[Special Theme] Tire Fever Technology

[타이어의 성능을 결정짓는 네 가지 요소 Part 1]

Tire Fever Technology

(타이어 발열기술)

타이어는 열손상을 입을 수 있는데, 이는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 심각하다. 그래서 차량의 하중과 속도에서 오는 타이어의 스트레스를 감당하고 안전한 주행성능을 발휘하기 위해서는 타이어에 발생하는 열을 최소화하고 온도 상승에 따른 내구성을 유지하는 기술이 필요하다. 타이어 발열은 주행 시 노면과의 마찰 때문에 발생하지만 타이어와 접촉하는 외부 공기 흐름에 의하여 곧바로 냉각된다. 그러나 타이어가 감당할 수 있는 임계점을 넘은 이상 발열이 생기면 고무의 성질이 변하여 성능이 저하되거나 세퍼레이션[Separation] 또는 파손의 위험이 있게 된다. 이러한 과잉 발열을 억제하고 최적화된 타이어 온도를 유지하기 위한 문제와 기술을 알아본다. 

글 이장열 일러스트 J Design

공기압과 발열

Air Pressure and Fever

적정 공기압은 타이어를 관리하는 주요한 요소이며, 타이어 발열과도 밀접한 관련이 있다. 적정 공기압은 타이어가 주행 시 접지면을 균일하게 해 회전저항을 줄이고 열 발생과 방출을 원활하게 하여 타이어 내부 온도를 적당하게 유지할 수 있게 한다. 타이어 공기압은 일반적으로 온도 변화의 모든 10도에 대해 1psi 증감한다. 

 쉽게 말하면 외부 공기온도가 10도 올라가면 타이어 압력이 1psi증가하고, 10도가 내려가면 타이어 압력은 1psi가 감소한다. 적정한 공기압을 유지하는 것은 가장 중요한 일로 운전자가 타이어를 위해 할 수 있다.

 공기압이 과다한 경우 

적정 공기압보다 과다하면 타이어가 평상시보다 다른 긴장상태가 지속하여 완충 능력이 떨어지고 충격에 의한 파손이나 절상을 받기 쉽다. 공기압이 과다하면 접지면 중앙부가 마모가 빠른 이상 마모현상이 나타난다.

공기압이 부족한 경우

적정 공기압보다 부족하면 각 부위의 움직임이 커져 이상 발열이 발생하여 고무와 코드 층의 세퍼레이션이 발생하거나 비드버스트Bead burst 코드가 절상 같은 손상을 입는다. 공기압이 부족하면 타이어 양쪽 숄더부 마모가 빠른 이상 마모현상이 나타난다.

속도와 발열

Speed and Fever

자동차의 속도가 빨라지면 타이어는 노면으로부터 받는 충격과 그 충격과 횟수가 증가하여 타이어 발열이 발생하여 내부 온도를 올라가게 한다. 자동차가 주행 중에 상하 방향의 진동 때문에 타이어는 정적 하중과 다른 진동의 가속도에 의한 관성력이 하중을 더욱 가중시킨다.

이처럼 굴러가는 타이어에 걸리는 모든 하중을 동해중(Dynamic load)이라 하고 노면의 충격 횟수가 증가하여 동해중의 비율도 증가시킨다. 따라서 타이어가 구르면서 변형되었다. 

복원되는 반복적인 굴신운동도 더욱 심화하여 타이어 온도가 상승하게 된다.

하중과 발열

Load and Fever

타이어는 주행시 차량의 중량을 지탱하며 멈추고, 달리고, 방향전환을 하면서 하중은 발령에 영향을 미치게 된다. 타이어 하중은 공기압과 속도에 따라 이상 마모와 발열 때문에 파손이 발생할 수 있다. 타이어는 타이어 1개의 적정한 하중지수(Load Index)가 타이어마다 표시되어 있고 권장하는 하중지수보다 낮은 타이어는 성능을 발휘할 수 없고 과화중으로 문제가 발생할 수 있다. 

공기압이 부족하면 접지면이 필요 이상으로 넓어지고 심하면 스탠딩 웨이브 현상이 발생한다. 주행속도가 빠르면 노면의 충격과 충격 횟수가 증가하면 타이어 내부 온도가 상승하고 발열이 발생한다. 

