[논문]Auxetic Spoke로 설계된 비공기압 타이어의 접지압

김광원; 김두만

doi:10.5139/jksas.2011.39.8.719

Auxetic Spoke로 설계된 비공기압 타이어의 접지압
Contact Pressure of Non-Pneumatic Tires with Auxetic spokes 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.8, 2011년, pp.719 - 724

김광원 (한국항공대학교 항공우주공학과) , 김두만 (한국항공대학교 항공우주공학과)

초록
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비공기압 타이어(Non-Pneumatic tire)는 공기압 타이어와는 다르게 스포크(Spoke)로 공기압의 역할을 담당하는 새로운 타이어이다. 이 타이어는 공기압 타이어의 펑크에 대한 위험과 공기압 유지가 필요 없는 장접을 가졌으며, 공기가 존재하지 않는 우주에서도 사용이 가능하다. 본 연구에서는 음의 각으로 이뤄진 허니컴 구조의 비공기압 타이어를 수직 하중에 따른 접지압을 구하여, 이를 공기압 타이어와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Non_Pneumatic tire (NPT) has spoke to replace air of the pneumatic tires. A NPT appears to have advantages over the conventional pneumatic tire in terms of flat proof and maintenance free. And a NPT can also be used in the space environment since it uses no air for inflation. In this study, the static contact pressure of NPTs with auxetic honeycomb spokes is investigated as a function of vertical loading and is compared with that of a pneumatic tire. The finite element based numerical simulation of the local stress of an airless tire is carried out with ABAQUS for varying vertical force and honeycomb spokes geometries.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

공기압 타이어의 해석은 비공기압 타이어 개발에 있어 참고(reference)가 되는 데이터의 확보를 위해 수행 하였다.
비공기압 타이어의 스포크 설계를 위해 상용코드인 ABAQUS를 이용하였다. 구조 해석을 통해서 비공기압 타이어의 force-deflection 관계를 해석하고, 하중에 따른 스포크의 응력을 비교하여 새로이 설계된 비공기압 타이어의 스포크 특성을 알아보고자 한다.
본 연구는 6각의 허니컴 스포크의 형상에 대하여 음의 각을 가진 허니컴 개발을 위하여 2가지의 음의 각을 제안하고, 이를 공기압 타이어와 비교 하였다. 비공기압 타이어의 스포크 설계를 위해 상용코드인 ABAQUS를 이용하였다.

제안 방법

ABAQUS를 사용한 공기압 타이어의 static stress analysis는 2개의 스텝으로 해석이 진행 되었다. 첫 번째 스텝은 공기압 타이어의 내부에 공기압이 작용하는 스텝으로 205/65R15의 적정 공기압인 210kPa을 적용시켰으며, 두 번째 스텝은 첫 번째 스텝이 진행 된 상태에 3,000N의 수직 하중을 림의 중앙부분에 작용시켰다.
Table 4는 공기압 타이어와 NPT의 해석결과를 비교한 표이다. 각각 750N, 1,500N, 2,250N, 3,000N의 수직하중에 따라 최대 접지압, 스포크의 최대 로칼 스트레스(local stress), 및 타이어의 진행방향의 접지압 차이를 비교하였다. 비교 결과 전반적으로 비공기압 타이어가 공기압 타이어 보다 낮은 접지압을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
7은 비공기압 타이어의 유한요소 모델로 허브는 변형이 일어나지 않는 강체로 모델링 되었으며, 스포크와 내·외부 링은 shell 요소로 모델링 되었다. 비공기압 타이어의 shear band와 트레드 및 접지 도로는 solid type의 요소로 모델링 되었다.
유한요소 해석에 사용한 경계조건은 콘크리트 바닥면을 고정 시켰으며 하중조건은 타이어의 림 중앙부에 집중하중을 가하였다. 이때 타이어의 림 중앙부의 포인트와 타이어 림 파트는 MPC 조건 중 tie조건으로 결합시켜 타이어 림에 집중하중이 가해질 때 타이어의 림이 림 중심점과 함께 거동하도록 해석을 실시하였다.
이 논문에서는 6각형의 셀을 가진 비공기압 타이어를 셀의 각도에 따라 2가지 타입으로 구분하여 각 타입의 force-deflection curve, 접지압 및 로칼 스트레스를 비교 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
유한요소 해석에 사용한 경계조건은 콘크리트 바닥면을 고정 시켰으며 하중조건은 타이어의 림 중앙부에 집중하중을 가하였다. 이때 타이어의 림 중앙부의 포인트와 타이어 림 파트는 MPC 조건 중 tie조건으로 결합시켜 타이어 림에 집중하중이 가해질 때 타이어의 림이 림 중심점과 함께 거동하도록 해석을 실시하였다.

