[논문]실험적 방법에 의한 Tire 변형 특성 연구

강수철; 구본희

문제 정의

본 연구는 스트레인 게이지를 이용하여 공기압및 수직하중 작용 시 타이어의 비드 및 사이드월부에서의 변형특성을 실험적으로 고찰한 내용으로, 비드 내구성에 영향을 미치는 사이드월 부의변형특성을 파악하기 위해 이들 변형율 측정 결과와 비드부 내구성 평가를 위한 실내 주행시험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 타이어의 사이드월 및 비드부의변형특성을 실험적으로 파악하고, 또한 이들 특성과 비드부 내구성과의 상관관계를 분석하기 위해 타이어에 작용하는 공기압 및 하중 조건에 따른 변형특성을 스트레인 게이지를 이용하여 측정하였다. 시험에 사용한 타이어는 P195/70R14 규격의 타이어로서 각각 카카스 프로파일(profile) 및 비드 필러(bead filler)의 높이 및 형상, 카카스턴업(tum up)부의 높이가 다른 타이어를 사용하여 변형특성을 측정하였다.

제안 방법

공기압 및 하중 작용 시 타이어의 비드 및 사이드월부에서의 카카스 코드에 대한 변형 특성을측정하기 위해 사이드월 고무를 일부 제거한 후카카스 코드상에 일정 간격으로 스트레인 게이지를 부착하여 하중 조건별 카카스 코드에서의 변형특성을 측정하였다. 그림 7 은 공기압 및 수직하중 작용시 각 타이어에 대한 카카스 코드에서의 스트레인 분포를 나타낸 것이다
그림 1.에서와 같이 타이어의 비드 필러 끝 부분에 45° 로제트(rosette) 타입의 스트레인 게이지를 부착한 후 공기압 및 하중작용 시 변형특성을 측정하였다. 그림 3.
비드 필러 끝 부분에서의 스트레인 측정 방향은, 카카스 코드와 수직한 방향을 "Z", 평행한 방향을 ”R" 로 표시하였으며, “Z" 또는 ”R” 방향과 45° 방향을 "45"로 구분하였다. 두번째로 카카스 코드에서의 변형 특성을 측정하기 위해서는 비드 및 사이드월의 일부분을카카스가 표면에 드러날 수 있도록 절단 작업을 통해 사이드월 일부분을 제거하였으며, 노출된카카스 코드에 일정 간격으로 스트레인 게이지를 부착한 후 공기압 및 하중조건별 카카스 코드에서의 변형특성을 측정하였다.
적절한 방법이라고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 앞에서 언급하였던 타이어의 구조적 취약 부분 중 비드(bead) 사고와 관련이 깊은 사이드월 부의 변형특성을 실험적 방법으로 측정하였으며 이 결과와 실내에서 주행드럼을 이용한 타이어의 비드 내구 시험결과와 비교하였다.
주행 시험 결과를 상호 비교하였다. 먼저 비드 필러 끝 부분의 경우, 이 부분에 대한 두께 방향 변형특성 측정을 위해 그림 1.에 도시된바와같이 임의의 절단 작업을 통해 비드 필러 일부분을 가공하였으며, 가공된 부분에 스트레인 게이지를 부착하여 여러 가지 하중조건에 대해 변형 특성을 측정하였다. 비드 필러 끝 부분에서의 스트레인 측정 방향은, 카카스 코드와 수직한 방향을 "Z", 평행한 방향을 ”R" 로 표시하였으며, “Z" 또는 ”R” 방향과 45° 방향을 "45"로 구분하였다.
본 연구에서 실시한 주행시험은 일정시간 타이어를 드럼에서 주행한 후 비드부 단면을 확인하여 사고 유무를 판단하는 방법을 사용하였으며 각 시험 타이어에 대한 주행시험 결과 및 사고 유형은 표 1. 에 정리하였다.
본 연구에서는 앞에서 언급한바와 같이 타이어 각 부분 중 비드 내구성과 상관성이 깊은 설계 인자들의 변형특성을 파악하기 위해 각각의 설계 인자를 변경한 시험용 타이어에 대해 구조적으로 취약한 부분으로 알려진 비드 필러 끝 부분, 비드 및 사이드월 부분의 카카스 등 다양한 부분에 대해 스트레인 게이지를 부착한 후 각 하중 조건별 변형특성을 측정하였으며, 각 측정결과와 실내 주행 시험 결과를 상호 비교하였다. 먼저 비드 필러 끝 부분의 경우, 이 부분에 대한 두께 방향 변형특성 측정을 위해 그림 1.
비드 및 사이드월부의 변형특성 측정결과와 비교하기 위해 유한요소 해석을 실시하였다. 유한요소 해석의 경우 변형특성 측정결과에서 비드내구성 측면에서 변형특성이 유리한 경향을 보인 B 타이어와 불리할 것으로 판단되는 D 타이어에대해 실시하였으며, 상용 프로그램인 ABAQUS 를 이용하였다.
유한요소 해석의 경우 변형특성 측정결과에서 비드내구성 측면에서 변형특성이 유리한 경향을 보인 B 타이어와 불리할 것으로 판단되는 D 타이어에대해 실시하였으며, 상용 프로그램인 ABAQUS 를 이용하였다. 유한요소 해석에는 3차원 모델을사용하였으며, 5, 600 절점, 7, 200 요소를 사용하여모델링 하였고, 카카스의 경우 4 절점 멤브레인요소를 사용하였다. 그림 9는 공기압 및 수직하중이 작용하는 경우 카카스 에서의 래디얼 방향스트레인 분포를 나타낸 것이다.
유한요소 해석의 경우 변형특성 측정결과에서 비드내구성 측면에서 변형특성이 유리한 경향을 보인 B 타이어와 불리할 것으로 판단되는 D 타이어에대해 실시하였으며, 상용 프로그램인 ABAQUS 를 이용하였다. 유한요소 해석에는 3차원 모델을사용하였으며, 5, 600 절점, 7, 200 요소를 사용하여모델링 하였고, 카카스의 경우 4 절점 멤브레인요소를 사용하였다.
나타낸 것이다. 타이어의 각 부분에 부착된각각의 스트레인 게이지는 AD 변환기에 연결되어 공기압 및 하중변화시 게이지가 부착된 위치에서의 변형율을 정량적으로 측정하였다
타이어의 비드 및 사이드월 부 변형특성과 비드부 내구성과의 상관성을 파악하기 위해 실내에서 주행시험기를 이용한 비드 내구 주행시험을실시하였다. 본 연구에서 실시한 주행시험은 일정시간 타이어를 드럼에서 주행한 후 비드부 단면을 확인하여 사고 유무를 판단하는 방법을 사용하였으며 각 시험 타이어에 대한 주행시험 결과 및 사고 유형은 표 1.