특히 과화중은 타이어 변형을 크게 하여 발열을 심화시키며, 타이어에서 가장 발열이 심한 비드부와 숄더부에 무리한 힘이 가중되어 세퍼레이션이 발생하거나 비드가 손상을 입게 된다.

스텐딩 웨이브

Standing wave

고속주행 시 나타날 수 있는 현상으로 공기압이 낮은 상태에서 일정 속도 이상이 되면 접지면 뒷부분이 마치 물결처럼 주름이 잡히는 현상을 말한다. 타이어는 하중을 받으면 변형되지만 회전 시 변형과 복원이 반복되며, 회전속도가 빨라지면 복원속도가 따라 가지 못하기 때문에 스탠딩 웨이브 현상이 발생한다. 이 같은 현상이 생기면 타이어에 높은 열이 발생하여 타이어가 파손된다. 스텐딩 웨이브 현상을 예방하려면 적정 공기압을 수시로 점검하고, 고속 주행 시 공기압을 20~30% 높게 유지한다.

이상 발열

Abnormal heat

타이어는 주행 중에 노면과 마찰이나 내부 운동 때문에 열이 발생한다. 타이어 발열은 과화중, 공기압 부족, 과속이면 더 많은 열이 발생하고 발생한 열은 타이어 내부에 축적되게 한다. 일반적으로 타이어 내부의 한계 온도는 섭씨 125도가 임계점이고 이온도 이상으로 온도가 상승할 수록 타이어가 손상되기 쉽다. 타이어를 구성하고 있는 고무나 코드 등의 접착력이 상실되어 장시간 주행 시 꼭 휴식으로 타이어 열을 식혀 주어야 한다. 타이어는 10분 휴식하면 내부 온도가 약 20도 정도 떨어지는 효과를 볼 수 있다.

포화온도

Saturation temperature

타이어는 주행 중 발열을 하지만 외부 온도는 발열을 냉각시켜 주는 역학을 한다. 타이어는 일정 시간 연속주행을 하면 발열량이 같아지는 온도의 평행상태에 도달하는데 이를 포화온도라고 한다. 타이어포화온도는 구조, 트레드 두께, 코드재질, 컴파운드에 따라 다르며 동일 타이어라도 마모, 하중, 속도, 공기압, 외부온도 등의 요인에 따라 변화한다.

TECHNOLOGY

발열이 적은 신소재 고무

타이어는 노면과 접지하여 달리고, 서고, 회전하면서 하중에 의해 변형이 생기게 되는데 발열은 이때 발생하여 에너지가 손실된다. 새로운 고무 배합 기술은 고 분산 다기능 실리카 컴파운드를 적용 발열을 최대한 제어 면에서 에너지 손실, 연료소모, 이산화탄소 배출을 억제 한다. 타이어 전 테에 최적 온도를 유지해 저속에서 빠른 온도 상승으로 유연성과 그립 성능을 발휘할 수 있고 고속에서 과잉 발열을 억제하면서도 타이어 낮게 유지하는 기술이다.

발열문제를 해결한 신기술

타이어의 발열은 사용 도중 피할 수 없는 문제이다. 그러나 타이어의 기술은 여러 분야에서 이런 문제를 해결하는 새로운 기술이 등장하고 있다.

런플랫 타이어

공기압으로 유지되는 공기압 타이어의 단점을 보완하는 타이어 기술이 공기가 없어도 주행이 가능하도록 설계된 런플랫 타이어다.

비공기압 타이어

노면과 접촉하는 접지면을 고무로 만들고 휠과 트레드 사이에 유연성을 유연성을 갖는 금속을 스포크 형태로 제작하여 일반 타이어의 공기압을 대신하고 있다.

발열 시뮬레이션

타이어의 발열을 컴퓨터 그래픽으로 분석하면 가장 발열이 심한 부분은 양쪽 어깨 부이다. 어깨 부는 타이어 두께를 가장 두껍게 설계하지만 다른 부위보다 방열이 나쁘고 열이 축적되기 때문이다.