KR102350233B1 - 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어 - Google Patents

전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단농화 유체와 이에 응력을 가하는 구조에 의해 회전저항 성능을 높이고 제동 효과를 높이는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어에 관한 것이다.
본 발명은 차축에 연결되는 휠과, 휠의 외주에 결합되어 지면에 접하는 트레드부를 가지는 타이어와, 타이어의 내부에 형성된 밀봉 공간과, 밀봉 공간에 주입된 전단농화 유체와, 휠의 회전에 따라 전단농화 유체에 응력을 가하는 응력 부여부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 타이어의 가속 및 등속 운동시에는 전단농화 유체가 트레드 방향으로 가해지는 힘에 의해 회전저항(RR) 성능이 향상되고, 제동시에는 스포크가 전단농화 유체에 가하는 응력에 의해 점도를 상승시켜 제동력을 크게 하며, 전단농화 유체에 의한 열발생 저감 효과를 높인다.

Description

전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어{Non-pnuematic Tire using Shear-thickening Fluid}
본 발명은 전단농화 유체와 이에 응력을 가하는 구조에 의해 회전저항 성능을 높이고 제동 효과를 높이는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어에 관한 것이다.
타이어는 공기의 주입여부에 따라 공기입 타이어, 비공기입 타이어 및 솔리드 타이어 등으로 분류할 수 있다.
일반적으로 승용차 및 특수목적을 제외한 대부분의 자동차는 공기입 타이어를 사용하고 있다. 공기입 타이어는 림의 플랜지에 타이어의 비드부가 고정되면서 타이어 내부에 공기압을 유지하는 구조를 형성한다. 이러한 공기입 타이어는 구조가 복잡하며, 제조공정수가 8단계 전후에 이른다. 또한, 공기입 타이어는 내부의 공기압을 수시로 점검해야 하고, 주행 중 외부물질에 의한 충격 또는 관통으로 인해 타이어가 손상되는 경우 주행 중 안정성에 문제를 유발할 수 있다.
솔리드 타이어는 타이어에 공기가 충진되지 않고 전체가 고무만으로 된 타이어로서, 견고하지만 진동이 크게 발생하고 충격 흡수가 미흡하여 중장비나 특수 차량에 한정적으로 사용되고 있다.
비공기입 타이어는 공기입 타이어와는 달리, 소재 및 공정의 단순화를 통해 생산비용을 절감할 수 있으며, 압축공기를 전혀 이용하지 않기 때문에 공기압의 손실 또는 타이어 펑크(flat tire)로 인한 사고에 대해 안전한 측면이 있다. 또한, 비공기입 타이어의 제조공정은 공기입 타이어에 비하여 단순하고 공기입 타이어에서 발생할 수 있는 스탠딩 웨이브(standing wave) 현상을 방지하고 회전저항을 개선할 수 있는 이점이 있다.
이러한 비공기입 타이어는 공기입 타이어와 유사하게 차량의 주행에 따른 회전력, 차량 하중 및 조종성을 발휘하려면 차량에 결합되는 휠(wheel)을 필요로 한다. 비공기입 타이어로는 한국공개특허 제2004-0027984호, 한국등록특허 제10-1722715호 등의 개시되어 있다.
특허공개번호 제2004-0027984호는 보강된 환형 밴드와, 휠 또는 허브간의 부하력을 인장된 상태에서 전달하는 다수의 웹 스포크를 포함하는 것으로서, 환형 밴드 및 웹 스포크의 탄성력을 이용하여 노면으로부터의 충격을 흡수하고 웹 스포크 구조를 이용하여 차량의 하중을 지지할 수 있다.
한국등록특허 제10-1722715호는 트레드, 트레드와 차축 연결부 사이에 메쉬 구조로 형성되어 트레드면을 따라 전달되는 하중을 지지하는 스포크부를 포함하며, 차축 연결부는 트레드 또는 스포크부 중 하나와 동일한 재질로 형성되는 구성으로, 타이어의 트레드 또는 스포크와 동일한 재질로 사용하여 타이어와 차축 연결부의 접합면에서 발생할 수 있는 계면파괴 및 분리현상을 방지할 수 있으며, 차량의 하중을 지지하는 스포크부가 트레드와 일체로 형성되어 내피로성이 향상되어 내구성이 증대되어 안정적인 주행이 가능하게 하고 있다.
한국공개특허 제2004-0027984호(공개일 : 2004.04.01.) 한국등록특허 제10-1722715호(등록일 : 2017.03.28.)
