공기입 타이어

공기입 타이어{PNEUMATIC TIRE}

본 발명은 공기입 타이어에 관한 것이다.

일반적으로 공기입 타이어는 노면에 직접 접촉되는 트레드부(Tread, 10)와, 트레드부(10) 내측에서 다른 구성요소의 보호층 역할을 하는 캡 플라이(Cap ply, 20)와, 타이어의 골격을 이루는 카카스(Carcass, 30)와, 림에 결합되는 비드(Bead, 40)와, 상기 비드(40)를 감싸 비드(40)가 받는 충격을 완화시키는 에이펙스(Apex, 50)와, 상기 카카스(30)의 안쪽에 위치되며 내부의 공기가 새지 않도록 하는 인너라이너(Innner Liner, 60)와, 상기 트레드부(10)와 비드(40)를 연결하며 타이어가 굴신 운동을 하도록 하는 사이드 월(Side wall, 70) 및 상기 트레드부(10)와 카카스(30) 사이에 설치되는 하나 이상의 벨트(Belt, 80)를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에는 일반적인 공기입 타이어(1, 2)의 단면 구조를 나타낸 도면이 도시되어 있다.

여기서, 공기입 타이어의 편평비(Aspect Ratio)란, 타이어 단면 폭(TSW)에 대한 타이어 단면 높이(H)의 비에 100을 곱한 값으로서, 일반적으로 도 1에 도시된 것과 같이 55이상의 높은 편평비를 갖는 고편평비 타이어(1)는 승차감, 소음 성능이 우수하다는 장점을 갖고, 도 2에 도시된 것과 같이 55미만의 낮은 편평비를 갖는 저편평비 타이어(2)는 고편평비 타이어와 비교하여 제동, 핸들링, 쏠림, 연비, 고속 주행 안전성이 탁월하다는 장점을 갖는다.

상기 두 가지 타이어의 장점을 결합하기 위하여, 종래에는 주행방향을 중심으로 하여 좌우 림의 직경을 다르게 하는 비대칭 구조의 타이어가 개발되었다. 도 3에는 종래의 비대칭 구조의 타이어(3)의 단면을 나타낸 도면이 도시되어 있다.

그러나, 상기와 같이 림 직경을 다르게 하는 경우 승차감 및 핸들링 성능은 향상시킬 수는 있으나, 타이어의 좌우 강성이 대칭이 되지 않기 때문에 차량 하중을 지지하는데 있어서 최적화된 성능을 보이기 어렵다. 또한, 핸들링 성능은 약간 향상되지만, 타이어의 다른 여러 가지 주행 성능이 향상되는 효과가 미미하다.

본 발명의 실시예들은 향상된 주행 성능뿐만 아니라 우수한 내구력 성능과 연비를 효과적으로 확보할 수 있는 비대칭 구조의 공기입 타이어를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 트레드부, 캡플라이, 카카스, 에이펙스, 비드, 사이드부 및 벨트를 포함하고, 폭방향 중심선(C)을 기준으로 좌우 비대칭인 공기입 타이어에 있어서, 좌측 및 우측의 타이어 외경은 같으면서 림 직경이 서로 상이하고, 좌측 및 우측의 상기 사이드부의 두께가 서로 상이한 공기입 타이어가 제공될 수 있다.

본 측면에서, 상기 좌측 및 우측의 림 직경이 각각 D1, D2이고, 좌측 및 우측의 편평비(Series)가 S1, S2이고, 상기 좌측 및 우측의 사이드부의 두께가 각각 T1, T2일 때, (D1 / D2) x (S1 / S2) ≠ 1, T1 ≠ T2를 동시에 만족할 수 있다.

본 측면에서, 상기 트레드부 표면의 좌측 및 우측의 패턴 형상이 서로 상이할 수 있다.

본 측면에서, 상기 좌측 및 우측 중 어느 한 쪽에는 올시즌(All Season)용 패턴이 형성되고, 다른 한 쪽에는 여름(Summer)용 패턴이 형성될 수 있다.

