행복남의 일상

타이어

13. 차륜의 평형 [wheel balancing, Reifenauswuchten]

이번시간엔 앞서 알아본 타이어 조립시의 유의점에 이어 타이어 차륜의 평형에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

<이미지 출처: 네이버>

1) 차륜의 불평형(unbalance : Unwucht)

차륜의 불평형 즉, 휠의 언밸런스는 타이어 또는 림의 질량분포가 불균일할 때 발생된다. 예를 들면, 트레드 두께의 불균일, 공기밸브 등에 그 원인이 있다. 불평형에 의한 원심력은 차륜의 회전속도의 제곱에 비례하여 증가한다.

차륜이 정적, 동적으로 평형이 되어있지 않으면 일정속도 이상에서 불평형에 의한 차륜의 진동과 스프링 아래질량의 고유진동이 공진하여 조향핸들까지 크게 진동하는 현상이 발생되게 된다. 이 진동은 타이어와 현가장치 부품의 마멸을 촉진시킬 뿐만 아니라, 안전운전을 저해하는 요소가 된다. 이와 같은 이유에서 최고 주행속도가 50km/h 이상인 자동차의 차륜은 반드시 정적, 동적으로 평형(balancing)이 되어 있어야 한다.

① 정적 불평형(static unbalance : statische Unwucht)

정적 불평형 상태란 차륜의 어느 일부분의 무게가 다른 부분에 비해 무겁다는 의미이다. 무거운 부분만이 회전한다고 가정해 보면, 노면에서 반원형의 궤적을 그리면서 가/감속을 반복하게 된다. 그리고 무거운 부분이 노면으로 향할 때는 노면을 두들기고, 노면에서 위로 향할 때는 차륜을 들어 올리게 된다. 즉, 차륜을 상하로 진동시키게 된다. 불평형량이 크고 또 주행속도가 일정 수준에 이르면 차륜은 상하로 크게 진동하며, 그 충격은 조행핸들에까지 전달되게 된다.

정적 불평형에 의한 차륜의 상하진동 → 휠 홉(wheel hop : Springen des Rades) 또는 휠 트램핑(wheel tramping).

정적 불평형 상태를 제거하기 위해서는 무거운 부분의 정반대 위치 즉, 회전축 중심의 12시 위치에 평형추(balance weight)를 추가한다. → 정적 평형

그러나 실제로는 타이어의 원주부분에 평형추를 부착하지 않고, 휠 림에 부착한다. 따라서 실제의 불평형량(m1)보다는 큰 평형추(m2)를 1/2씩 나누어 휠 림의 내/외측에 부착하게 된다.

 차륜의 정적 불평형과 정적 평형 <이미지 출처: 네이버>

② 동적 불평형(dynamic unbalance : dynamische Unwucht)

정적 평형상태에서 축을 빠른 속도로 회전시키면 질량에 의한 원심력이 축 중심선에 직각방향으로 회전토크를 발생시킨다. 이 상태가 바로 동적 불평형 상태이다. 동적 불평형에 의해 차륜은 좌/우로 진동하게 된다. → 워블(wobble : Taumeln) 또는 시미(shimmy : Flattern)

동적 불평형과 워블(wobble) <이미지 출처: 네이버>

2) 차륜의 평형(balancing : Auswuchten)

타이어, 림, 브레이크 드럼(또는 디스크)에는 정적, 동적으로 불평형이 발생할 수 있다. 이들 정적, 동적 불평형은 반드시 제거해야 한다. 평형추의 무게와 부착위치는 휠밸런서를 이용하여 결정한다. 동적으로 평형된 차륜이라면 정적 불평형은 없다.

차륜의 밸런싱(balancing) 작업순서는 다음과 같다.

① 정치식 휠밸런서를 이용하여 타이어와 휠 즉, 차륜을 정적, 동적으로 밸런싱한다.