대상 데이터

공기압 타이어의 각 부분의 물성은 Table 1과 같이 벨트 코드는 steel을 사용하였으며, 카카스는 polyester를 사용하였고, 바닥은 concrete를 사용하였으며, 크기는 600mm×400mm×10mm의 크기로 모델링 하였다.
3과 같이 모델링되었다. 공기압 타이어의 비드, 사이드월, 및 트레드는 8절점의 solid type의 C3D8R 요소를 사용하였으며, 카카스와 벨트는 4절점의 shell type의 S4R 요소를 사용하였다.
유한요소 해석을 위한 비공기압 타이어의 각 부분의 물성치는 Table 3과 같다. 내부 및 외부 링은 Steel (E=210GPa, v=0.28)을 사용하였고, 접지 도로는 concrete (E=480GPa, v=0.22)를 사용하였다. 스포크와 shear band는 폴리우레탄을 사용하였으며, 폴리우레탄의 물성치는 Uni-axial, Bi-axial, Planer tension의 실험 결과를 ABAQUS의 Hyperelastic 모델의 input으로 사용하였으며, 고무의 물성치는 공기압 타이어의 고무 물성과 같은 물성치를 사용하였다.
본 연구에서 사용한 공기압 타이어의 모델은 205/65R15의 타이어를 사용하였으며, 유한요소 해석모델과 그 수치는 Fig. 3과 같이 모델링되었다. 공기압 타이어의 비드, 사이드월, 및 트레드는 8절점의 solid type의 C3D8R 요소를 사용하였으며, 카카스와 벨트는 4절점의 shell type의 S4R 요소를 사용하였다.

이론/모형

본 연구는 6각의 허니컴 스포크의 형상에 대하여 음의 각을 가진 허니컴 개발을 위하여 2가지의 음의 각을 제안하고, 이를 공기압 타이어와 비교 하였다. 비공기압 타이어의 스포크 설계를 위해 상용코드인 ABAQUS를 이용하였다. 구조 해석을 통해서 비공기압 타이어의 force-deflection 관계를 해석하고, 하중에 따른 스포크의 응력을 비교하여 새로이 설계된 비공기압 타이어의 스포크 특성을 알아보고자 한다.
22)를 사용하였다. 스포크와 shear band는 폴리우레탄을 사용하였으며, 폴리우레탄의 물성치는 Uni-axial, Bi-axial, Planer tension의 실험 결과를 ABAQUS의 Hyperelastic 모델의 input으로 사용하였으며, 고무의 물성치는 공기압 타이어의 고무 물성과 같은 물성치를 사용하였다.
타이어의 트레드에 사용한 고무의 물성치는 hyperelastic 모델 중 Ogden 에너지 함수를 사용하였으며 해석에 사용한 에너지 함수 및 함수의 계수는 Equation 1과 Table 2에 나타나 있다.