본 발명은 전단농화 유체와 이에 응력을 가하는 구조에 의해 회전저항 성능을 높이고 제동 효과를 높이는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어는 차축에 연결되는 휠과, 휠의 외주에 결합되어 지면에 접하는 트레드부를 가지는 타이어와, 타이어의 내부에 형성된 밀봉 공간과, 밀봉 공간에 주입된 전단농화 유체와, 휠의 회전에 따라 전단농화 유체에 응력을 가하는 응력 부여부를 포함한다.
응력 부여부는 휠에 연결되고 밀봉 공간 내부로 연장되어 휠의 회전력에 따라 전단농화 유체에 응력을 가하는 복수의 스포크를 포함한다.
스포크에서 밀봉 공간 내부로 연장된 헤드부는 휠에 연결되는 봉부에 비해 넓은 폭으로 되어 있다.
타이어의 내면과 스포크의 헤드부 사이에는 시일링하는 시일부재가 구비된다.
본 발명에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어에 의하면, 타이어의 가속 및 등속 운동시에는 전단농화 유체가 트레드 방향으로 가해지는 힘에 의해 회전저항(RR) 성능이 향상되고, 제동시에는 스포크가 전단농화 유체에 가하는 응력에 의해 점도를 상승시켜 제동력을 크게 하며, 전단농화 유체에 의한 열발생 저감 효과를 높인다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어를 나타내는 구성도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어의 가속 및 등속 운동시의 작용 상태도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어의 제동시의 작용 상태도이다.
도 4는 도 1의 응력 부여부의 구동을 조정하는 구동 조정부를 나타내는 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 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 1은 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어를 나타내는 구성도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 비공기입 타이어는 휠(110)과, 타이어(120)와, 전단농화 유체(130)와, 응력 부여부(140), 시일부재(150)를 포함한다.
휠(110)은 차축에 연결되며 휠축(111)의 길이방향 양측에서 반경방향으로 연장되어 타이어(120)에 연결되며, 비공기입 타이어의 일반적 형태나 다양한 형태로 될 수 있다. 휠축(111)의 중간에는 응력 부여부(140)의 후술하는 보스부가 외삽된다.
타이어(120)는 휠(110)의 외주에 결합되어 지면에 접하는 트레드부(121)를 구비한다. 트레드부(121)의 고무 조성물은 원료고무, 보강성 충진제, 그리고 수산기 말단 폴리부타디엔(hydroxy terminated polybutadien, HTPB)를 포함하는 가공 오일를 포함할 수 있으며, 다양한 고무 조성물로 제조될 수 있다.
타이어(120)의 내부에는 시일부재(150)로 시일링되어 내부에 밀봉 공간(S1)이 형성되고, 밀봉 공간에는 전단농화 유체(130)가 주입된다. 타이어(120)에는 전단농화 유체(130)를 주입하기 위한 주입구 및 밸브가 구비되며, 지면에 접하는 트레드부(121)의 면을 제외한 면, 즉 타이어(120)의 측면에 형성된다.
전단농화유체(shear-thickening fluid, 130)는 물질에 응력을 가하면 그 물질의 점도가 높아지고 응력이 제거되면 원래 상태의 점도로 돌아가는 물질이다. 전단농화현상은 3가지 원인으로 발생하는데, 1) 가교로 발생하는 전단(Shear induced crosslinking), 2) 비가우스 사슬에 의한 인장응력(Extentional shear induced non-Gauss chain), 3) 공간망 구조의 형성(the formation of space network structure)가 그 원인이다.
이러한 발생원인을 갖는 전단농화물질은 크게 두 종류로 나뉘는데, 1) 입자를 포함한 계(Particle based system), 2) 입자를 불포함한 계(Non-particle based system)이다.
'입자를 포함한 계'는 운송유체(carrier fluid)와 입자로 구성된다. 보편적으로 사용되는 운송유체는 물, 에틸렌 글리콜(Ethylene Glyncol, EG), 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glyncol, PEG) 등이 있는데, 이 중에서 EG와 PEG는 상온에서 화재안정성, 무극성, 높은 끓는점과 낮은 어는점 등의 특징이 있으므로 널리 사용된다. 이와 함께 사용되는 입자는 '건식 실리카(Fumed Silica)', 티타늄옥사이드(Titanium Oxide), 칼슘카보네이트(Calcuim Carbonate), 옥수수 전분(Cornstarch)을 비롯한 여러 종류가 있는데, 입자 크기, 형태, 구조, 운송유체와의 상호작용성 등의 특성을 고려하여 다양한 물질들이 사용가능하다. 이 형태의 전단농화유체는 초기에 운송유체에 소량의 입자를 넣어 혼합하면서 목표로 하는 성능이 발현되는 목표 비율이 될 때까지 입자를 조금식 추가하는 방법으로 제조한다.