② 정치식 휠밸런서에서 시험한 차륜을 자동차에 부착하고, 다이내믹 휠밸런서를 이용하여 차륜과 브레이크드럼을 포함한 동적 밸런싱 상태를 점검한다.

③ 작업순서 ②에서 불평형량이 규정값(예 : 승용자동차에서는 20g)을 초과하면, 차륜과 브레이크 드럼의 볼트 체결위치를 볼트구멍 1~2개 정도 회전시켜 재조립하고, 다시 밸런싱한다. 그래도 규정값(예 : 20g) 이상의 불평형 상태이면 드럼의 런-아웃, 허브 베어링의 유격 등을 점검하여야 한다.

④ 평형추의 무게와 부착위치는 휠밸런서에 나타난 정보에 따른다. 단 이미 평형추가 부착되어 있을 경우에는 다음 방법에 의거 평형추의 위치를 수정한다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 차륜의 평형‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 주행의 저항’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 차륜의 평형이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

자동차 타이어의 또 다른 글

자동차 타이어에 대하여 알아보자. https://bch4518.tistory.com/12

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12. 신품 타이어를 조립할 때의 유의사항

이번시간엔 앞서 알아본 타이어 힐밸런싱에 이어 타이어 조립에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

휠 림과 타이어를 조립, 규정공기압으로 충전한 다음, 정치식 휠밸런서에 장착하고 다음 순서로 작업한다. 이때 공기주입밸브, 튜브, 림 밴드(rim band) 등도 모두 신품으로 교환한다.

1) 타이어와 휠 림에 조립 기준점이 없을 경우

① 타이어의 진원도(원주방향 런-아웃)를 점검하고, 반경이 가장 작은 부분에 표시를 한다.

② 휠 림의 진원도를 점검하고, 반경이 가장 큰 부분에 표시를 한다.

③ 휠 림의 옆방향 런-아웃(lateral run-out)을 점검한다.

※ 한계값 →

보통의 강판 림 : 최대 1.0mm

경금속 림 : 최대 0.5mm

④ 휠 림에 이상이 없으면 휠밸런서에서 타이어를 분리시킨 다음, 공기를 배출시킨다.

앞서 ①과 ②에서 표시한 부분을 서로 일치시키고 다시 규정 공기압으로 충전한다.

이어서 휠밸런서에 다시 장착한다.

⑤ 휠 림과 타이어의 옆방향 런-아웃 합을 타이어의 사이드 월(side wall)에서 측정한다.

대부분의 승용자동차용 휠의 한계값은 최대 1.5mm이다.

⑥ 앞서 ⑤항의 점검에서 이상이 없으면 이제 휠을 밸런싱한다.

2) 타이어와 휠 림에 조립 기준점이 표시되어 있을 경우

① 제작회사에서 표시한 조립 기준점을 서로 일치시켜 조립한다.

(예 : 타이어에 표시된 녹색 점과 휠 림에 표시된 조립 기준점을 일치시킨다.)

② 조립 기준점이 표시되어 있지 않고, 단지 가벼운 점만 표시되어 있을 경우에는, 이 점과 휠 림의 공기밸브를 일치시킨다.

(예 : 타이어에 표시된 적색 점과 휠 림의 공기밸브를 일치시킨다.)

③ 휠 림과 타이어의 옆방향 런-아웃을 점검한다. → 1)항 참조.

이상이 없으면 휠을 밸런싱한다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 조립시 유의할 점‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 차륜의 평형’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차 타이어 조립이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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10. 휠 밸런싱의 일반 수칙

이번시간엔 앞서 알아본 타이어 동력전달특성에 이어 타이어 힐밸런싱에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

1) 휠 림 관련

① 사용하는 타이어에 적합한, 규정된 림을 사용한다.

② 림에서 녹을 제거하고, 균열 및 손상을 점검한다. 균열이 있는 림은 교환한다.

