[논문]공기압 타이어와 비 공기압 타이어의 노면 충격 시 에너지 손실 연구

김진규; 조홍준; 김희철; 김두만

doi:10.7467/ksae.2014.22.1.110

공기압 타이어와 비 공기압 타이어의 노면 충격 시 에너지 손실 연구
The Analysis of Energy Loss of Pneumatic Tire and Non-pneumatic Tire on Impact 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.1, 2014년, pp.110 - 116

김진규 (한국항공대학교 항공 우주 및 기계공학과) , 조홍준 (한국항공대학교 항공 우주 및 기계공학과) , 김희철 (한국항공대학교 항공 우주 및 기계공학과) , 김두만 (한국항공대학교 항공 우주 및 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the prevention of environmental pollution, there have been many researches which are eco-friendly vehicles in the automobile industry. In this paper, we studied for the non-pneumatic tires(NPT)can increase fuel consumption compared to conventional pneumatic tires. On driving, energy loss of tires occur when tires impact an obstacle on the road. This energy loss directly is relate to the fuel efficiency. Therefore, the energy loss of non-pneumatic tires is compared before and after impact. In this study, the results of energy loss of non-pneumatic tires and pneumatic tires was compared, when tires are rolled over an obstacle. As a result, the energy loss of non-pneumatic tires was less than pneumatic tires. This researches were performed the ABAQUS using finite element method and obtained the difference of velocity and kinetic energy from the program.

주제어

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문제 정의

따라서, 이번 연구에서는 스포크 구조를 사용하는 비 공기압 타이어와 기존의 공기압 타이어의 연비 효율을 비교하기 위해서 에너지 손실을 계산하여 비교하였다. 본 연구에서 제안하는 비 공기압 타이어는 스포크 구조를 가지고 스틸 링(steel ring)이 삽입된 쉐어 밴드(shear band) 그리고 트레드(tread)로 구성되어 있으며 공기압 타이어의 공기압을 대신하는 스포크 구조는 차량 주행 시 타이어가 인장과 압축을 받으므로 이에 견디기 위하여 필요한 강성과 탄성을 가진 폴리우레탄을 사용하였다.
본 논문에서는 공기압 타이어와 비 공기압 타이어의 돌기를 넘을 때 발생되는 충격에 의한 에너지 손실을 비교 분석하였으며 결론은 다음과 같다.

가설 설정

점탄성의 성질에 의해 물체는 외력에 의한 변형 후 회복 시간에 따라 에너지 손실이 발생하게 되고, 에너지 손실은 외력 또는 충격 강도에 따라 다르게 나타난다.³⁾ 차량 주행 시, 타이어는 회전 운동을 통해 운동에너지를 얻는데 외부 충격으로 인하여 타이어의 내부 에너지는 손실을 입게 된다. 이때 발생하는 에너지 손실은 타이어를 구성하는 고무 재료의 점탄성 특성으로 인하여 초기상태의 에너지로 완전히 회복하지 못하면서 나타나게 된다.
타이어가 돌기와 충돌하고 나서 지면과 충돌(P점)까지의 관계는 아래 식들과 같이 정리할 수 있다. C점에서의 충돌에서처럼 P점에서의 충돌 전 후의 각 운동량과 충격량은 동일하다고 가정한다. 지면과 충돌하기 전 각 운동량과 속도 및 각속도를 L_p1,v₂,w₂로 정의하고, 충돌 후의 값은 L_p2, v₃, w₃으로 정의한다.
이 과정에서 타이어는 돌기의 점 C와 지면의 점 P에서 충돌이 일어난다. 충돌 과정에서 타이어의 변형으로 인한 에너지 손실을 제외하기 위하여 타이어를 강체로 가정하여 하였다. 강체의 에너지 손실 식의 전개는 다음과 같다.