본 측면에서, 좌측 및 우측의 상기 카카스의 연장 길이가 서로 상이하여 상기 사이드부의 좌측 및 우측 중 어느 한 쪽이 더 보강될 수 있다.

본 측면에서, 상기 벨트의 좌측 끝단과 우측 끝단 중 어느 한 쪽에만 상기 캡플라이가 적용될 수 있다.

본 측면에서, 좌측 및 우측의 상기 비드의 코드 구조가 서로 상이하게 형성될 수 있다.

본 측면에서, 상기 좌측 및 우측의 사이드부의 모듈러스(Modulus)가 서로 상이할 수 있다.

본 측면에서, 상기 좌측 및 우측 중 어느 한 쪽의 사이드부을 이루는 고무조성물의 모듈러스가 다른 한 쪽을 이루는 고무조성물의 모듈러스의 1.3배 이상일 수 있다.

본 측면에서, 좌측 및 우측의 상기 에이펙스의 모듈러스가 서로 상이하고, 상기 좌측 및 우측 중 어느 한 쪽의 에이펙스의 모듈러스가 다른 한 쪽의 에이펙스의 모듈러스의 1.2배 이상일 수 있다.

본 측면에서, 좌측 및 우측의 상기 에이펙스를 이루는 물질이 서로 상이할 수 있다.

본 측면에서, 상기 좌측 및 우측 중 어느 한 쪽에만 섬유 코드가 포함된 에이펙스가 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 공기입 타이어의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 차량의 주행 성능뿐만 아니라 내구력 성능, 연비 및 발열성능을 동시에 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 고편평비 타이어의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 저편평비 타이어의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 좌우 림의 직경이 상이한 타이어의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 타이어와 도 4의 공기입 타이어의 타이어 강성, 회전저항 및 내구력 성능을 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 6은 종래의 타이어와 도 5의 공기입 타이어의 벨트 끝단에서의 변형에너지를 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 종래의 타이어와 도 4의 공기입 타이어의 주행 중 온도분포를 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 종래의 타이어와 도 4의 공기입 타이어의 조종 안정성을 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어에 대하여 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어의 타이어 단면 구조를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어(100)는 트레드부(110), 캡플라이(120), 카카스(130), 비드(140), 에이펙스(150), 사이드부(170) 및 벨트(180)를 포함하고, 폭방향 중심선(C)을 기준으로 좌측 및 우측의 타이어(100) 외경은 같으면서 좌측 및 우측의 림 직경이 서로 상이하고, 동시에 좌측 및 우측의 사이드부(170)의 두께가 서로 상이할 수 있다. 여기서, 폭방향은 타이어(100)의 회전축의 연장 방향을 지칭할 수 있다.

타이어(100)의 좌측 및 우측의 림 직경이 다르므로, 타이어(100) 단면의 양측 높이가 서로 다르게 이루어질 수 있다. 즉, 본 실시예의 공기입 타이어(100)는 단면의 좌측 및 우측은 높이가 서로 상이하고, 동시에 사이드부(170)의 두께가 서로 상이하게 구성될 수 있다. 여기서, 사이드부(170)는 타이어(100)의 좌측 및 우측에서 트레드부(110)와 림을 연결하는 부분으로, 카카스(130), 인너라이너(미도시) 및 카카스(130)와 인너라이너를 감싸는 고무조성물인 사이드 월을 포함할 수 있다. 또한, 사이드부(170)의 두께는, 좌측 또는 우측의 사이드부(170) 각각에서 두께가 가장 작은 부분의 두께를 지칭한다.