③ 휠 너트(또는 볼트)는 대각선으로, 규정토크로 조인다. 상용자동차의 경우에는 50km 주행 후에 규정토크로 다시 조인다. 주행 중 부하를 가한 상태에 적합 시키기 위해서이다.

④ 분할 림을 교환할 경우에는 세트(set)로 교환한다. 일반적으로 세트별로 동일한 기호가 각인되어 있다. 단품교환은 않는다.

2) 타이어 관련

① 자동차 제작사에서 순정품으로 규정한 타이어를 사용하여야 한다.

② 레이디얼 타이어와 바이어스 타이어를 혼용해서는 안 된다.

③ 동일 차축의 좌/우에는 규격, 프로필 형상, 마모도 등이 동일한 것만을 사용해야 한다.

④ 트레드의 프로필 깊이는 트레드 전체 면적에 걸쳐서 항상 1.6mm 이상이어야 한다.

⑤ 공기압은 항상 규정값으로 또는 규정값보다 약간 높게 조정한다.

⑥ 최고 주행속도가 50km/h 이상인 자동차의 타이어는 항상 정적/동적으로 평형상태를 유지하고 있어야 한다. 주기적으로 평형(balancing) 상태를 점검하여야 한다.

⑦ 타이어의 수명은 운전습관, 정기적인 점검(공기압, 마모상태, 또는 외부손상) 등에 크게 좌우된다. 급가속 및 급제동할 때, 차륜이 헛돌거나(spin), 로크(lock)되면 타이어의 이상 마모가 촉진된다. 정기적으로 점검하고, 또 급가속이나 급제동은 가능하면 피해야 한다.

⑧ 대형 트럭용 타이어의 경우, 공기압이 규정 공기압의 150%를 초과해서는 절대로 안된다.

그리고 어떠한 경우에도 공기압이 10bar를 초과해서는 안 된다.

⑨ 복륜 타이어의 경우, 직경이 큰 타이어를 안쪽에 설치해야 한다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 힐밸런싱‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 조립’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 힐밸런싱이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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9. 타이어의 동력전달특성 [Force transferring characteristics of tire]

이번시간엔 타이어 공기압 감시 시스템에 이어 타이어 동력전달특성에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

주행거동과 주행안락성을 해석하고 최적화시키기 위해서는 가능한 한 정확한 타이어의 특성도가 먼저 작성되어야 한다. 일반적으로 승용자동차용 타이어와 경(輕)상용자동차 타이어의 특성도가 널리 이용되고 있다.

타이어는 수직력(normal forces；FN), 직진방향의 힘(longitudinal forces；FX), 그리고 횡력(lateral force；FL)을 전달할 수 있어야 하고, 이 3개의 축에 작용하는 토크를 흡수할 수 있어야 한다.

타이어에 작용하는 힘 <이미지 출처: 네이버>

노면과 타이어의 접촉면적을 푸트-프린트(foot print : Latsch)라 한다. 푸트-프린트는 아래 그림과 같이 타이어의 종류와 크기 및 편평비(H/B)에 따라 다르다. 자동차에 작용하는 모든 힘은 이 푸트-프린트를 통해 노면에 전달되거나 또는 노면으로부터 푸트-프린트를 거쳐 차체에 전달된다. 일반적으로 편평비가 증가할수록 푸트-프린트는 그림과 같이 정사각형에 가까운 형태가 되며, 푸트-프린트가 넓어짐에 따라 단위면적 당 하중부하는 감소한다.

타이어의 푸트-프린트 <이미지 출처: 네이버>

능동 안전 특히, 양호한 주행거동을 위해서 타이어는 아래의 조건들을 만족시켜야 한다.

① 직진방향의 힘(구동력 또는 제동력)의 전달능력

② 선회(cornering) 능력 → 횡력에 대한 저항성

③ 직진 특성

④ 고속주행 내구성

⑤ 내 저항성

1) 수직력 [normal force, Normalkraft]

타이어는 자동차의 하중을 지지하는 요소로서 수직력(대부분 자동차의 중량)을 노면 위에 지지하는 기능을 한다. 따라서 탄성체인 타이어는 하중에 의해 노면에 압착된다.

