 정도일 뿐더러 공기압 타이어의 성능발휘 및 안전성에 절대적으로 중요한 공기압을 수시로 점검해야 하는 관리의 불편함과 주행 중 외부물질에 의한 찔림과 충격으로 타이어가 파손될 수 있는 안전성의 문제가 항상 내재되어 있는 것이 사실이다.

하지만 비공기입 타이어는, 이러한 공기압 타이어와 달리, 소재와 공정의 단순화를 통해 생산비용을 크게 절감할 수 있을 뿐 더러 에너지 사용량 및 유해물질 발생량을 현저히 절감할 수 있는 공정과 구조로 이루어진 타이어로 공기압의 부족 등으로 인해 야기될 수 있는 문제점으로부터 벗어날 수 있는 큰 이점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 공기압타이어에서 발생되는 스탠딩 웨이브 (standing wave) 형상을 방지할 수 있으며 회전저항을 크게 개선할 수 있는 이점을 가지고 있다.

비공기입식 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.

비공기압식 타이어는 종래에도 존재해왔다. 아주 오래 전의 마차바퀴, 자전거바퀴 외에 최근의 사례를 들면 대한민국 등록특허 제10-2127668호의 경우 타이어의 부하를 여러 겹의 스테이플을 포함한 다수의 지지부재로 지지하는 기술이며, 대한민국 등록특허 제10-2127669호의 경우 탄성 재료로 제조되는 본체 및 접지면으로 기능하는 원주방향 연장형 크라운 부분과 그에 접합되는 연장형 사이드월로 구성된 기술이다. 또한, 타이어의 부하를 지지하는 보강된 환형밴드와, 휠 또는 허브간의 부하력을 인장된 상태에서 전달하는 다수의 웹 스포크를 포함하는 비공기압식 타이어가 대한민국 등록특허 제10-1722715호로써 알려진 바 있다. 최근에는 허니컴 형태의 완충부를 통해 완충작용을 하고 타이어에 가해지는 압력을 받쳐주도록 된 에어리스 타이어 (대한민국 등록특허 제10-1043001호) 기술도 소개되었다.

다수의 웹 스포크를 포함하는 비공기압식 타이어의 경우 하중의 지탱을 웹 스포크가 갖는 인장력에 의해서 이루어진다고 소개되고 있다. 이러한 경우에서는 웹 스포크와 지면과 접촉하는 트레드 사이에 구조 보강물이 포함되어 차량의 하중을 지탱하며 공기압 타이어에서의 공기압과 같은 기능을 할 수 있도록 역할한다. 예로써, 연속 루프 보강조립체를 가지는 구조적 지지 비공압 휠 (대한민국 등록특허 제10-1433700호) 의 경우에 있어서는 이러한 구조 보강물로서 나선으로 권취된 코일 형태를 소개하고 있으며 이러한 재료로는 금속, 강, 탄소, 아라미드 및 유리 등을 언급하고 있다. 또 다른 구조보강물의 예로써는 대한민국 등록특허 제10-1433700호 에서 개시된 비공압 휠에서 언급된 코일 형태의 구조 보강물에 비하여 구조적으로 강성이 개선된 하중지탱력을 보이는 선재 구조 보강물 대한민국 등록특허 제10-1356326호(등록일: 2014.01.21)이 개시된 바 있다.

그러나, 상기한 종래기술들은 비공기입 타이어의 불리한 성능을 알려진 측면강성이 상대적으로 취약하여 공기입 타이어보다 코너링 및 승차감에 있어서 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-1433700호(2014.08.19.)