구체적으로, 타이어(100)의 좌측 및 우측의 림 직경을 각각 D1, D2라 하고, 좌측 및 우측의 사이드부(170)의 두께를 각각 T1, T2라 하고, 좌측 및 우측의 편평비를 각각 S1, S2라 할 때, 본 실시예의 공기입 타이어(100)는 아래의 [수학식 1]을 만족시킬 수 있다. 여기서, 좌측 및 우측의 편평비인 S1, S2는 각각 S1=(H1/TSW)x100, S2=(H2/TSW)x100로 구해질 수 있다. H1 및 H2는 각각 타이어(100) 단면의 좌측 및 우측의 높이이고, TSW는 타이어(100) 단면의 폭이다.

[ 수학식 1]

(D1 / D2) x (S1 / S2) ≠ 1

T1 ≠ T2

즉, 본 실시예의 공기입 타이어(100)는 좌측과 우측의 림 직경의 비와 좌측과 우측의 편평비의 비를 곱한 값이 1이 되지 않으면서, 좌측과 우측의 두께가 서로 상이한 조건을 동시에 만족할 수 있다.

더 나아가, 좌측과 우측 중 편평비가 더 작은 부분에서 사이드부(170)의 두께가 더 클 수 있다. 즉, S1의 값이 S2보다 작은 경우 T1이 T2보다 크고, S1의 값이 S2보다 큰 경우 T1이 T2보다 작을 수 있다.

한편, 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측 및 우측의 타이어(100) 외경은 같으면서 좌측 및 우측의 림 직경이 서로 상이하고, 좌측 및 우측의 사이드부(170)의 두께가 서로 상이하고, 동시에 트레드부(110) 표면의 좌측 및 우측의 패턴 형상이 서로 상이할 수 있다. 여기서, 패턴 형상이란, 패턴이 연장된 모양, 패턴을 형성하는 홈의 깊이, 패턴의 수, 패턴 사이의 간격 등을 포함할 수 있다.

예컨대, 도 4를 참조하면, 고편평비를 갖는 부분인 TSW2에는 올시즌(All Season)용 패턴 형상을 적용하고, 저편평비를 갖는 부분인 TSW1에는 여름(Summer)용 패턴 형상을 적용할 수 있다. 여기서, 여름용 패턴 형상은 올시즌용 패턴 형상보다 패턴 블록의 강성이 크게 설계될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

또 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측과 우측의 카카스(130)의 연장 길이가 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 좌측과 우측 중 어느 한 쪽의 카카스(130)의 연장 길이 대비 다른 한 쪽의 연장 길이보다 길 수 있다. 이 경우, 카카스(130)의 연장 길이가 긴 쪽에서 타이어(100)의 강성이 더 커져, 비대칭 구조를 이룰 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측과 우측의 벨트(180) 끝단 중 어느 한 쪽에만 캡플라이(120)를 적용하고, 다른 한 쪽에는 캡플라이(120)를 적용하지 않을 수 있다. 이 경우, 캡플라이(120)가 적용된 쪽에서 타이어(100)의 강성이 더 커져, 비대칭 구조를 이룰 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측 및 우측의 비드(140)의 코드 구조를 서로 상이하게 구성할 수 있다. 비드(140)의 코드 구조는, 비드(140)의 재질, 비드(140)의 형상, 비드(140)의 강성 등을 포함할 수 있다. 이 경우, 타이어(100) 양측의 강성이 달라져 비대칭 구조를 이룰 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측 및 우측의 사이드부(170)의 모듈러스(Modulus)가 서로 상이할 수 있다. 일 예로, 사이드부(170)을 이루는 고무조성물의 모듈러스에 차이가 있을 수 있다. 구체적으로, 좌측과 우측 중 어느 한 쪽의 사이드부(170)을 이루는 고무조성물의 모듈러스가 다른 한 쪽을 이루는 고무조성물의 모듈러스의 1.3배 이상일 수 있다. 다른 예로, 사이드부(170) 내부에 제공되는 에이펙스(150)의 모듈러스와 좌측과 우측에서 서로 상이할 수 있다. 이 경우, 어느 한 쪽의 에이펙스(150)의 모듈러스가 다른 한 쪽의 에이펙스(150)의 모듈러스의 1.2배 이상일 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 공기입 타이어(100)에서는 좌측 및 우측의 에이펙스(150)를 이루는 물질이 서로 상이할 수 있다. 예컨대, 좌측과 우측 중 어느 한 쪽에는 섬유 코드가 포함된 에이펙스(150)가 제공되고, 다른 한 쪽에는 섬유 코드가 포함되지 않은 에이펙스(150)가 제공될 수 있다.