수직력은 접지면적에 균등하게 분포되는 것으로 가정하지만, 실제로는 그렇지 않다. 타이어의 종류(레이디얼과 바이어스)에 따라 수직력 분포상태가 크게 다르다. 바이어스 타이어에 비해 레이디얼 타이어에서의 수직력 분포상태가 상대적으로 균일함을 알 수 있다. 이 사실은 접지성 측면에서 볼 때, 레이디얼 타이어가 바이어스 타이어에 비해 상대적으로 우수하다는 것을 의미한다.

타이어의 스프링 기능과 감쇠기능은 자동차의 진동을 흡수하는 데 큰 영향을 미친다. 그러나 수평방향 운동역학(horizontal dynamic)에는 거의 영향을 미치지 않는다.

2) 직진방향의 힘[longitudinal forces, Längskräfte]

직진방향의 힘은 자동차의 길이방향으로 작용하는 힘을 말한다. 타이어는 자동차의 길이 방향으로 구동력과 제동력을 전달한다.

전달 가능한 최대 구동력(＝제동력)은 타이어와 노면 간의 마찰계수에 의해 제한된다.

최대 제동토크 예를 들면, ‘FX.maxㆍrst’를 초과하면 타이어는 노면 위에서 더 이상 점착상태를 유지할 수 없게 된다. 그러면 구동 중에는 바퀴가 헛돌고(spin), 제동 중에는 바퀴가 로크(lock)되게 된다. 즉, 차륜과 노면 사이에 슬립(slip)이 발생하게 된다.

슬립(slip)할 때, 전달 가능한 힘은 미끄럼 마찰계수에 의해서 제한된다.

일반적으로 미끄럼 마찰계수는 점착 마찰계수보다 작다.

구동토크 또는 제동토크 전달시 슬립이 발생하면, 차륜의 회전속도와 자동차 주행속도 간에 차이가 발생하게 된다. 이 속도차 때문에 타이어와 노면 사이에는 부분적으로 상대운동이 발생된다. 그리고 이 상대운동에 의해 접촉면에서 타이어는 변형된다. 즉, 직진방향의 접촉면 변형에 의해 푸트-프린트도 이동한다.

제동력(구동력)전달 시 타이어의 변형과 푸트-프린트의 이동 <이미지 출처: 네이버>

차륜에 회전속도센서를 장착한 경우, 예를 들면 ABS가 장착된 자동차에서는 주행속도를 비-구동륜(non-driven wheel)의 회전속도로부터 연산한다. 후륜구동방식(FR)에서는 앞 좌/우 차륜 회전속도의 평균값을 그 자동차의 차륜회전속도로 본다.

구동륜과 피동륜의 회전속도를 이용하여 근사적으로 구동슬립을 계산할 수 있다.

마찰계수 ‘μ＝FX/FN’를 동력전달계수라고도 한다. 마찰계수는 슬립의 함수이다. 아래 그림은 건조한 아스팔트(콘크리트) 도로에서 제동했을 때 승용차 타이어의 마찰계수/슬립의 상관관계이다. 최대 동력전달계수는 점착마찰계수(μH)로 표시된다. 승용자동차 타이어는 일반적으로 슬립 10~20%에서 최대 점착마찰계수(μH.max)에 도달한다. 슬립이 증가함에 따라 마찰계수는 점점 감소하여 100% 슬립할 때는 미끄럼 마찰계수(μG)가 된다.

점착마찰계수와 미끄럼마찰계수 사이는 불안정 영역이다. 마찰계수가 최대점을 지난 다음부터 슬립은 급격히 증대되어 순식간에 슬립 100%가 된다. 그러면 차륜은 미끄럼 상태에 돌입한다.