(특허문헌 2) 등록특허공보 제10-1356326호(2014.01.21.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 트레드부에 인접하는 환형밴드부에 구조보강물을 가지고 있어 차량의 하중을 충분히 지탱할 뿐만 아니라 균일한 접촉압력 및 접촉면적을 제공하여 웹 스포크부에 대한 내구성 향상, 회전저항 및 측면강성 개선하는 비공기입타이어를 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.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 지면과 접촉하는 트레드(100)부와, 상기 트레드부(100)에 접하게 되는 외측환형밴드부(200)와, 차량의 휠과 연결되는 내측환형밴드부(300) 및 상기 내측환형밴드부(300)와 외측환형밴드부(200) 사이의 구조적 지지역할을 하는 스포크부(400)를 포함하는 비공기입 타이어에 있어서, 상기 트레드부(100)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되고, 상기 외측환형밴드부(200)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 2차아치부(420)들의 각 측벽(421, 422)의 저측 말단은 각각 다른 1차아치부(410)의 상단(411)에 접하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 1차아치부(410)의 상단(411)의 폭(w1)은 상기 내측환형밴드부(300)의 폭(w2)의 60~90%인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스포크부(400)는 상기 내측환형밴드부(300)의 외측에 다수개 형성되는1차아치부(410)들과; 상기 1차아치부(410)의 상측에 형성되는 2차아치부(420)들과; 상기 2차아치부(420)의 각 측벽(421, 422) 사이에 설치되는 보강바(423);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 내측환형밴드부(300)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 종래의 기술에서 사용되었던 환형밴드 부의 구조 보강물 대신 서로 다른 물성의 구조보강물을 적용하여 비공기입 타이어의 불리한 성능으로 알려진 측면강성을 조정함으로써 차량의 하중을 지지하는 비공기입 타이어의 조종성, 회전저항 성능, 코너링 성능 및 승차감을 개선하는 효과를 기대할 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 비공기입 타이어의 측면도이다.
도2는 본 발명의 비공기입 타이어의 스포크부의 확대도이다.
도3은 본 발명의 비공기압타이어의 a-a' 선상의 단면도이다.
도4는 본 발명의 비공기입 타이어의 사시도이다.
도5는 본 발명의 비공기입 타이어에 적용되는 보강벨트의 일 실시예의 설명도이다.
도6은 상기 보강벨트의 단면도이다.
도7은 본 발명의 비공기입 타이어의 성능평가에 따른 접지압 이미지이다.
도8은 본 발명의 비공기입 타이어에 적용되는 보강벨트가 수회 감긴 실시예의 설명도이다.

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.

도 1은 본 발명의 비공기입 타이어의 측면도이고, 도2는 본 발명의 비공기입 타이어의 스포크부의 확대도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 보강구조물이 적용된 비공기입 타이어는 지면과 접촉하는 트레드(100)부와, 상기 트레드부(100)에 접하게 되는 외측환형밴드부(200)와, 차량의 휠과 연결되는 내측환형밴드부(300) 및 상기 내측환형밴드부(300)와 외측환형밴드부(200) 사이의 구조적 지지역할을 하는 스포크부(400)를 포함하는 비공기입 타이어에 있어서, 상기 스포크부(400)는 상기 내측환형밴드부(300)의 외측에 다수개 형성되는1차아치부(410)들과 상기 1차아치부(410)의 상측에 형성되는 2차아치부(420)들과 상기 2차아치부(420)의 각 측벽(421, 422) 사이에 설치되는 보강바(423)를 포함한다.

상기 1차아치부(410)들은 다수의 아치(Arch)로 구성되며, 상기 아치들은 하중을 분산시켜 보다 큰 하중을 견딜 수 있게 한다. 도1 및 도2에서 상기 아치의 상면이 직선부로 표현되었으나, 이는 아치형태를 이루기 위한 곡선형태로 구성될 수 있다.

상기 1차아치부(410)를 구성하는 아치들의 개수는 20~30개가 바람직하며, 각 아치들의 높이는 스포크부(400) 높이의 25~45%인 것이 바람직하다.

상기 2차아치부(420)들의 각 측벽(421, 422)의 저측 말단은 도1 및 도2에서 도시된 바와 같이, 각각 다른 1차아치부(410)의 상면에 접하게 되어 형성된다. 즉, 상기 2차아치부(420)는 두 개의 1차아치부(410)를 밟고 올라서 있는 형상을 취하며, 1차아치부(410) 위에는 두 개의 2차아치부(420)가 각각 한 측벽씩 접하게 된다.

