[논문]음의 각을 가지는 허니컴 스포크를 사용한 비 공압타이어의 접지압 분포

김광원; 김두만

음의 각을 가지는 허니컴 스포크를 사용한 비 공압타이어의 접지압 분포
Contact Pressure of Non-Pneumatic Tires with Auxetic Honeycomb Spoke 원문보기

김광원 (한국대학교 항공우주공학과) , 김두만 (한국항공우주연구원)

An airless tire has advantages over the conventional pneumatic tire in terms of flat proof and maintenance free. According to the recently disclosed inventions on the airless tire, non-pneumatic tire (NPT) consists of the flexible polygon spokes. Considering the NPT structure, the spokes undergo the tension-compression cyclic loading while the tire rolls. Therefore the spokes of NPT are required to have both stiffness and resilience under the cyclic tensile-compressible loading. In general, if a material has a high stiffness, it shows a low elastic strain limit. In this paper, using the auxetic honeycomb structure with negative poissons's ratio, the spokes of NPT tire are designed to have both stiffness and resilience. Finite element based numerical simulation of the contact pressure of a NPT is carried out with ABAQUS.

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문제 정의

만약 재료가 높은 강성을 가지면 그 재료는 낮은 탄성변형 한계를 보인다. 본 연구는 음의 각을 가지는 육각 honeycomb을 spoke에 적용시킴으로써 auxetic 구조의 팽창특성이 pneumatic tire의 공압과 같은 역할을 하며 높은 강성과 탄성을 모두 만족하는 spoke를 연구하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 -45℃의 Honeycomb spoke의 cell 각도를 사용하였으며 앞 절에서 선정한 pnuematic tire의 reference 값과 같은 값을 갖도록 spoke의 두께를 7.3mm를 적용하였다. 해석결과 NPT의 force-deflection은 Fig.
본 연구에서는 -45℃의 auxetic 구조의 honeycomb을 spoke에 적용시켜 3000N의 수직하중이 작용할 때의 변형과 접지압을 pneumatic tire와 비교 하였으며 그 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

2와 같이 모델링되었다. Pneumatic tire의 bead, sidewall, 및 tread는 8절점의 solid type의 C3D8R 요소를 사용하였으며 carcass와 belt는 4절점의 shell type의 S4R 요소를 사용하였고 각 부분의 물성은 Table1과 같이 belt cord는 steel을 사용하였으며 carcass는 polyester를 사용하였고 road는 concrete를 사용하였다.
내부 및 외부 링은 Steel (E=210GPa, v=0.28)을 사용 하였고 접지 도로는 Concrete (E=480GPa, v=0.22)를 사용 하였다.
본 연구에서 사용한 Pneumatic tire의 모델은 205/65R14의 타이어를 사용하였으며 Fig.2와 같이 모델링되었다. Pneumatic tire의 bead, sidewall, 및 tread는 8절점의 solid type의 C3D8R 요소를 사용하였으며 carcass와 belt는 4절점의 shell type의 S4R 요소를 사용하였고 각 부분의 물성은 Table1과 같이 belt cord는 steel을 사용하였으며 carcass는 polyester를 사용하였고 road는 concrete를 사용하였다.
본 연구의 대상은 Fig.7과 같이 외경 317mm와 내경 216mm의 NPT이다. NPT는 차체와 연결되는 부분으로 0.

이론/모형

22)를 사용 하였다. 스포크와 Shear Band는 폴리우레탄을 사용하였으며 폴리우레탄의 물성치는 Hyper elastic 모델을 사용하였고 고무의 물성치는 viscoelatice 모델을 사용하였다.

성능/효과

- NPT의 접지압 분포는 하중이 증가함에 따라 longitudinal 방향으로 convex 형상에서 concave 형상으로 변하는 것을 확인 할 수 있었다.
22MPa이었다. Pneumatic tire의 static contact pressure의 분포는 최초 convex 형상의 분포를 보이다가 하중이 증가함에 따라 점차 접지면 중앙의 contact pressure 값이 낮아지면서 concave 형상으로 변하는 것을 확인 할 수 있었다.
3은 pneumatic tire의 force-deflection curve를 보여준다. pneumatic tire의 force-deflection curve를 보면 수직하중의 증가에 따라 pneumatic tire의 변형이 비선형적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 타이어의 수직강성을 나타내는 force-deflection curve의 기울기는 pneumatic tire의 경우 하중이 증가함에 따라 수직강성도 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
pneumatic tire의 force-deflection curve를 보면 수직하중의 증가에 따라 pneumatic tire의 변형이 비선형적으로 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 타이어의 수직강성을 나타내는 force-deflection curve의 기울기는 pneumatic tire의 경우 하중이 증가함에 따라 수직강성도 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.

후속연구

본 연구의 결과로 보아 향후 다양한 형태의 spoke 형태에 관한 연구와 rolling resistance 부분의 연구 등이 진행 된다면 auxetic honeycomb 구조의 spoke를 가지는 NPT의 개발이 가능 할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

NPT는 무엇으로 구성되나?

최근 발표된 non-pneumatic tire(NPT)는 운전 중 펑크에 대한 위험이 없을 뿐 아니라 타이어 내부의 적절한 공압 유지가 필요 없다는 장점이 있다[1-7]. 이 NPT의 발명에 따르면 NPT는 유연한 다각형 spoke와 탄성체 층을 가지는 내,외부 링으로 이루어진다. NPT의 spoke는 타이어가 구르는 동안 인장, 압축의 사이클 하중을 받는다[8,9].

Pneumatic tire의 static stress analysis 해석 진행의 단계는?

Pneumatic tire의 static stress analysis는 2개의 스텝으로 해석이 진행 되었다. 첫 번째 스텝은 pneumatic tire의 내부에 공기압이 작용하는 스텝으로 205/65R14의 적정 공기압인 210kPa을 적용시켰으며 두 번째 스텝은 첫 번째 스텝이 진행 된 상태에 3000N의 수직 하중을 rim의 중앙부분에 작용시켰다.

non-pneumatic tire의 장점은?

최근 발표된 non-pneumatic tire(NPT)는 운전 중 펑크에 대한 위험이 없을 뿐 아니라 타이어 내부의 적절한 공압 유지가 필요 없다는 장점이 있다[1-7]. 이 NPT의 발명에 따르면 NPT는 유연한 다각형 spoke와 탄성체 층을 가지는 내,외부 링으로 이루어진다.

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