Polymer(Korea), Vol. 9, No., pp -53, 5 타이어마모에영향을미치는가혹도인자 이재우ᆞ정창복, ᆞ최인창금호타이어연구소, 전남대학교응용화학공학부 (년 9월 일접수, 년 월 9일채택 ) Severity Factors Affecting Tire Wear Jae Woo Lee, Chang Bock Chung*,, and In Chang Choi R&D Center, Kumho tire Co., Inc., 555 Sochon-dong, Kwangsan-gu, Gwangju 5-7, Korea *Faculty of Chemical Engineering, Chonnam National University, 3 Yongbong-dong, Buk-gu, Gwangju 5-757, Korea (Received September, ;accepted December 9, ) 초록 : 타이어마모는자동차드라이버들의주요관심사항중의하나일뿐만아니라타이어의수명과밀접하게관련되어있다. 자동차타이어의사용조건들은여러가지요인들이함께작용하기때문에타이어마모에대해명확하게규명하는것은쉽지않다. 따라서, 타이어마모를평가하기위해서는실제사용조건에서의마모평가가필요하다. 타이어의수명과밀접한관련이있는마모를평가하기위하여정해진가혹한주행조건을갖는 dedicated test를통하여마모성능시험을실시하였다. 타이어마모에영향을미치는많은인자들을단순화시키기위하여정해진운전자의가혹도로시험함으로써운전자의운전습관에따른영향을최소화하였다. 마모와관련이있는노선가혹도의영향을확인하기위하여노선별로횡가속도를측정하여얻어진 driving severity number(dsn) 을이용하여 DSN에따른타이어의마모율과마모양상에대해비교해보았다. 이러한 dedicated treadwear test 결과를제공함으로써타이어마모성능을만족시키기위한설계에유용한자료를제공할수있다. Abstract: Tire wear is one of the factors that most drivers have concerned and is closely related to the tire life. It is very difficult to predict tire wear because the factors affecting tire wear seem to be very comlicated. Tire wear test should be performed at real conditions for the evaluation of tire wear. In this study, we analyze tire wear according to the severities of test courses by using the dedicated test method, more severe than real driving conditions. In order to simplify the factors affecting tire wear, we define roads driving severities to be driving severity numbers, DSNs which are obtained by measuring the lateral accelerations of test courses. And we compared tire wear rates and profiles with DSNs. These test results can provide the tire design guide to meet tire wear performance. Keywords: tire, wear, dedicated test, lateral acceleration, severity.. 서론타이어의마모는타이어의수명과직접적인관련이있는성능으로운전자의주요관심사항중하나이다. 타이어마모에영향을주는타이어부위중트레드 (tread) 배합물층은노면과직접접촉하는부위로서타이어원주의최외각에위치하고있을뿐만아니라전체부피의 7% 를점유하고있기때문에타이어에서매우큰비중을차지하고있다. 이타이어트레드부와노면사이에작용하는마찰력이트레드고무의강도보다클때표면의고무가이탈하는현상을타이어마모라정의할수있다. 이런타이어마모의발생요인은타이어의구조, 공기압, 고무성질등의내부적인요인과차량의사양, 노면구조, 사용조건등의외부적인요인으로나누어진다. 타이어마모평가방법으로는 simulation 예측방법과 electronic measuring & evaluation dynamic pressure distribution(emed), paintwear To whom correspondence should be addressed. E-mail: chungcb@chonnam.ac.kr method, dedicated test 등의실험적인방법으로크게나뉘는데, 본연구에서는이런실험적인방법중정하여진코스를정하여진거리만큼주행하는방법인 dedicated test에의한마모성능평가를실시하였다. 가혹도가서로다른코스에서의 dedicated test를통해서마모측정에따른 mileage를예측하였다.. 실험. 마모메카니즘마모란단단한물질또는돌출물에소재가마찰하는동안닳아없어지는것을말한다. 연필로쓴글씨를지우기위해지우개로문지르면지우개의부스러기가생기는데, 이것이바로고무마모의원리이다. 이와같이문지른다는것은누르는힘과문지르는힘에의하여미끌림 (slip) 이마찰력의한계를초과한것을의미하고그결과마모가발생한다. 타이어마모를아주단순히생각해본다면고무의마모와같이노면으로부터타이어트레드고무에가해지는마찰력에의해