대상 데이터

시험에 사용한 타이어는 P195/70R14 규격의 타이어로서 각각 카카스 프로파일(profile) 및 비드 필러(bead filler)의 높이 및 형상, 카카스턴업(tum up)부의 높이가 다른 타이어를 사용하여 변형특성을 측정하였다.
앞에서 언급한바와 같이, 본 연구에서 사용한시험 타이어는 비드 및 사이드월부가 달리 설계된 타이어로서, B 타이어를 제외한 다른 시험 타이어의 경우(A, C, D 타이어) 카카스 턴업의 위치는 림 체크 라인으로부터 40mm 전, 후에 위치하고 있다. 따라서 카카스 코드에서의 스트레인분포는 카카스 턴업 위치가 다른 타이어와 달리설계된 B 타이어를 제외하고는 모두 유사한 분포를 보여주고 있다.

성능/효과

즉, 100% 하중 작용 시 측정된 각 방향별 스트레인 값에서 공기압만 작용시의 스트레인 값을 제외한 값을 나타낸 것이다. 45° 방향의 스트레인 진폭이 가장 큰 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 비드 필러 끝 부분에서는 공기압 및 하중의 변화에 의해 45° 방향의 스트레인 진폭이 가장 크게 발생함을 알 수 있다.
결론적으로, 이상의 타이어의 비드 및 사이드월부 변형특성과 비드부 내구성 평가를 위한 실내 주행시험 결과를 정리해 볼 때, 림 체크 라인부근에서의 카카스 코드의 변형특성은 타이어의비드 내구성과 비교적 상관성이 높은 것으로 판단 된다.
비드부 크랙이었다. 따라서 이 부분에서의변형특성이 비드 내구성에 많은 영향을 미치고있음을 확인할 수 있었다.
에서 알 수 있는바와 같이 실내 주행시험 결과 주행시간을 만족한 타이어는 A 와 B 타이어이며, 다른 타이어의 경우는 주행시간을 만족하지 못하고 중간에 사고가 발생하였다. 또한 주행 완료 후 시험 타이어의 비드부를 조사해본 결과 B 타이어를 제외하고 모두 비드부에서 크랙(crack)이 발생하였으며, 특히 비드부에서 사고가 발생한 A, C, D 타이어의 경우 정도의 차이는 있지만 모두 림 체크라인 부근의 카카스 코드 절단에 의해 비드부에 크랙이 발생하였음을 확인할 수 있었다.
유한요소 해석 결과, B 타이어에 대비 D 타이어의 래디얼 방향 스트레인 값이 크게 발행함을 확인할 수 있다. 또한 각 타이어 모두 비드 코드 부분에서 가장 큰 변형율이 발생하고 있으며, 실험 결과와 비교적 잘 일치하고 있음을 확인할 수
45° 방향의 스트레인 진폭이 가장 큰 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 비드 필러 끝 부분에서는 공기압 및 하중의 변화에 의해 45° 방향의 스트레인 진폭이 가장 크게 발생함을 알 수 있다.

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