연일 버스와 관련된 사고로 여론이 왁자지껄하다. 필자도 금번 사고에 대해 각종 언론과의 인터뷰와 자료 제공 등으로 정신이 없는 상황에서, 현재 언론에서 집중적으로 다루고 있는 재생타이어의 품질 보증 문제와는 다소 다른 시각으로 본 사고를 조명하고자 한다.

중요한 단서는 아래와 같다.

1. 시내주행 차량
2. 여름철 장마 이후
3. CNG 버스

재생타이어의 내구성에 문제가 100% 있다면, 시내 주행 뿐 아니라 고속도로에서도 비슷한 비율로 사고가 발생해야 한다. 여름 장마 이후에 사고가 집중된다는 것은, 타이어의 과열로 인한 문제이다. CNG 버스에서 이러한 사고가 과거 보다 많은 비율로 발생한다는 것은 버스 하부의 구조 변화가 일부 원인일 수 있는 것이다.

물론, 재생타이어의 성능 문제가 직접적인 원인이지만, 그러한 사고가 발생하게 된 근본적인 배경은 다소 복합적이라고 판단된다. 타이어 관련 대형 사고는 크게 두가지로 나뉜다. 트레드 분리와 비드파열이다.

트레드 분리는 고속내구 성능 시험에서 발생하는 사고 유형이고, 타이어가 저압일 경우 스탠딩웨이브로 인한 과열로 파손이 발생할 가능성이 높아진다. 타이어 내부 온도가 급격히 상승하고 이로 인해 고무물성이 약해지면서, 타이어에서 가장 약한 부분인 사이드월과 트레드가 접하는 부분이 터지면서, 타이어가 제 기능을 발휘하지 못해 대형 사고로 이어지는 것이다. 비드 파열은 림의 온도가 급격히 올라가 비드와 접한 접촉 부위가 변형되면서 두께가 얇아져 파손되는 것으로, 사고 부위가 확연히 다르다. 물론 공통점은 두 사고 모두 타이어의 과열이 주요 원인이라는 것이다.

물론 사고 영상을 자세히 살펴보면, 분명 트레드가 분리된 모습이다. 이는 타이어의 성능에 문제가 있는 것이고, 안전에 가장 중요한 고속 내구 성능이 저하된 모습인 것은 분명하다.
그러나, 타이어의 온도 상승은 고속으로 연속 주행하면서 스탠딩웨이브가 발생하는 것만이 원인은 아니다. 다른 원인으로 온도가 급격히 상승하고, 이로 인해 타이어 전체에서 가장 약한 부위가 파손되는 결과를 초래할 수 있는 것이다.

그림 1은 브레이크 드럼(Drum)에서 발생한 열이 림(Rim)에 전달되는 메커니즘을 도시한 것이다. 드럼식 브레이크 차량이 시내에서 급발진과 급제동을 거듭하면서 특히 여름철에 드럼의 온도가 급격히 상승할 수 있다. 그림 2에 나타낸 바와 같이, 3시간 정도 주행과 제동을 거듭할 경우 드럼의 온도는 최대 300℃까지 상승한다. 이렇게 발생한 마찰열은 대부분 그림에서 보는 바와 같이 대류에 의해 림으로 전달된다. 하절기에 림의 온도는 180℃ 이상으로 상승한다. 온도가 높게 상승하면서 타이어 비드 플랜지(Tire Bead Flange) 부위의 변형이 심하게 일어나고 이로 인해 크랙(Crack)이 발생하여 버스트(Burst) 사고로 이어지는 것이다.

이러한 하절기 비드부 사고를 방지하기 위해서는 타이어의 적정공기압 유지가 최우선 과제이다. 후륜 내측 타이어의 경우 고온에 의해 공기압이 상승하게 되면, 타이어의 직경이 커지게 되고, 이로 인해 버스의 전체 하중을 고르게 나눠 받지 못하고 분담률이 높아지면서 변형이 심해져, 온도가 급격히 올라가는 가속 역할을 하게 된다. 브레이크 라이닝 관련 부품에 대한 점검과 열전도율이 다소 작은 스틸림의 사용이 오히려 여름철에는 유리하다. 특히 잦은 브레이크 사용은 매우 위험한 상황을 초래하므로, 운전자 교육이 필수적이며, 브레이크 압력의 전후좌우 균등화와 LPG 탱크 등으로 인해 열 발산이 방해 받는 요소 등에 대한 해결책도 필요하다.

그 외에 브레이크 드럼의 온도 저감을 위한 보조 기구나 장치 개발도 매우 필요한 방법이다. 예를 들면, 브레이크 드럼에 원주와 90도 방향으로 냉각핀을 설치하여, 공기 흐름을 유도하는 방법도 매우 효율적이다. 브레이크 마개에 공기구멍을 내거나, 후륜 앞측의 프레임에 공기통과 구멍을 뚫어 공냉 시키는 방법도 있고, 에어컨에서 나오는 냉각수를 활용하여 브레이크 드럼을 수냉 시키는 방법도 있다.

