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[오토저널] 타이어 접지 특성 연구 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-08-24 19:54:26

본문

타이어 성능은 노면과 접촉하는 엽서 1장 정도 크기의 접지면에서 거의 모든 것이 결정된다 해도 과언이 아니다. 접지면의 특성은 타이어 구조, 차량의 거동 및 도로 조건 등에 의해 실시간으로 변화하는데, 근본적으로 접지면은 외부에서 확인할 수 없다. 이를 측정 및 분석하기 위해 그동안은 실내 정접지 측정 장비를 주로 사용하여 왔다. 그러나 기존의 정접지 측정 장비는 타이어 단품의 정적 특성만 측정하기 때문에, 동적상태의 접지특성을 측정하거나 분석하는 것이 불가능하였다. 최근 타이어 업계에서는 이러한 단점을 보완하고 타이어가 노면에 직접적으로 작용하는 접지특성 규명을 위해, 드럼 및 실차 동접지압 시스템을 구축하여 연구를 진행하는 추세이다.

드럼 동접지압 시스템
기존의 시뮬레이션 기술은 실제로 발생시키거나 관찰하기가 곤란한 현상을 재현하기에는 유효한 수단이었지만, 어디까지나 일정 제약조건이나 가정안에서의 예측이며, 현실이 아닌 가상의 세계에 대한 것이다.

이러한 가상 세계를 벗어나 실제로 접지면에 작용하는 각종 현상을 해명하기 위해 동접지압 시스템이 구축되었다. 드럼 동접지압 시스템 구조는 <그림 1>과 같고, 고속으로 회전하는 드럼에 3축 포스센서가 원주방향 30도 간격으로 9개가 설치되어 있다. 드럼과 타이어를 회전시켜 타이어의 접지압, 제동력, 구동력 및 횡력의 데이터를 얻을 수 있으며, 드럼 회전축과 타이어의 회전축 동기화를 통해 사전에 정의한 그리드 상에 데이터를 배열하면 접지면 내의 국소적인 블록거동 계측 및 가시화가 가능하다. 타이어를 장시간 회전시키면 열로 인한 특성 변화가 일어나므로 시험시간은 최대 20분을 넘기지 않지만, 동일한 시험조건으로 동일한 현상을 몇번이라도 확실하게 재현할 수 있는 것이 큰 장점이다.

또한 드럼과 접지하는 타이어의 각도는 ±15도 정도까지 변경할 수 있는데, 이를 통해 스티어링 조작 시 타이어 접지면의 변화를 확인할 수 있다. <그림 2>를 통해 선회주행 상태의 접지특성을 확인할 수 있다(브리지스톤 Ultimat-eye).

실차 동접지압 시스템
실차 동접지압 시스템은 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 
첫 번째는 고속카메라 방식이다. <그림 3>에 나타낸 바와 같이, 시험로 지하에 고속카메라를 설치하고 그 위를 유리판(투명/불투명)으로 덮는다. 타이어가 유리판 위를 지나갈 때 투사되는 음영의 정도를 촬영하여 접지형상이 측정되는데,단순히 접지형상만 측정되는 단점을 보완하기 위해 유리판 네 모서리에 단축(Z-dir) 및 다축(X, Y, Z-dir) 힘 센서(Force sensor)를 설치하여 작용력을 함께 측정한다.

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이 장비는 단순 저속 직진주행 시 접지형상은 정확히 분석이 가능하지만, 선회 및 제동시의 동접지 형상을 파악하는데 부족할 뿐만 아니라 접지형상에 상응하는 작용력 측정이 불가능하다.

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카메라 방식 동접지 측정 장비의 단점보완 및 여러 가혹도 높은 시험 중의 타이어 동접지 특성 분석을 위해 센서방식 시스템이 개발되었다. 또한 센서방식의 동접지 측정 시스템은 차량 주행상태의 타이어 동접지 특성을 측정하는 방식과 타이어 단품을 측정하는 드럼 방식으로 구분된다. 실차 동접지압 시스템과 드럼 동접지압 시스템의 가장 큰 차이점은 데이터 취득 방법에 있다. 실차 동접지압 시스템은 <그림 4>와 같이 실제 차량이 주행하는 노면에 설치되어있다. 그래서 실제 차량의 Geometry가 반영된 결과를 얻을 수 있다는 점이 가장 큰 장점이라 할 수 있다.

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드럼 타입과 같이 3축 포스센서<그림 5>를 사용하며, 자동차 진행 방향의 수직 방향으로 센서가 설치되어 있다. 측정원리는 <그림 6>과 같으며 Leading edge부터 Trailing edge까지 스캔하듯 측정된다. 또한 실차 동접지압 시스템은 급제동을 하는듯한 아슬아슬한 상태나 스티어링을 과격하게 조작해 위험 회피를 한다는 등의 큰 입력 및 다양한 환경 변수에 대한 분석이 가능하다.

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주행 시 접지면을 가시화하여 타이어 성능 기술 발전

이처럼 동접지압 시스템을 활용하면 접지면의 어느 부위가 약점인지, 어떤 포인트를 개선하면 성능이 향상되는지를 확인할 수 있다. 다시 말해, 타이어 성능을 구성하는 요소인형상이나 구조, 트레드 패턴의 설계, 컴파운드 각각을 어떻게 튜닝하면 최적화되는지, 접지면을 가시화하는 것으로 그 방향성을 빠르게 찾을 수 있다는 것이다. 동접지압 연구 및 분석은 향후 환경성능이나 안전성능, 기타 학술적으로 해명되지 않은 복잡한 부분에 대한 분야로 활발히 진행될 것이라 생각한다.

 

글 / 김남웅 (넥센타이어)

출처 / 오토저널 16년 1월호 (http://www.ksae.org)   

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