타이어마모에영향을미치는가혹도인자 9 서트레드고무의일부가떨어져나가는현상으로나타낼수가있다. 하지만, 타이어의마모는 Figure 에서와같이트레드고무의성능뿐만아니라타이어의구조나형상, 트레드패턴과같은내부적인요인들과차량의특성, 운전자의운전방법, 공기압이나하중등의인위적인요인들과노면이나지형, 온도등과같은비인위적인요인들로나뉘는외부적인요인들등다양한요인들에영향을받는다. 실제타이어의사용조건에서는위와같은여러요인들이복합적으로작용하기때문에아직타이어마모에대한명확한규정은이루어지지않았다. -3 타이어의마모성능을순수한기계적마모에의해발생하는고무의물리적특성으로본 Schallamach의이론식은 - 다음과같다. A=γρSF () A :abrasion per unit distance traveled γ :abrasion per unit energy dissipation ρ :resilience of tire S :slip F :reaction force in area of contact 이식에의해서타이어의마모는접지면에걸리는외력이클수록접지면에서많이미끄러질수록마모가많이된다는것을알수있다. 그러나, 타이어의마모는단순히기계적인마모에의해서만발생하는것이아니라위에서언급했듯이여러가지요인들의복합적인원인들로인해발생하는것이다. 그러므로, 실차에타이어를취부하여주행에의한타이어마모성능예측이필요하다.. Mileage 예측방법타이어의마모는타이어수명과가장밀접한관계가있다. 실험적인방법에의한 mileage 예측방법이실제사용자의 mileage와는다소차이가있겠지만, 실험적인방법이실제사용자들의타이어사용조건보다훨씬가혹한조건에서실험이실시되기때문에실제사용자들의타이어수명은실험적방법에의해예측된 mileage보다더길다는것을알수있다. 여기서 mileage 예측을위한몇가지방법에대해소개하였다..3 End Point Method 외삽법을이용하는방법으로 Figure 에서와같이초기 anti-skid depth(asd) 와주행후의 remaining tread depth(rtd) 를이용하여마모량을산출하고, 주행거리를이마모량으로나누어 wear index를산 출하고이 wear index에마모한계량 (ASD-T.W.I) 을곱하여예상주행거리를산출한다. 일반적인타이어마모시험기관에서공통으로사용하는방법으로서시험중간의데이터, 즉마모경향이무시되는단점이있다.. Point Method Uniform tire quality grading standards(utqgs) tread wear 지수산출시사용하는방법으로 Figure 3에서와같이초기 ASD와중간에측정된 RTD들을이용하여 개의 point에대해선형회귀를실시하고이결과식으로부터 RTD가 T.W.I(tread wear indicator) 에도달할경우의주행거리를찾아내는방법이다. End point method와는달리중간에측정된 RTD data를가지고회귀분석을통하여마모경향을예측할수있다. 일반적으로마모속도가빠르면신뢰도가높게나타난다..5 Log-Log Chart Method 마모량이 mileage와지수함수를따른다는경험적인가정으로부터출발한예측방법으로일본타이어업계에서주로사용하는방법이다. Figure 에서와같이마모량과주행거리축을 log scale로변형하여도시하고최대마모량에서의주행거리를 chart에서찾아내는방법이다. 하지만마모속도가느린경우에는신뢰도가낮게나타나는단점이있다.. 실험조건 RTD (mm) 9 7 5 3 Figure. End point method. 9 5 5 5 Mileage (Km) 7 RTD (mm) 5 3 5 5 5 Mileage (Km) Figure. Effective factors of tire treadwear. Figure 3. point method. Polymer(Korea), Vol. 9, No., 5
