KR101339821B1 - 비공기입 타이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압축공기를 이용하지 않은 차량용 비공기입 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노면의 접지부에서 압축하중의 원활한 분산으로 진동을 저감하고 내구성을 향상시킨 비공기입 타이어에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 노면(100)과 접지하는 트레드(1)와, 이 트레드(1)의 내측에 배치된 보강환형부재(2) 및, 상기 보강환형부재(2)와 휠(3) 사이에 배치되는 웹 스포크(4)를 구비하여 이루어진 비공기입 타이어에 있어서, 상기 보강환형부재(2)와 휠(3) 사이에 배치되는 웹 스포크(4)는 아치형의 상부 아치부(5a)와 하부 아치부(5b)로 이루어진 이중 아치부로 이루어지되, 상기 상부 아치부(5a)는 휠(3)에 접하면서 보강환형부재(2)에 접한 하부 아치부(5b)와 서로 연결되어 이루어진 구조로 되어 있다.

Description

비공기입 타이어{Non pneumatic tire}

본 발명은 압축공기를 이용하지 않은 차량용 비공기입 타이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노면의 접지부에서 압축하중의 원활한 분산으로 진동을 저감하고 내구성을 향상시킨 비공기입 타이어에 관한 것이다.

비공기입 타이어는 일명 무공압 타이어, 또는 에어리스 타이어 등 다양한 명칭으로 사용되고 있는데, 현재 사용되고 있는 공기입 타이어와는 달리 압축공기를 이용하지 않기 때문에 펑크(Punk)와 같은 안전사고 위험에 보다 유리하고, 사용되는 재료의 재활용 가치로 큰 잇점 등이 있다.

이와 같은 비공기입 타이어의 대표적인 기술인 대한민국 공개특허 제2004-27984호는 도 6에 도시된 바와 같이 지면(100)과 접촉하는 트레드(101)와 이 트레드(101) 내측에 배치된 보강환형밴드(102) 및, 상기 보강환형밴드(102)의 방사상 내측으로 위치한 웹 스포크(104,Web spoke)로 구성된 비공기입 타이어를 보여주고 있다.

여기서 상기 보강환형밴드(102)는 종방향 인장계수가 매우 크며, 지면과 접촉되어 편평해져도 길이는 항상 일정하게 유지된다. 웹 스포크(104)는 지면과 접촉되는 부위에서는 구부러지나 이외 부분에서는 길이가 일정한 보강환형밴드의 특성으로 인해 인장되어 휠(103)과 보강환형밴드(102) 사이에서 부하력을 전달하고, 차량의 하중을 지지하게 된다.

그렇지만, 상기 웹 스포크(104)는 인장에는 강하지만 압축에는 약한 구조이고, 보강환형밴드 또한 굽힘 저항력이 낮기 때문에 하중(차이 중량)이 작용하면 웹 스포크는 좌굴이 발생하고, 외부 하중이 과도해지면 타이어가 붕괴되는 현상(휠과 보강환형밴드가 닿게 되는 현상)이 일어난다. 그리고, 타이어 주행시 접지부 스포크는 구부러졌다가, 접지 이탈부에서 갑작스럽게 회복되는 과정을 반복하는데, 이는 스포크의 진동을 유발한다.