'입자를 불포함한 계'는 유리전이온도 전후에서의 폴리머의 성질을 이용한 것으로서, 붕산(Boric Acid)를 포함한 폴리비닐알코올(Poly vinyl alcohol), 붕산(Boric Acid)를 포함한 PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 있다.
전단농화유체의 대표적인 예는 '입자를 포함한 계'에 속하는 물이 있으며, 산업 분야의 대표적 사용예는 실리카를 베이스로 한 물질을 물과 혼합하여 방탄소재로써 활용하고 있다. 또한, 표면에서 페인트, 바니쉬 및 이와 유사한 도포물을 제거하기 위한 코팅 제거제로 그래피티(고적의 벽에 그려 놓은 그림) 제거제로 비행기에 사용되는 방빙(方氷) 장치 등으로 사용된다.
전단농화유체는 물혼화성(용해) 유기액과 농화첨가제를 함유하는 유체로, 구체적으로 물과 혼화성이 있는 유기액, 알루미나, 겔화제 및 물의 조성으로 될 수 있다.
유기액은 물에 어떤 비율로도 완전히 혼화될 필요는 없지만 일반적으로 수용성으로 생각될 수 있는 정도로 충분한 혼화성을 가져야 한다. 바람직하게는 유기액은 적어도 30중량% 정도로는 물에 용해되거나 혼화되도록 용해도와 혼화성을 가져야 한다. 유기액은 조성물에서 30~58중량%가 사용될 수 있다.
알루미나는 수화 알루미나로 이루어진 것으로, 이는 조성물에서 칙소트로픽성의 기능을 갖는다. 알루미나는 분말로도 사용할 수 있지만 일반적으로 슬러리나 알루미나 분산액의 형태, 특히 베마이트 알루미나를 수용액 특히 탈이온화수에 혼합하는 것이 바람직하다. 알루미나 분산액은 분산액 형성방법과 사용하는 알루미나의 형태, 알루미나 분산액의 점성도에 따라 알루미나를 1~30중량%를 함유할 수 있다.
겔화제는 알루미나, 즉 조성물을 응집하거나 겔화하도록 작용하는 화합물 또는 물질이다. 겔화제는 알루미나를 겔화시키거나 또는 응집시켜 조성물이 충분한 점성을 갖도록 하는 특성을 가져야 한다. 특히 겔화제는 전단력을 가하였을 때 조성물의 점성이 감소되는 것을 보여주는 형태이어야 한다. 겔화제의 구체적 예로는 알루미늄나이트레이트, 염화알루미늄, 페릭나이트레이트, 염화철, 마그네슘나이트레이트, 염화나트륨, 마그네슘아세테이트, 수산화암모늄 등이다. 겔화제는 일반적으로 0.001~10중량%가 사용될 수 있다.
물은 알루미나 분산 및/또는 겔화제에 사용된 물을 포함하여 물의 양은 적어도 10중량%, 일반적으로 10~90중량%가 사용될 수 있다.
응력 부여부(140)는 휠(110)의 회전에 따라 전단농화 유체(130)에 응력을 가하는 부분이며, 일단은 휠(110)의 중심에 연결되고 타단은 밀봉 공간(S1) 내부로 연장되어 휠(110)의 회전력에 따라 전단농화 유체(130)에 응력을 가하는 복수의 스포크(날개살)로 되어 있다. 스포크에서 밀봉 공간(S1) 내부로 연장된 헤드부(141)는 휠(110)의 중심부에 연결되는 봉부(142)에 비해 넓은 폭으로 되어 있다. 봉부(142)는 보스부(143)를 통해 휠(110)의 휠축(111)에 연결된다.
시일부재(150)는 타이어(120)의 내면과 스포크(응력 부여부, 140)의 헤드부(141) 사이를 시일하는 부재로서, 밀봉 공간(S1)에 주입된 전단농화 유체(130)가 새지 않게 하는 다양한 형태의 시일구조로 될 수 있다.
도 2은 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어의 가속 및 등속 운동시의 작용 상태도이고, 도 3는 본 발명의 실시예에 의한 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어의 제동시의 작용 상태도이다.