5 이재우ㆍ정창복ㆍ최인창.. Wear amount (mm) Driving severity number.. - -. -. -. - Mileage (Km) -. 3 5 Distance (Km/h) Figure. Log-log chart method. Table. Approximate Relationship of Footprint Frictional Work to Tire Use Mode Use mode Relative frictional work Free rolling. Driving. Braking. Cornering(lateral). All at N ( lbf) per tire by R. F. Miller (9) 본연구에서는타이어마모성능평가를위해서운전자의운전습관이나방법에의한요인을포함한 dedicated test를실시하였다. 동일조건에서같은종류의타이어에대한마모시험을통하여마모에영향을미치는내, 외적요인에의한영향을최소화하였다. 또한, 운전자가혹도를측정하여운전자의운전습관이나방법에의한요인을최소화하였으며, 시험구간의고정으로횡가속도를이용한 DSN을사용하여노선가혹도에따른타이어마모양상과수명에대해조사하였다. 시험구간으로는 개의고속도로와 개의국도를선정하여 3개의코스로나누어시험을실시하였다. 노면의굴곡을제외한타이어마모를유발하는인자들에의한영향을최소화하기위해타이어규격과공기압, 하중, 시험차량은동일하게고정하였다. 3. 결과및토론 3. 타이어마모평가앞에서설명한바와같이타이어마모를유발시키는인자들은매우다양하다. 그러나, 여러연구자들은타이어마모의가장중요한인자가타이어에걸리는힘이라고생각하고있다. 차량의속도나방향의변화가있을때타이어에걸리는힘은차량에걸리는관성에근원을두고있다. 이는주로 longitudinal force와 lateral force의두가지힘의영향을받게되는데, 마찰력과의관계에대해정리한 Table 에의하면 lateral force는 longitudinal force에비해직진주행시에는약 배, 제동시에는.배가됨을알수있다. 9 그러므로타이어의마모는주로 lateral force에기인한다고가정하였다. - 횡방향으로작용하는속도의변화를횡가속도 (G) 라고하며저항을고려하지않은조건에서어떤물체를자유낙하시키면이론 Figure 5. Lateral acceleration as a function of velocity for change of route. 적으로약 9. m/s²( G) 의가속이붙는다. 횡가속도를무차원으로표현하는것이편리하므로, 다음과같은식으로나타낼수있다. G=V /Rg () V:velocity R:cornering radius g:gravity acceleration constant 좌우방향에서좌우는 +, -로구분되며, 이횡가속도값의측정으로 DSN을산출할수있는데, 이것은식 (3) 처럼타이어회전수당횡가속도값의제곱의합으로표현된다. 일반적으로일정시간간격당횡가속도를계측하여이횡가속도제곱의합을전체주행거리로나누는값으로표현한다. 3 DSN= (G i ) /d (3) G:lateral acceleration d:selected distance interval 반경이서로다른 개의원을따라 가지의속도로차량을주행하였을때각반경에대해속도에따른횡가속도의변화에대해알아보았다. Figure 5에서보는바와같이실제차량의주행에서도식 () 와동일한결과를얻을수있었다. 3. 운전자가혹도문헌에의하면다른타이어마모요인들을무시하고, 오직전문운전자들과일반운전자들간의운전방법에의한 wear index 의차이는약 배에이르는것으로보고되었다. 하지만, 이러한결과만가지고단순히 dedicated test 결과가일반운전자들의마모결과에비해타이어수명이길다고는할수없다. 하지만, 동일한조건에서동일노면, 동일한차량에같은종류의타이어에대한마모시험을실시할경우다른환경적요인에대한영향을무시한다면타이어마모에가장중요한요인은바로운전자의운전방법이된다. 그러므로, 운전자의운전방법에대한운전자가혹도 (driving severity) 에대한분석이필요하다. 동일조건에서같은코스를주행했을경우시계방향과반시계 폴리머, 제 9 권제 호, 5 년
타이어마모에영향을미치는가혹도인자 5 방향의주행을통해서코너링시운전자의운전방법에대한가혹도를조사하였다. 시험결과의신뢰성향상을위하여같은코스를 5회전하였을때처음시작과마지막의데이터는무시하였다. 그결과 Figure 과같이시계방향이나반시계방향의속도차이는거의나타나지않지만횡가속도의차이는심하게나타남을볼수있다. 이는어느특정운전자의운전습관에서비롯된것이라기보다는 Table 에나타난바와같이모든운전자들공통으로시계방향보다는반시계방향의가혹도가더큰값을가짐을볼수 9 7 5 3 9 7 5 3 5 5 5 3 (a) clockwise 5 5 5 3 (b)counter clockwise Figure. Driver severity as a function of rotation directions..... -. -. -. -. -.... -. -. -. -. - 있다. 이는운전석이좌측에있기때문에반시계방향으로의회전이운전자시계방향의회전보다안전하다고느끼는심리적요인에기인한다고할수있다. 이런요인에의해서반시계방향의회전시가혹도가더크기때문에좌우타이어의마모율이서로다르게된다. Table 에서나타난바와같이여러명의운전자들에대해같은조건에서의가혹도조사결과각운전자의운전특성에따라가혹도가차이가남을알수있다. 본연구에서는각운전자들의가혹도가서로다르기때문에 dedicated test에서좀더정확한결과를얻기위해서운전자를고정하였다. 3.3 노선가혹도앞에서살펴본바와같이어느한운전자를지정하여시험을실시하여운전자의가혹도까지조정하고다른요인들의변화를무시할수있다면노선의가혹도에따른타이어마모시험의신뢰성이향상될수있다. 