본 내용으로 인해, 금번 CNG버스 폭발 사고가 버스 하체 부위의 구조적인 문제로 인해 발생한 것이라고 단정 지을 수는 없다. 타이어의 성능이 안전 기준에 다소 미흡하고, 과압으로 인한 버스의 하중이 일부 타이어에 과하게 부하되고, 이론 인해 타이어의 변형이 심하게 발생하였다고 판단된다. 과도한 변형으로 인한 온도상승이 발생하고, 더불어 위에서 언급한 브레이크 드럼으로 부터의 대류열 전달이 복합적으로 작용해, 사고가 발생한 것으로 최종 결론을 내리고자 한다. 브레이크 드럼으로 부터의 열전달이 100% 원인이라면 트레드 분리가 아닌 림의 버스트로 인해 사고가 발생해야 하기 때문이다.

혹 재생타이어의 품질 저하만이 원인이라면, 금번과 같은 사고는 시내와 고속도로 불문하고 균등하게 발생해야 하는 것이다. 그러나, 브레이크 사용이 잦은 시내에서 이러한 사고가 발생한 것은 앞서 설명한 바와 같이 브레이크 드럼의 온도 상승에 의한 열전달도 원인 중의 하나라고 인정할 수 있는 것이다. 더욱이 장마가 끝난 요즘 이런 사고가 빈번한 것도 주목할 만한 사항이다.

더욱이 장마가 끝난 요즘 이런 사고가 빈번한 것도 주목할 만한 사항이다. 장마철에는 비로 인해 타이어가 냉각되기 때문에 안전한 것이다. 그리고 이러한 타이어 폭발 사고가 CNG 버스에 집중되는 것도 중요한 사항이다. CNG 버스의 구조를 살펴보면 후륜 앞쪽에 연료 탱크가 위치해 있다. 이러한 추가 구조물로 인해 원활한 공기 흐름이 방해 받게 되고, 이는 후륜 내측 타이어의 급격한 온도 상승으로 이어지는 것이다.

타이어의 온도가 상승하는 상기의 세 가지 원인 중에 한 가지 정도라도 예방할 수 있었다면 사고의 위험성은 매우 낮아졌을 것이다. 이렇게 타이어가 터질 경우 그 압력은 얼마나 큰지 언급해 보고자 한다. 일반적인 승용차용 타이어의 공기압은 30psi이고, 이는 약 2.1기압으로 2.2kgf/cm2 정도이다.

1기압이라는 압력의 크기는 가로 세로 1cm 면적에 1kg이 조금 넘게 작용하는 압력이다. 그리 크지 않은 압력이라고 판단할 수도 있다. 그러나 가로 세로 1m인 1m2 의 면적으로 환산하면 약 10톤이 작용하는 것이다. 가로 세로 1m의 면적에 소형 승용차 10대를 위로 쌓아 놓은 것을 상상한다면, 그리 만만한 압력이 아닌 것이다.

승용차 타이어에는 대부분 2기압의 압력을 충진한다. 그러나 고속도로에서도 타이어의 온도가 48℃ 이상 올라가는 여름철에는 30psi인 압력이 40psi 가까이 상승한다. 이럴 경우 공기압은 약 2.7기압 정도로 1m2 면적에 27톤의 하중을 올려놓은 것이다. 버스용 타이어의 적정공기압은 120psi 정도이다. 그러나 대부분 과적 등의 이유로 150psi까지 충진하는 것이 일반적이다. 이럴 경우 공기압은 승용차의 5배로 10기압 정도이다. 즉 1m2 면적에 100톤이 작용하는 것이다.

이러한 버스용 타이어가 터질 경우에 근처에 있는 사람은 고막이 터질 정도의 큰 소음이 발생한다. 또한 이러한 폭발은 분리된 트레드가 버스 하부를 강타하게 되고, 그 파괴력은 두꺼운 버스 하부 강판이 위로 휘어 들릴 정도이다. 몇해전에 발생한 타이어 파손 사고의 경우, 버스 뒷바퀴 바로 위에 앉아 있던 승객의 경우 트레드의 분리로 인한 하체 강타로 충격을 받아, 다리가 부러지는 부상을 입었다. 그 당시 사고의 원인은 대만산 알루미늄 휠과 국산 타이어의 궁합에 있었다.

공학도 입장에서 궁합을 이야기 한다는 것은 다소 이상하게 들릴 수도 있지만, 우주왕복선의 추락 사고가 인치와 mm를 설계 단위로 혼용하는데서 발생한 문제점이라는 지적이 있는 것처럼, 동일한 스팩의 치수로 제작된 타이어와 휠이라도 조립했을 때, 미미하게 불일치하는 부위가 있을 수 있고, 이러한 부위는 타이어를 다소 강제적으로 눌러서 조립하게 되는 무리수를 동반한다. 고무로 된 타이어의 경우 이렇게 변형을 주고, 조립하게 되면 운전중에 내부 공기의 운동량이 많아지고, 이는 온도 상승으로 이어져, 고무 물성 저하로 인한 파손이 발생하게 되는 것이다.