도시한 바와 같이, 차량이 주행방향(V)으로 주행시 도 2의 가속 및 등속 운동시에는 응력 부여부(140, 스포크)가 타이어(120)의 회전(R1)와 동일하게 회전(P1)하므로 전단농화 유체(130)의 점도변화에는 영향을 주지 않는다. 타이어(120)가 회전하기 시작하면 전단농화 유체(130)에는 구심력에 의한 원심력(F)의 작용으로 인해 타이어(120)의 트레드부(121) 방향으로 힘이 가해지고 이 힘 때문에 유체의 점도가 증가하여 손실 에너지의 완화로 인해 RR(회전저항) 성능이 강화된다.
차량이 주행방향(V)으로 주행시 도 3의 제동시에는 타이어(120)의 회전(R1)과 관계없이 정지하도록 하므로써, 전단농화 유체(130)는 관성에 의해 원래 회전하는 대로 움직이려 하기 때문에 응력 부여부(140, 스포크)의 감속력(P2)에 따라 저항력(F2)이 발생하고, 전단농화 유체(130)의 점도는 점점 증가하여 결국 회전력을 잃게 되므로 제동효과가 상승된다.
이때, 전단농화 유체(130)는 차량의 가속, 감속(제동)에 따라 생기는 열발생 저감 효과를 높인다.
한편, 도 2의 가속 및 등속운동시와, 도 3의 제동시에 응력 부여부(140)의 구동을 조정하기 위해 구동 조정부(160)를 설치한다. 도 4는 도 1의 응력 부여부의 구동을 조정하는 구동 조정부를 나타내는 사시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이 구동 조정부(160)는 고정 잇빨(161a)이 형성된 고정부재(161)와, 회동 잇빨(162a)이 형성된 회동부재(162)로 이루어지는 래칫 기구로 되어 있다. 고정 잇빨(161a)과 회동 잇빨(162a)은 서로 물리거나 떨어질 수 있도록 고정부재(161)와 회동부재(162)가 서로 마주보게 설치된다. 구동 조정부(160)는 응력 부여부(140)의 헤드부(141)측, 또는 보스부(143)측에 설치된다.
구동 조정부(160)가 응력 부여부(140)의 헤드부(141)측에 설치될 경우에는 고정부재(161)가 타이어(120)의 트레드부(121)의 내면에 일체화 또는 고정 설치되고, 회동부재(162)는 헤드부(141) 외면에 일체화 또는 고정 설치된다. 구동 조정부(160)가 응력 부여부(140)의 보스부(143) 측에 설치될 경우에는 고정부재(161)가 휠(110)의 휠축(111)의 외면에 일체화 또는 고정 설치되고, 회동부재(162)는 보스부(143)의 내면에 일체화 또는 고정 설치된다.
이와 같이 설치된 구동 조정부(160)는 도 2의 가속 및 등속운동시에는 회동부재(162)의 회동 잇빨(162a)이 고정부재(161)의 고정 잇빨(161a)에 물리지 않으므로, 응력 부여부(140, 스포크)가 타이어(120)의 회전(R1)와 동일하게 회전(P1)한다. 그리고, 도 3의 제동시에는 회동부재(162)의 회동 잇빨(162a)이 고정부재(161)의 고정 잇빨(161a)에 물리므로, 타이어(120)의 회전(R1)과 관계없이 정지한다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110: 휠 120: 타이어
121: 트레드부 130: 전단농화 유체
140: 응력 부여부(스포크) 141: 헤드부
142: 봉부 143: 보스부
150: 시일부재 160: 구동 조정부
161: 고정부재 161a: 고정 잇빨
162: 회동부재 162a: 회동 잇빨
S1: 밀봉 공간

Claims (4)

  1. 차축에 연결되는 휠과,
    상기 휠의 외주에 결합되어 지면에 접하는 트레드부를 가지는 타이어와,
    상기 타이어의 내부에 형성된 밀봉 공간과,
    상기 밀봉 공간에 주입된 전단농화 유체와,
    상기 휠의 회전에 따라 상기 전단농화 유체에 응력을 가하는 응력 부여부를 포함하고,
    상기 응력 부여부는 상기 휠에 연결되고 상기 밀봉 공간 내부로 연장되어 상기 휠의 회전력에 따라 상기 전단농화 유체에 응력을 가하는 복수의 스포크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스포크에서 상기 밀봉 공간 내부로 연장된 헤드부는 상기 휠에 연결되는 봉부에 비해 넓은 폭으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 타이어의 내면과 상기 스포크의 헤드부 사이에는 시일링하는 시일부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 전단농화 유체를 이용한 비공기입 타이어.
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