상술된 여러 실시예들은 하나의 공기입 타이어(100)에 각각 적용될 수도 있고, 또는 두 개 이상의 실시예가 조합되어 하나의 공기입 타이어(100)에 적용될 수도 있다. 두 개 이상의 실시예가 조합되는 경우, 타이어(100)의 원주방향의 중심선을 기준으로 좌우를 비대칭하게 하는 방식으로 조합될 수 있다.

도 5는 종래의 타이어(1~3)와 도 4의 공기입 타이어(100)의 타이어 강성, 회전저항 및 내구력 성능을 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.

좌측 열부터 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1, 도 1), 종래의 저편평비를 갖는 타이어(2, 도 2), 종래의 좌우 림의 직경이 상이한 타이어(3, 도 3), 및 본 실시예의 공기입 타이어(100)에 대한 실험 결과이다. 본 실시예의 공기입 타이어(100)에서 좌우측의 림의 직경과 편평비는 (D1 / D2) x (S1 / S2) = 1.027를 이루고, 림의 직경이 큰 쪽에서 사이드부의 두께가 다른 쪽의 1.1배이다. 또한, 림의 직경이 큰 쪽에서 카카스의 턴업(turn-up) 높이를 더 높게 하고, 에이펙스로서 섬유 코드가 적용된 플리퍼(Flipper)를 적용하였다.

도 5는 공기입 30psi와 하중 500kgf를 적용하여 타이어의 수직 강성(VSR, Vertical Spring Rate), 회전저항(RRc, Rolling Resistance coefficient), 내구력 성능을 분석한 유한요소해석 결과이다. 도 5를 참조하면, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)를 적용한 경우 종래의 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3)나 저편평비를 갖는 타이어(2)보다 타이어의 수직 강성(VSR)이 향상되었다. 또한, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)에서는 회전저항(RRc)이 종래의 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3)나 고편평비를 갖는 타이어(1)를 적용한 것 보다 작아졌다. 회전저항이 작아질수록 연비가 향상될 수 있다.

즉, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)를 적용하는 경우 저편평비를 갖는 타이어(2)보다 타이어의 강성을 더 확보하면서 고편평비를 갖는 타이어(1)를 사용하는 경우보다 연비를 향상시킬 수 있다. 그리고, 종래의 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3)를 적용할 때보다 더 큰 효과를 나타낼 수 있다.

도 6은 종래의 타이어(도 1 내지 도 3)와 도 4의 공기입 타이어의 벨트 끝단에서의 변형에너지(Strain Energy)를 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.

위부터 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1), 종래의 저편평비를 갖는 타이어(2), 종래의 좌우 림의 직경이 상이한 타이어(3), 및 본 실시예의 공기입 타이어(100)에 대한 실험 결과이다. 본 실시예의 공기입 타이어(100)는 상술된 도 5의 실험에서와 동일한 비대칭 구조를 갖는다.

도 6은 표준 공기입에서 동일한 하중을 적용하였을 때 벨트 끝단에서의 변형에너지를 해석하여 색상 및 수치로 나타낸 것이다. 일반적으로, 하중이 적용될 때 스틸로 구성된 벨트 끝단이 가장 취약하며, 변형에너지 값이 클수록 내구력 성능이 작다는 것을 의미한다. 도 6을 참조하면, 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1), 저편평비를 갖는 타이어(2) 및 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3)보다 본 실시예의 비대칭 타이어(100)가 대체적으로 더 낮은 변형에너지 값을 보인다.

따라서, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)는 종래의 타이어(1, 2, 3)보다 향상된 내구력 성능을 나타냄을 알 수 있다.