노선의가혹도에따른코스별조건을 Table 3에정리하였다. 비록시험노선에따라아스팔트와콘크리트의비율과노면의거칠음정도가서로다르지만, 노면의거칠음에따른인자는횡가속도에의한영향의약 % 정도로작기때문에노선의가혹도는횡가속도에의존하여계산하였다. 각시험구간들의속도와횡가속도를측정한결과 Figure 7에나타난바와같이고속도로는속도는높지만국도에비해일직선의도로이기때문에횡가속도값의분포가작은것을알수있었고, 실제주행속도는비슷하지만국도 이국도 에비해횡가속도값의분포차가커더가혹하다는것을알수있다. 결국선정된코스별가혹도를비교해보면코스, 코스 그리고코스 3의순으로가혹도가증가한다. 3. Dedicated Test 결과앞에서설명한방법들을바탕으로 dedicated test를실시하였다. End point method는시험중간의 data가무시되는단점과시험 data의미세한차이에의해서예상 mileage가크게차이가날수있다. 따라서, 본연구에서는결과의신뢰성향상을위하여 mileage 계산시매 Km 마다 RTD를체크하여총 7회 Km에걸쳐시험을실시하여선형회귀분석을하는 point method를사용하였다. 현재소수의후륜구동승용차량을제외하고국내의대부분의승용차량이 front engine front wheel drive(ff) 방식이다. 본연구를위해 년여간실시한 dedicated test 결과중 FF 방식의차량에대해타이어취부위치에따른예상 mileage를 Figure 에정리하였다. Table. Driver Severity Clockwise Counter clockwise Comparison Driver Distance Velocity Time Severity Distance Velocity Time Severity A.3 53.5.5 7.57.9 5..93 9.3 7.7% B.355 57..57 7..77 5..99.3 3.% C.3....533 57.. 3. 7.% D.77 5..9.57.79 5..9.3 9.5% E.75 53..5 7.37.737 5..97 9.3 5.% F.73 5..5 7.5.77 5..53..9% G.733 55..79 7..9 5.7.9.95.7% Averag. 55.5. 7.75.95 5.7.9 9.9.5% Table 3. Evaluation Conditions of the Dedicated Test Coures Course Course 3 Size 95/R5 Pressure/Load Test vheicle 3 Psi / Vehicle G. V. W Avante XD Highway Rural Highway Rural Highway Rural % % % % 75% 5% Test route Asph. Asph. Asph. Asph. Asph. Asph. % % % % % % % % % % % % Severity.5.3. Polymer(Korea), Vol. 9, No., 5
5 이재우ㆍ정창복ㆍ최인창 (a) rural route.... -. -. -. -. Est-Mileage (Km) Figure. Wear index as a function of axle position ; For FF vehicles..... -. -. -. RTD (mm).5 7.5 7.5 5.5 (b) rural route -. 5.5 Mileage (Km) Figure 9. Distribution of RTD on front axle as a function of distance. 5 5 5 3 (c) highway Figure 7. Speed and lateral acceleration as a function of distance. Wear index (mm).5.3. Severity (Lateral acceleration) 그결과 FF방식의모든차량에대하여전륜 ( 구동 ) 축이후륜축에비해마모가빨라예상 mileage가낮게나옴을알수있었다. 모든차량들은차량주행특성상제동시차량하중이앞쪽으로쏠리기때문에전륜쪽타이어가후륜쪽타이어에비해많은하중을받게된다. 또한, FF 방식의차량은엔진이앞에있어전륜쪽타이어가후륜쪽타이어에비해더많은하중을받으며, 구동축이기때문에출발시먼저노면과마찰을일으켜후륜타이어에비해마모가빠르게나타나게된다. 본시험에사용된차량은 FF 방식으로구동축인 front axle의타이어가비구동축인 rear axle의타이어에비하여마모도가심하며, Figure. Wear index distribution as a function of route severity ; Comparison of center and shoulder. 앞에서살펴본바와같이운전자의운전방법에의해 right front(rf) 가 left front(lf) 보다가혹도가심하기때문에마모정도가가장심한 RF에대하여 mileage를예상하여야하며, ASD 값을제외하고총 7회에걸친 dedicated test 시험결과데이터를바탕으로선형회귀분석을하였다. Figure 9에서보는바와같이타이어의 center 부분과 shoulder 부분은 ASD 뿐만아니라마모속도도서로다르기때문에 mileage를예상하기위해서는 center 부분과 shoulder 부분의 폴리머, 제 9 권제 호, 5 년