제안 방법

ABAQUS 프로그램을 이용해 모델링한 지면은 돌기(Obstacle)를 포함하여 170mm x 2800mm의 사이즈이고 돌기는 타이어 반지름의 7.5%의 높이로 형상화하였다. Fig.
Fig. 2는 본 연구에 사용되어진 185/70R 규격을 지닌 공기압 타이어로 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 타이어를 차량에 장착 시켜주는 림(rim), 타이어의 골격이 되는 카카스(carcass), 타이어 강성을 높여 주는 벨트(belt) 그리고 두꺼운 고무 층으로 노면과 직접 맞닿는 트레드(tread) 부분을 나누어 모델링 하였다. 공기압 타이어의 트레드와 림은 Solid type(C3D8R)로, 카카스와 벨트는 shell type(M3D4R)로 모델링 하였다.
4는 타이어와 돌기의 충돌 전 모습이다. 돌기는 타이어가 회전을 하는 시점부터 1회전하는 지점 1800mm에서 충돌을 하며 Fig. 5와 같이 타이어의 반지름을 이용하여 돌기의 높이와 폭 그리고 충돌 전 거리를 형상화 하였다. 돌기의 높이는 20.
본 연구는 타이어가 돌기를 넘을 때 발생하는 충격으로 인한 에너지 손실에 대하여 비교, 분석을 하였고, 해석은 차량의 실제 주행상태와 유사한 조건으로 진행하였다. 타이어는 정지되어 있는 상태에서 중심축에 회전력을 가하면 내부에 운동에너지가 축적되고 돌기와 충돌 후 운동에너지의 변화가 생긴다.
본 연구로 허니컴 스포크 구조를 갖는 비 공기압 타이어는 공기압 타이어보다 충격에 의한 에너지 손실이 낮음을 타이어와 돌기 간의 충돌 전후의 에너지 비교를 통해 확인하였다. 향후 연구로는 비 공기압 타이어가 모래나 일반도로와 같이 물성이 다른 지면을 이동할 때 생기는 에너지 손실에 관하여 연구가 진행하고자 한다.
step3는 속도가 감소하는 실제 상황을 고려하여 속도의 조건을 활성 시키지 않았다. 이런 점을 고려하여 총 세 가지의 step을 사용하여 연구를 진행하였고, Fig. 6, Fig. 7은 비 공기압 타이어의 시간대 별 중심축 속도와 운동에너지그래프이다.
타이어의 중심축에 속도와 하중을 가해주었고 step에 따라 조건을 다르게 해석하였다. 타이어는 차량에 결합되어 하중을 받고 운전자는 서서히 가속페달을 밟아 타이어에 구동력을 전달한다.

대상 데이터

2는 본 연구에 사용되어진 185/70R 규격을 지닌 공기압 타이어로 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 타이어를 차량에 장착 시켜주는 림(rim), 타이어의 골격이 되는 카카스(carcass), 타이어 강성을 높여 주는 벨트(belt) 그리고 두꺼운 고무 층으로 노면과 직접 맞닿는 트레드(tread) 부분을 나누어 모델링 하였다. 공기압 타이어의 트레드와 림은 Solid type(C3D8R)로, 카카스와 벨트는 shell type(M3D4R)로 모델링 하였다. 설계한 공기압 타이어는 총 세 가지 물성으로 구성된다.
따라서, 이번 연구에서는 스포크 구조를 사용하는 비 공기압 타이어와 기존의 공기압 타이어의 연비 효율을 비교하기 위해서 에너지 손실을 계산하여 비교하였다. 본 연구에서 제안하는 비 공기압 타이어는 스포크 구조를 가지고 스틸 링(steel ring)이 삽입된 쉐어 밴드(shear band) 그리고 트레드(tread)로 구성되어 있으며 공기압 타이어의 공기압을 대신하는 스포크 구조는 차량 주행 시 타이어가 인장과 압축을 받으므로 이에 견디기 위하여 필요한 강성과 탄성을 가진 폴리우레탄을 사용하였다.⁵⁾
비 공기압 타이어 요소(element)의 형태는 2가지를 사용하였으며 스포크(spoke), 쉐어밴드(shear band), 트레드는 solid type(C3D8R)요소 그리고 링은 shell type(M3D4R)요소를 사용하였다. 각 부분의 물성치는 세 가지 종류로 구성되었다.
공기압 타이어의 트레드와 림은 Solid type(C3D8R)로, 카카스와 벨트는 shell type(M3D4R)로 모델링 하였다. 설계한 공기압 타이어는 총 세 가지 물성으로 구성된다. 벨트는 steel cord, 카카스 층은 polyester로 이루어져 있다.
각 부분의 물성치는 세 가지 종류로 구성되었다. 트레드는 공기압 타이어에서 사용되어진 synthetic rubber를 사용하였으며 링은 공기압 타이어와 동일한 고강도가의 물성을 사용하였고, 쉐어밴드와 스포크는 폴리우레탄을 사용하였다. 폴리우레탄은 고무와 같이 식(10)의 ogden 모델을 적용하였고 그 계수는 Table 3과 같다.

데이터처리

본 연구는 새롭게 제안하는 음의 셀각(Auxetic)의 허니컴 구조를 가지는 비 공기압 타이어와 기존의 공기압 타이어의 회전 시 노면 돌기와의 충격에 의한 에너지 손실을 비교 분석하였고, 결과 값은 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 도출하였다.

이론/모형

벨트는 steel cord, 카카스 층은 polyester로 이루어져 있다. 지면과 접지하는 트레드와 사이드 월과 같은 공기압 타이어의 고무 층은 synthetic rubber로서 초탄성 거동을 해석하기 위하여 Ogden 3차식을 사용하였고, 식 (10)에 표기하였다. 그리고 각 물성치의 제원들은 Table 1에서 확인할 수 있다.