또한, 도 6과 같이 웹 스포크(104)가 보강환형밴드(102)를 당김으로 인해 이 보강환형밴드(102)는 웨이브 형상이 되어 주행 중 진동을 유발한다. 이러한 진동은 타이어 내구성능에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 차량에도 진동이 전달되어 더욱 큰 문제를 야기한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 노면과 접지하는 부분에서 압축하중을 골고루 분산시키고 접지 이외의 부위에서는 인장에 약한 아치(Arch) 현상을 유지시킴에 따라 타이어의 진동저감과 내구성을 향상시키는 공기입 타이어를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 노면과 접지하는 트레드와 이 트레드의 내측에 배치된 보강환형부재 및, 상기 보강환형부재와 휠 사이에 배치되는 웹 스포크를 구비하여 이루어진 공기입 타이어에 있어서, 상기 보강환형부재와 휠 사이에 배치되는 웹 스포크는 아치형의 상부 아치부와 하부 아치부로 이루어진 이중 아치부로 이루어지되, 상기 상부 아치부는 휠에 접하면서 보강환형부재에 접한 하부 아치부와 서로 연결된 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명에 따른 비공기입 타이어는 노면과 접지하는 트레드 부위에서 전달받는 압축하중을 골고루 분산시키고 접지 이외의 부위에서는 인장에 약한 아치형상을 유지시키어 타이어 진동을 저감할 뿐만 아니라, 내구성 향상으로 타이어 수명연장의 기능을 갖도록 되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비공기입 타이어의 전체 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 비공기입 타이어가 지면하중을 받은 상태에서의 전체 단면도,
도 3 (A)와 (B)는 본 발명에 따른 비공기입 타이어에서 하부 아치에서 전달되는 하중과 반력을 설명하는 도면으로, (A)는 하중 전달상태이고, (B)는 반력 전달상태를 설명하는 도면들,
도 4는 본 발명과 종래 공개특허 타이어의 진동 관찰인자를 확인하는 도면과 그래프,
도 5는 본 발명과 종래 공개특허 타이어의 변형에너지 관찰결과 도면,
도 6은 종래 공개특허에 제시한 비공기입 타이어의 단면도이고,
도 7은 직선형 비임(Beam)과 아치형상의 인장력 비교 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 비공기입 타이어의 전체 단면도를 보여주고 있는바, 본 발명은 도면에 도시된 바와 같이 노면(100)과 접지하는 트레드(1)와, 이 트레드(1)의 내측에 배치된 보강환형부재(2) 및, 상기 보강환형부재(2)와 휠(3) 사이에 배치되는 웹 스포크(4)를 구비하여 이루어진 비공기입 타이어에 있어서, 상기 보강환형부재(2)와 휠(3) 사이에 배치되는 웹 스포크(4)는 아치형의 상부 아치부(5a)와 하부 아치부(5b)로 이루어진 이중 아치부로 이루어지되, 상기 상부 아치부(5a)는 휠(3)에 접하면서 보강환형부재(2)에 접한 하부 아치부(5b)와 서로 연결되어 있다.

여기서 상기 하부 아치부(5b)는 트레드(1)의 내측에 위치하는 보강환형부재(2)와 연결되어 있으며, 그리고, 상기 상하부 아치부(5a,5b)들은 서로 대응 이웃하는 해당 상하부 아치부들과 교체 연결되어 휠(3) 및 보강환형부재(2)와 연결되어 폐쇄된 공간(6)들을 형성하고 있다.

한편, 상기 보강환형부재(2)는 외부 충격이나 진동을 흡수하고 완화시키는 기능을 가지며, 이중 아치부를 갖는 웹 스포크(4)는 차량의 무게를 지지하면서 보강환형부재(2)에서 발생하는 하중을 휠(3)에 전달하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 웹 스포크(4)의 이중 아치부를 이루는 상하부 아치부(5a,5b)의 아치형 스포크의 배열은 필요에 따라 조정 설정하여 승차감과 관련된 타이어의 강성을 제어할 수 있다.

도 2는 본 발명의 비공기입 타이어가 노면(100)에 접지된 상태를 보여주는 타이어의 단면도이고, 제 3 (A)와 (B)는 하중 발생시 압축력과 반력의 힘 전달 상태를 보여주는 도면들로서, 노면(100)에서 하중이 화살표 (가)방향으로 들어오면 상부 아치부(5a)는 도 3 (A)와 같이 하부 아치부(5b)에서 전달되는 하중을 압축력으로 분산시키고, 이 압축력은 이웃한 좌측의 하부 아치부(5b)로 재전달하며, 이 하부 아치부(5b)는 이를 압축력으로 재분산시켜 좌측의 상부 아치부(5a)로 하중을 재전달하는데, 이러한 힘 전달과정(실선 화살표 참조)이 좌측으로 연속 진행되어 하중이 분산 전달된다.

한편, 상기 하부 아치부(5b)에 의해 우측으로 작용하는 압축력은 도 3 (B)에 도시된 바와 같이 하중이 화살표 (가)방향으로 들어오면 이중 아치부로 이루어진 웹스포크(4)가 좌굴하지 않도록 상부 아치부(5a)에서 반력이 점선 화살표 방향으로 발생하게 되고, 이로 인해 상기 하부 아치부(5b)에서 하중이 압축력으로 분산되며, 상기 상부 아치부(5a)가 좌굴하지 않도록 하부 아치부(5b)에서 발생하는 반력에 의해 상부 아치부(5a)에서 하중이 분산되는데, 이러한 과정이 우측으로 연속 진행되어 하중이 분산된다.