타이어마모에영향을미치는가혹도인자 53 Table. Evaluation Results of the Dedicated Test Course Course Course 3 Severity.5.3. Est-Mileage, CNT (Km), 5, 37,5 Est-Mileage, S/H (Km) 9,7,9 3, Center W. I. (Km/mm),9 7,5,93 S/H W. I. (Km/mm) 5,5 7,55,75 Uneven wear (S/H basis).%.3% 3.3% 마모도또한고려되어야한다. 본연구에서는같은종류의패턴을갖는타이어를가지고시험을실시하여타이어의마모정도를나타내기위해예상 mileage 를계산하였지만, 실제타이어의패턴별그루브 (groove) 의깊이가서로다르기때문에예상 mileage를가지고타이어의마모정도를나타내기에는무리가있다. 이런문제점을없애기위해서 wear index 를사용하여각코스별마모지수로나타내었다. Figure 과 Table 에서와같이노선가혹도의차이에따라타이어의마모양상이다르게된다. 특히, Figure 에서보는바와같이가혹도가커짐에따라 center 부분보다는 shoulder 부분의마모속도가더빠르게변화한다는것을알수있다. 이것은노선가혹도가낮은코스 의경우노선특성상코너링주행보다는직진주행을주로하며, 코스 에서코너링시는회전반경이커횡가속도값이작기때문에노선과의마찰이주로 center 부분에서이루어지기때문이다. 하지만, 노선가혹도가큰코스 3의경우횡가속도값이크기때문에주행시코스 에비해 shoulder 부분의노면과의마찰이상대적으로많고, 코너링시차량하중의쏠림으로 shoulder 부분의마찰에너지가커지기때문에 center 부분보다는 shoulder 부분의마모가심하며, 노선가혹도가커질수록 shoulder 부분의마모가더심해질것이다.. 결론 본연구에서는타이어마모성능평가에있어내, 외적요인에의한영향을최소화하기위하여운전자가혹도를측정하였으며, 서로다른 3개의코스를통하여노선가혹도에의한타이어마모영향에대해조사하였다. 그결과, 노선가혹도가낮은경우 shoulder 부분보다는 center 부분의마모량이많았으며, 노선가혹도가커지면 shoulder 부분의마모량이급격히많아진다는것을알수있었다. 타이어의수명은가혹도가낮은코스를주로주행하는차량의경우에는 center 부분이, 가혹도가높은코스를주로주행하는차량의경우에는 shoulder 부분의마모에큰영향을받음을알수있었다. 하지만, 이러한 dedicated test 결과가정확한타이어의수명을예측할수는없다. 이는타이어의수명은노선의가혹도가가장큰영향을미치는인자이긴하지만노선가혹도이외의여러요인들을무시할수는없기때문이다. 하지만, 이러한 dedicated test 결과는타이어의마모성능에적합한설계를위한효율적인자료로제공될수있다. 참고문헌. A. G. Veith, Tire Treadwear Symposium, Rubber Division of the American Chemical Society, Toronto, Ontario, Canada, May, -3 (99).. A. N. Gent and T. Y. P. Chang, Eng. Fract. Mech.,, 3 (993). 3. A. N. Gent, Rubber Chem. Technol.,, 75 (99).. A. Schallimach and D. M. Turner, Wear, 3, (9). 5. A. Schallimach, Wear,, 3 (95).. Q. V. Bui and J. P. Ponthot, Wear, 5, 5 (). 7. A. N. Gent and C. T. R. Pulford, J. Appl. Polym. Sci.,, 93 (9).. A. Schallimach, Rubber Chem. Technol.,, 9 (9). 9. R. F. Miller and R. Marlow, Rubber and Plastic Age,, 9 (9).. A. G. Veith, Rubber Chem. and Technol.,, (973).. A. Chiesa and G. Ghilardi, SAE Paper 7559, Feb. (975).. W. Bergman and W. B. Crum, SAE Paper 735, May (973). 3. A. G. Veith, Tire Science and Technology,, 39 (9).. O. L. Mattre and C. Zarak, International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, February, 3 (99). Polymer(Korea), Vol. 9, No., 5