도1 및 도2에서 상기 2차아치부(420)는 그 상단을 외측환형밴드부(200)와 공유하도록 도시되어 있다. 그러나, 필요에 따라 각 측벽(421, 422)의 상부가 이어지는 상기 완전한 아치형태로 형성되는 구성도 적용 가능하다. 한편, 상기 각 측벽(421, 422)은 하중을 분산시키기 위한 아치형상을 구현하기 위하여 완곡한 곡률을 갖는 것이 바람직하다. 상기 2차아치부(420)를 구성하는 아치들의 개수 역시 20~30개가 바람직하며, 각 아치들의 높이는 스포크부(400) 높이의 55~75%인 것이 바람직하다.

상기 1차아치부(410)의 높이가 2차아치부(420)의 높이보다 작은 이유는 타이어 중심부측에 더 높은 강성이 필요하기 때문이며, 또한, 트레드부(100)에 보다 인접한 2차아치부(420)를 더 높게 형성하는 것은 승차감을 더 향상시키기 때문이다.

상대적으로 더 높아 빈공간이 더 크게 발생되는 상기 2차아치부(420)의 중앙에는 상술한 바와 같이 보강바(423)가 설치된다.

도3은 본 발명의 비공기압타이어의 a-a' 선상의 단면도이다. 도3의 실시예에서는 상기 1차아치부(410)의 상단(411)의 폭(w1)은 상기 내측환형밴드부(300)의 폭(w2)의 60~90%인 구성을 개시한다. 상기 1차아치부(410)의 상단(411)의 폭(w1)이 내측환형밴드부(300)의 폭(w2)보다 좁게 형성됨에 따라, 주행시 공기저항이 감소되고 스포크 간의 간섭이 최소화되며, 제조단가가 절감된다. 또한, 타이어 숄더측의 강성을 낮추어 코너링시 승차감을 향상시키게 된다. 상기 1차아치부(410)의 상단(411)의 폭(w1) 좁아짐에 따라 상기 내측환형밴드부(300)의 폭(w2)에 대하여 발생하는 편차는 좌우대칭으로 하여 타이어의 균형을 맞추게 된다.

또한, 본 발명은 이에 나아가, 상기 외측환형밴드부(200)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되는 구성을 제공한다. 타이어의 주행시 타이어는 고속회전을 함에 따라 원심력에 의해 팽창하게 되며 팽창한 타이어는 접지면의 불안정과 측면강성 저하의 문제를 야기하게 된다. 특히, 타이어의 승차감을 향상시키기 위하여 스포크의 강성을 조절함에 있어서, 이러한 문제는 스포크 강성설정에 큰 제약이 된다. 승차감을 향상시키기 위하여 스포크부(2)의 강성을 낮게 설정할 경우 타이어의 고속주행시 타이어의 원심팽창에 따라 접지면이 불안정해지고 측면강성이 저하되게 된다. 이러한 문제는 코너링시 특히 위험한 상황을 초래할 수 있다.

이에, 본 발명은 타이어의 원주방향으로 권취되는 보강벨트(500)를 적용함으로써 타이어의 팽창을 막아 스포크 강성의 설정에 높은 자유도를 부여할 수 있다. 상기의 보강벨트(500)는 도5에서 도시된 바와 같이 보강케이블(510)을 1-3회 권취하여 구성된다. 상기 보강케이블(510)은 강성을 향상시키기 위한 복합재 와이어(511)가 내부에 삽입되어 있는 것이 바람직하다. 상기 복합재 와이어(511)는 금속, 강, 탄소, 아라미드, 유리, 광석물의 섬유, 직물섬유 및 고분자 섬유 중 선택되는 하나 이상의 재질을 포함하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 본원발명의 보강벨트(500)는 보강케이블(510)을 이루는 고무, 컴파운드, 직물 등으로 구성된 케이블피복재와 상기 복합재 와이어(511)로 구성됨으로써 다종 물성을 갖게 된다. 상기 보강케이블(510)의 직경(w3)는 0.5~3cm인 것이 바람직하다. 상기의 직경은 너무 작게 되면 타이어 컴파운드를 파고들게 되며 너무 크게되면 타이어의 유니포미티를 해한다.