성능/효과

1) 비 공기압 타이어가 돌기를 넘은 후 속도 손실은 11.1%이고 공기압 타이어의 속도 손실은 17.6%이다. 비 공기압 타이어의 속도 손실이 적으므로 비 공기압 타이어의 속도 회복력이 보다 우수하다.
2) 공기압 타이어의 운동에너지 손실은 28.1%, 비 공기압 타이어의 운동에너지 손실은 15%로 비 공기압 타이어의 운동에너지 손실이 더 적다. 이는 운동에너지는 속도와 비례하고 공기압 타이어의 공기압을 대신하는 스포크 구조가 속도 회복에 영향을 주기 때문이다.
3) 따라서 허니컴 스포크 구조를 가지는 비 공기압 타이어는 공기압 타이어에 비해서 충돌 시 에너지 손실이 적기 때문에 연비효율 역시 우수하다.
10은 공기압 타이어가 돌기를 넘을 때 운동에너지 변화를 보여준다. 운동에너지는 2.2초에 27.77N-m로 최대로 감소했고, 충돌 후 운동에너지는 지속적으로 다시 증가하여 회복하였다. 초기 운동에너지는 86.

후속연구

본 연구로 허니컴 스포크 구조를 갖는 비 공기압 타이어는 공기압 타이어보다 충격에 의한 에너지 손실이 낮음을 타이어와 돌기 간의 충돌 전후의 에너지 비교를 통해 확인하였다. 향후 연구로는 비 공기압 타이어가 모래나 일반도로와 같이 물성이 다른 지면을 이동할 때 생기는 에너지 손실에 관하여 연구가 진행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주행저항 분야는 어떻게 구분되는가?	주행저항 분야는 크게 내부저항과 타이어 구름저항 두 분으로 연구되어지고 있다. 이 중 한 분야인 타이어 구름저항을 세부적으로 나눠보면 트레드에서 공기와 접촉으로 발생하는 공력 저항과 타이어 재료의 탄성 특성에 의해 발생하는 에너지 손실로 구분할 수 있다.
	일반적으로 타이어에 쓰이는 고무는 어떤 물질인가?	이 중 한 분야인 타이어 구름저항을 세부적으로 나눠보면 트레드에서 공기와 접촉으로 발생하는 공력 저항과 타이어 재료의 탄성 특성에 의해 발생하는 에너지 손실로 구분할 수 있다.2) 일반적으로 타이어에 쓰이는 고무는 초탄성 재료로 부분적 균일한 결정을 갖는 다결정 물질이다. 점탄성의 성질에 의해 물체는 외력에 의한 변형 후 회복 시간에 따라 에너지 손실이 발생하게 되고, 에너지 손실은 외력 또는 충격 강도에 따라 다르게 나타난다.
	타이어가 회전 운동을 할때 발생하는 충격에 의한 에너지 손실은 어떤 결과를 가지고 오는가?	이때 발생하는 에너지 손실은 타이어를 구성하는 고무 재료의 점탄성 특성으로 인하여 초기상태의 에너지로 완전히 회복하지 못하면서 나타나게 된다. 이러한 충격에 의한 에너지 손실은 초기 속도와 충돌 후 속도차이를 통해 운동에너지 변화로 표현할 수 있으며 충격에 의한 에너지 손실은 차량 주행에 있어서 연비의 효율을 낮추는 결과를 가지고 온다.4)

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
T. Rhyne and S. M. Cron, "Tire Energy Loss from Obstacle Impact," Tire Science and Technology, Vol.35, No.2, pp.141-161, 2007.

상세보기
T. Rhyne and S. M. Cron, "Developement of a Non-pneumatic Wheel," Tire Science and Technology, Vol.1, No.34, pp.150-169, 2006.
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M. Ramachandran, Nonlinear Finite Element Analysis of $Tweel^{TM}$ Geometric Parameter Modifications on Spoke Dynamics during Rolling, M. S. Thesis, Clemson University, Clemson, 2008.
S. Bezgam, Design and Analysis of Alternating Spoke Pair Concepts for a Non-pneumatic Tire with Reduced Vibration at High Speed Rolling, M. S. Thesis, Clemson University, Clemson, 2009.
M. Ramachandran, S. Bezgam, L. L. Thomson, J. C. Ziegert, T. Rhyne and S. M. Cron, "On the Effects of Edge Scalloping for Collapsible Spokes in a Non-pneumatic Wheel during High Speed Rolling," ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Vol.13, No.19, IMECE 2009-11342, 2009.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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