제동(구동)슬립과 마찰계수의 관계(예) <도표출처: 네이버>

3) 횡력[lateral forces, Seitenkräfte]

주행궤적(track)을 유지하기 위해서는 타이어의 선회(cornering) 특성이 가장 중요하다. 자동차의 주행방향을 변경시키기 위해서는 타이어를 통해서 옆방향으로 힘을 가해야 한다.

조향각을 변경시키면 차륜은 원래의 주행방향으로부터 벗어나게 된다. 이 동작에 의해 탄성체인 타이어는 노면과의 접촉면에서 옆방향으로 변형된다. 이 변형에 의해 횡력(lateral forces)이 발생한다.

차륜 접지점에서의 속도 벡터(vector)는 휠 림의 중심선과 슬립각 α를 형성한다. 이에 따라 접지면에는 옆방향으로 미끄럼 속도 ‘v sinα’가 발생한다. 이 옆방향 미끄럼속도 ‘v sinα’가 바로 사이드-슬립(side slip) 즉, 횡활(橫滑)의 원인이 된다.

이 사이드-슬립(λy)은 실제 주행속도 ‘v’와 노면과 타이어 간의 상대 옆방향속도 즉, 옆 미끄럼속도 ‘v sinα’와의 비율로 표시된다.

커브를 선회할 때의 횡력 슬립각 α에서의 옆방향 속도 벡터 <이미지 출처: 네이버>

직진방향 힘에 대한 마찰계수 곡선과 마찬가지로, 옆방향으로의 동력전달도 슬립의 영향을 받는다. 직진방향의 마찰계수와 대응시켜 옆방향 마찰계수를 정의할 수 있다.

오늘날 사용되는 타이어의 횡방향 점착마찰계수는 슬립률 15~35% 범위 내에 존재하며, 최댓값의 크기와 위치는 수직력의 크기에 따라 결정된다.

횡력의 구성과 복원토크의 발생을 간단한 타이어 모델을 이용하여 명확하게 설명할 수 있다. 그림 6-36은 타이어를 위에서 내려다 본 그림(평면도)으로, 빗금을 친 부분은 타이어의 접지면적(foot print)이다.

횡력(FL)과 복원토크(MSR)를 설명하기 위한 타이어 모델 <이미지 출처: 네이버>

위 그림은 직진주행할 때 타이어 접지면의 상태도이다. 재료고무와 타이어 구조의 불균일성 때문에 직진주행할 때에도 이미 아주 작은, 소위 선회력 제로(zero cornering force) 상태가 된다. → 각(angle) 효과와 원추 효과. 제로 선회력은 자동차의 직진성에 영향을 미친다.

일반적으로 대부분의 운전자들은 횡력/횡활각 선도의 직선영역을 벗어나지 않는 선에서 운전하게 된다. 횡력/횡활각 선도의 직선영역은 타이어와 노면상태에 따라 다르나, 점착성 노면에서 옆방향 가속도 3~4m/s2까지 유효한 것으로 알려져 있다.

횡활각(α)이 더 커지면, 먼저 푸트-프린트의 후반부에 부분적으로 미끄럼이 발생한다. 이렇게 되면 횡력(FL)은 더 이상 횡활각(α)에 비례하지 않고, 오히려 감소한다. 따라서 접지면 변형단면의 중심(重心 : center of gravity)은 다시 전방으로 이동한다. 그렇게 되면 타이어의 캐스터(nR)도 감소한다. 따라서 횡활각이 비교적 작을 때, 복원토크는 최댓값을 유지한다.

캠버 스러스트(camber thrust) <이미지 출처: 네이버>

차륜정렬요소인 캠버(camber；γ)도 횡력을 발생시킨다. 캠버 스러스트(camber thrust)의 작용방향은 차륜의 기울기 방향과 일치한다. 일반적으로 캠버가 작을 경우, 캠버 스러스트(Fγ)는 수직력(FN)을 이용한 근사식으로 표시할 수 있다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 동력전달특성‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 휠 밸런싱’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 동력전달특성이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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