성능/효과

각각 750N, 1,500N, 2,250N, 3,000N의 수직하중에 따라 최대 접지압, 스포크의 최대 로칼 스트레스(local stress), 및 타이어의 진행방향의 접지압 차이를 비교하였다. 비교 결과 전반적으로 비공기압 타이어가 공기압 타이어 보다 낮은 접지압을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 스포크의 로칼 스트레스는 auxetic 구조의 셀의 각도가 커짐에 따라 낮게 나타난다.
- 비공기압 타이어의 force-deflection curve는 2가지 타입 모두 비선형적인 거동을 보였으며, 각이 커짐에 따라 3,000N의 수직하중에 발생하는 변위가 커지는 것을 확인 할 수 있었다.
각각 750N, 1,500N, 2,250N, 3,000N의 수직하중에 따라 최대 접지압, 스포크의 최대 로칼 스트레스(local stress), 및 타이어의 진행방향의 접지압 차이를 비교하였다. 비교 결과 전반적으로 비공기압 타이어가 공기압 타이어 보다 낮은 접지압을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 스포크의 로칼 스트레스는 auxetic 구조의 셀의 각도가 커짐에 따라 낮게 나타난다.
유한요소 해석의 결과 최대 접지압은 0.453 MPa이였으며, shoulder 부분과 crown 부분의 접지압 차이는 0.22MPa이었다.
이 결과들을 종합해보면 비공기압 타이어의 수직강성과 로칼 스트레스는 6각 허니컴의 셀 각이 커질수록 낮아지며, 이를 통하여 비공기압 타이어의 스포크는 각이 큰 6각 허니컴을 사용하면서, 스포크의 두께 조절을 통해 수직강성을 조절할 수가 있다.앞으로 타이어의 성능을 결정하는 구름저항에 대한 연구와 내구성 및 진동 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이러한 비선형 거동은 타이어 내압의 가압과정에서 타이어 재료의 비선형의 거동과 하중이 증가하면서 발생하는 사이드 월의 변형에 따른 비선형 거동 때문에 타이어의 전체적인 거동이 비선형으로 나타난다. 타이어의 수직강성을 나타내는 force-deflection curve의 기울기는 공기압 타이어의 경우 하중이 증가함에 따라 수직강성도 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

이 결과들을 종합해보면 비공기압 타이어의 수직강성과 로칼 스트레스는 6각 허니컴의 셀 각이 커질수록 낮아지며, 이를 통하여 비공기압 타이어의 스포크는 각이 큰 6각 허니컴을 사용하면서, 스포크의 두께 조절을 통해 수직강성을 조절할 수가 있다.앞으로 타이어의 성능을 결정하는 구름저항에 대한 연구와 내구성 및 진동 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	허니컴의 구조는?	허니컴(honeycomb)은 2차원의 셀 모양의 meso-structure가 주기적으로 반복되는 구조를 가지고 있다. 이 허니컴은 out-of-plane 방향의 높은 강성 때문에 가벼운 샌드위치구조에 주로 사용되어져 왔다[4-5].
	비공기압 타이어의 장점은?	비공기압 타이어(Non-Pneumatic tire)는 공기압 타이어와는 다르게 스포크(Spoke)로 공기압의 역할을 담당하는 새로운 타이어이다. 이 타이어는 공기압 타이어의 펑크에 대한 위험과 공기압 유지가 필요 없는 장접을 가졌으며, 공기가 존재하지 않는 우주에서도 사용이 가능하다. 본 연구에서는 음의 각으로 이뤄진 허니컴 구조의 비공기압 타이어를 수직 하중에 따른 접지압을 구하여, 이를 공기압 타이어와 비교하였다.
	비공기압 타이어은 무엇인가?	비공기압 타이어(Non-Pneumatic tire)는 공기압 타이어와는 다르게 스포크(Spoke)로 공기압의 역할을 담당하는 새로운 타이어이다. 이 타이어는 공기압 타이어의 펑크에 대한 위험과 공기압 유지가 필요 없는 장접을 가졌으며, 공기가 존재하지 않는 우주에서도 사용이 가능하다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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