상기의 보강케이블(510)이 권취되어 형성되는 보강벨트(500)는 하나 또는 그 이상이 병렬로 적용될 수 있다. 즉, 다수의 보강벨트(500)가 적용될 수 있으며, 이는 타이어의 크기, 보강벨트의 강성 등에 의해 조절될 수 있다.

또한, 상기 보강벨트(500)는 외측환형밴드부(200)뿐 아니라 내측환형밴드부(300)나 트레드부(100)에 설치될 수 있다. 트레드부(100)에 설치되는 경우, 정숙한 주행과 보강벨트(500)의 파손을 방지하기 위해 공기입타이어의 서브트레드나 벨트부와 같이 트레드 내부에 삽입설치되는 구성도 적용 가능하다.

도8은 본 발명의 비공기입 타이어에 적용되는 보강벨트가 수회 감긴 실시예의 설명도이다. 상기 보강벨트(500)는 필요에 따라 수회 권취될 수 있으며, 타이어 폭 내에서 원주를 따라서 감기게 된다.

상기와 같은 본 발명의 비공기입 타이어를 정특성 성능평가 중의 하나인 변형정도 시험으로 확인 한 결과가 도7에 나타나 있다. 도7의 시험결과에서의 접지형상 이미지로부터 본 발명의 비공기입 타이어는 접지시 스포크끼리의 간섭현상이 발생되지 않았을 뿐만 아니라 공기압 타이어에서 나타내는 것과 유사한 접지형상을 보이고 있음을 알 수 있다.

아래의 표에서는 본 발명의 서로 다른 구조보강물을 적용했을 때의 타이어 정특성 성능평가 결과 사례 중 일부를 정리한 것이다. 하기의 표에서 나타난 바와 같이 본 발명의 비공기입 타이어는 다 종 물성 구조보강물이 적용된 경우에서 접촉면적 및 측면 강성 값에서 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.

	외측 환형 밴드부 구조 보강제
	적용 없음	다 종 물성 구조보강물	단순 구조 구조보강물
Actual contact area (cm2)	83	90	81
측면 강성	19	20	22

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.

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.

100: 트레드부
200: 외측환형밴드부
300: 내측환형밴드부
400: 스포크부
410: 1차아치부
411: 상단
420: 2차아치부
421, 422: 측벽
423: 보강바
500: 보강벨트
510: 보강케이블
511: 와이어

Claims (5)

1. 지면과 접촉하는 트레드(100)부와, 상기 트레드부(100)에 접하게 되는 외측환형밴드부(200)와, 차량의 휠과 연결되는 내측환형밴드부(300) 및 상기 내측환형밴드부(300)와 외측환형밴드부(200) 사이의 구조적 지지역할을 하는 스포크부(400)를 포함하는 비공기입 타이어에 있어서,
   상기 트레드부(100)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되고,
   상기 외측환형밴드부(200)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 2차아치부(420)들의 각 측벽(421, 422)의 저측 말단은 각각 다른 1차아치부(410)의 상단(411)에 접하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 1차아치부(410)의 상단(411)의 폭(w1)은 상기 내측환형밴드부(300)의 폭(w2)의 60~90%인 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 스포크부(400)는 상기 내측환형밴드부(300)의 외측에 다수개 형성되는1차아치부(410)들과;
   상기 1차아치부(410)의 상측에 형성되는 2차아치부(420)들과;
   상기 2차아치부(420)의 각 측벽(421, 422) 사이에 설치되는 보강바(423);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 내측환형밴드부(300)에, 선형의 보강재가 1-3회전 권취되어 형성되는 보강벨트(500)가 설치되는 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.