도 7은 종래의 타이어(도 1 내지 도 3)와 도 4의 공기입 타이어의 주행 중 온도분포를 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.

위부터 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1), 종래의 저편평비를 갖는 타이어(2), 종래의 좌우 림의 직경이 상이한 타이어(3), 및 본 실시예의 공기입 타이어(100)에 대한 실험 결과이다. 본 실시예의 공기입 타이어(100)는 상술된 도 5의 실험에서와 동일한 비대칭 구조를 갖는다.

도 7은 표준 공기입에서 동일한 하중을 적용하고, 타이어가 80km/h 속도로 회전하고 있을 때 타이어 내부에 발생하는 온도분포를 해석하여 나타낸 것이다. 온도에 있어서도 벨트 끝단이 가장 취약한데, 도 7을 참조하면, 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1), 저편평비를 갖는 타이어(2) 및 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3)보다 본 실시예의 비대칭 타이어(100)에서 더 낮은 온도분포를 보이고 있다.

즉, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)는 종래의 타이어(1, 2, 3)보다 주행 중 발열성능도 향상된 효과를 보임을 알 수 있다.

도 8은 종래의 타이어(도 1 내지 도 3)와 도 4의 공기입 타이어의 조종 안정성을 비교한 실험 결과를 보여주는 도면이다.

좌측 열부터 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1), 종래의 저편평비를 갖는 타이어(2), 종래의 좌우 림의 직경이 상이한 타이어와 그 좌우가 바뀐 타이어(3, 3'), 및 본 실시예의 공기입 타이어와 그 좌우가 바뀐 타이어(100, 100')에 대한 실험 결과이다. 본 실시예의 공기입 타이어(100)에서 좌우측의 림의 직경과 편평비는 (D1 / D2) x (S1 / S2) = 0.974를 이루고, 나머지 조건은 상술된 도 5의 실험에서 적용된 비대칭 구조와 동일하다.

도 8은 표준 공기입에서 동일한 하중을 적용하여 Force & Moment를 분석한 해석 결과이다. 여기서, CC(Cornering Coefficient)와 ATC(Aligning Torque Coefficient)는 핸들링 성능 또는 조종 안정성을 나타낸다. 조종 안정성은 타이어를 주행방향에 대하여 일정각도(슬립각)로 이탈시킴으로써 시험될 수 있는데, 괄호 안의 숫자는 상기 슬립각을 나타낸다. 또한, LF(Lateral Force)는 타이어가 주행방향에서 이탈하였을 때 발생하는 횡방향 힘으로서, 주행방향에서 이탈 시 타이어가 무너지지 않고 버틸 수 있는 힘을 나타낸다. 일반적으로 CC 값은 클수록, ATC 값은 작을수록, 그리고 LF 값이 클수록 조종 안정성이 우수함을 의미한다.

도 8을 참조하면, 본 실시예의 비대칭 타이어(100, 100')를 적용한 경우 종래의 고편평비를 갖는 타이어(1) 및 저편평비를 갖는 타이어(2)보다 CC 값과 LF 값이 더 크다. 따라서, 편평비의 크기에 관계 없이, 종래의 대칭 구조의 타이어에서보다 핸들링 성능 또는 조종 안정성이 크게 향상되었음을 알 수 있다.

또한, 종래의 좌우 림의 직경만이 상이한 타이어(3, 3')보다도 CC값과 LF 값이 더 크다. 도 5 내지 도 7의 실험 결과를 함께 고려하면, 본 실시예의 비대칭 타이어(100)는 좌우 림의 직경만을 상이하게 한 종래의 비대칭 구조의 타이어(3, 3')보다 향상된 조종 안정성을 나타내면서, 더 우수한 내구력 성능, 연비 및 발열성능을 나타낼 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 공기입 타이어의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

100, 100': 공기입 타이어 110: 트레드부
120: 캡플라이 130: 카카스
140: 비드 150: 에이펙스
170: 사이드부 180: 벨트