그리고 노면(100)과 접지하는 이중 아치부를 갖는 웹 스포크(4)에서는 이 이중 아치부에 압축력이 작용하지만, 접지 이외의 부분에서는 이중 아치부에 인장력이 발생하게 된다. 일반적으로 아치형상은 직선 비임(Beam)보다 인장에 약한데, 이는 유한 요소법을 이용하여 검증이 가능하다.

일례로, 도 7에 도시된 바와 같이 동일 길이(10m)의 동일 단면형상(1×1㎡), 동일 물성(스틸), 동일 요소수(5개)를 가진 모델인 직선형 비임과 아치형상에 대하여 각각 양쪽 선단에서 동일 하중(1000N)의 힘(Force)을 화살표 방향으로 가하는 경우, 하중 방향의 변위는 아치형상이 직선형 비임 대비 750배 크게 나타난다.

이 같이 본 발명에 따른 비공기입 타이어는 노면과 접지하는 부위에서는 압축력을 잘 분산시키고 접지 이외의 부위에서는 인장력에 약한 구조를 갖추게 된다.

본 발명에 따른 비공기입 타이어는 공기압 타이어와 같이 압축공기를 사용하지 않고, 환형밴드나 스포크와 같은 구조에 의해서 지지되는 비공기입 타이어를 제공하기 위한 것으로, 종래 비공기입 타이어의 웹 스포크와는 달리 아치형 스포크를 원주 상으로 배열시켜 하중을 분산시켜 내구성을 향상시킴과 동시에 승차감 및 조종 안정성의 성능향상을 기대할 수 있다. 효과 검증을 위해 175/60R14 규격에 대해 종래 공개특허 제2004-27984호의 비공기입 타이어와 본 발명의 비공기입 타이어를 3차원 유한요소 모델화하였다.

통상적인 공기입 타이어의 수직강성(=하중/변형량)과 비공기입 타이어의 수직강성이 거의 동일한 값(19.6kgf/mm)을 가지도록 스포크의 배열 수를 조정하였다. 스포크의 두께는 동일하게 유지하고, 기타 보강환형부재와 휠부는 동일한 구조, 두께를 가진다. 동일하중(392kgf)에 대해서, 진동 우위를 관찰하기 위해 도 4와 같이 최외각의 반지름값을 비교하였다. 제시 기술의 반지름 변화가 종래 공개특허 대비 매우 작은 것을 확인할 수 있으며, 종래 공개특허의 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 웹 스포크에 의해 웨이브가 크게 발생하고 있다.

또한, 스포크 내구 성능 판단을 위한 변형에너지(Strain Energy Density)를 관찰한 결과, 도 5와 같이 본 발명에 따른 비공기입 타이어는 종래 공개특허 대비 9%의 변형에너지가 감소하였다.

1 : 트레드, 2 : 보강환형부재,
3 : 휠, 4 : 웹 스포크(Web spoke),
5a : 상부 아치(Arch)부, 5b : 하부 아치부,
6 : 공간.

Claims (5)

1. 노면(100)과 접지하는 트레드(1)와, 상기 트레드(1)의 내측에 배치된 보강환형부재(2) 및, 상기 보강환형부재(2)와 휠(3) 사이에 배치되는 웹 스포크(4)를 구비하여 이루어진 비공기입 타이어에 있어서,
   상기 보강환형부재(2)와 휠(3)사이에 배치되는 웹 스포크(4)는 아치형의 상부 아치부(5a)와 하부 아치부(5b)로 이루어진 이중 아치부로 이루어지되, 상기 상부 아치부(5a)는 휠(3)에 접하면서 보강환형부재(2)에 접한 하부 아치부(5b)와 서로 연결되고,
   타이어가 좌측 및 우측으로 진행할 때 압축력을 상하부 아치부(5a,5b)에 분산되어 전달되도록 상기 상하부 아치부(5a,5b)들은 원주상으로 서로 대응 이웃하는 해당 상하부 아치부들과 교체 연결되며,
   상기 상하부 아치부(5a,5b)들은 휠(3) 및 보강환형부재(2)와 연결되어 폐쇄된 공간(6)들이 연속 형성된 것을 특징으로 하는 비공기입 타이어.
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