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.

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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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8. 타이어 공기압 감시 시스템 [air pressure monitoring system]

이번시간엔 타이어 런-플랫시스템에 이어 타이어 공기압 감시 시스템에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

타이어 공기압의 손실은 경우에 따라서는 급격히, 또는 천천히 장기간에 걸쳐 이루어진다. 우선 외부물체에 찔리거나, 충돌 또는 운전 부주의로 타이어가 파손되어 순식간에 공기압이 손실되는 경우를 가정할 수 있다.

아래 그림은 고속 주행 중 타이어가 외부로부터의 이물질에 찔리고, 타이어에 박힌 이 이물질은 임의의 시간 후에 원심력에 의해 다시 타이어로부터 분리되는 경우의 공기압 변화를 도시한 그림이다. 타이어 및 자동차의 종류, 그리고 타이어의 손상 정도에 따라 다르나 약 30~60초 후에 한계압력(규정 공기압의 85%)에 도달함을 알 수 있다. 따라서 이 경우에 최소 30초 이내에 운전자가 이 사실을 인지하면 사고를 미연에 방지할 수 있다. - 공기압 감시시스템은 이와 같은 논리에 근거를 둔 시스템이다.

주행 중 타이어 손상에 의한 공기압손실 <도표 출처: 네이버>

이 외에도 튜브나 공기 주입 밸브로부터의 누설, 또는 비드(bead)와 림(rim)사이에서의 미세한 누설에 의해 장기간에 걸쳐 공기압이 조금씩 손실되는 경우가 있을 수 있다. 이와 같은 경우에 공기압의 손실은 1년에 약 30% 정도에 이르는 것으로 보고되고 있다.

유니로열(Uniroyal)사가 운행 중인 자동차를 대상으로 타이어 공기압을 조사한 결과에 따르면 약 17%는 규정값보다 높게, 약 13%는 규정값 범위로, 그리고 약 70%는 규정값보다 낮은 것으로 나타났다. 이 조사결과는 절대 다수의 자동차들이 항상 공기압이 부족한 상태로 운행되고 있음을 의미한다.

타이어의 안정성, 예를 들면 고속주행성능, 제동력 및 선회력을 노면에 전달할 수 있는 능력, 그리고 수막현상에 대한 대처능력 등은 공기압이 규정수준을 유지하고 있을 때만 보장된다.

공기압 감시시스템은 공기압이 일정수준 이하로 낮아지면 경고신호를 발생시키고, 더 낮아져 위험한 상황이 되면 경보를 발하여 운전자가 자동차를 정차시킬 수 있도록 한다.

공기압 감시시스템은 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라 경제성을 개선시키는 부수적인 효과도 있다. 공기압이 낮으면 타이어의 마모가 증대되고, 연료소비율이 증가하기 때문이다.

공기압 감시시스템은 간접측정 방식과 직접측정 방식으로 분류할 수 있다.

1) 간접 측정 방식

공기압이 손실되면 타이어의 전동원주는 작아지고, 차륜의 회전속도는 상승하게 된다. ABS 또는 ESP(Electronic Stability Program) 시스템에 부속된 센서들을 이용하여 각 차륜의 회전속도를 측정하고, 대각선으로 배치된 차륜의 회전속도를 서로 비교하여 평균회전속도를 산출하고, 이 평균회전속도를 이용하여 공기압이 손실된 타이어를 식별한다. 두 차륜 간의 공기압의 차이가 일정값(예 : 30%) 이상이면 먼저 운전자에게 경고신호를 보낸다.

그러나 제어 일렉트로닉은 커브선회 시 또는 급가속할 때와 같은 주행상태를 변별하여, 이 경우에는 경고신호를 발생시키지 않는다. 그리고 제어일렉트로닉에 저장된 알고리즘은 부하와 온도변화도 고려한다. 단 타이어의 규격이 바뀌면 해당 타이어의 전동원주(규정 공기압에서의) 기준값을 다시 입력해야 한다.

2) 직접 측정 방식

공기압은 타이어에 설치된 압력센서가 직접 측정한다. 아래의 기능들이 충족되어야 한다.

• 공기압은 정차 중 또는 주행 중에도 계속해서 감시되어야 한다.

• 공기압 손실, 공기압 감소 및 타이어 펑크는 조기에 운전자에게 알려져야 한다.

• 개별 휠의 인식 및 휠의 위치확인은 자동적으로 이루어져야 한다.

• 시스템과 부품의 진단은 서비스공장에서 가능해야 한다.

이 시스템은 다음과 같은 부품으로 구성된다.

• 각 차륜마다 1개 이상의 압력센서

• 타이어 공기압 감시용 안테나

• 디스플레이를 포함한 계기판

• 타이어 공기압 감시용 ECU

• 기능 선택 스위치

타이어 공기압센서와 안테나 <이미지 출처: 네이버>

① 타이어 공기압센서

타이어 공기 주입 밸브(금속제)에 볼트로 체결되어 있다. 따라서 타이어 또는 림을 교환할 때 다시 사용할 수 있다. 추가로 온도센서, 발신용 안테나, 측정 일렉트로닉 및 제어 일렉트로닉, 수명이 약 7년인 배터리 등이 집적되어 있다. 공기압은 온도에 따라 변화하므로, ECU에서는 감지한 온도와 압력을 기준온도 20℃에서의 값으로 환산한다.

타이어를 교환할 때 센서의 파손을 방지하기 위해서는, 타이어를 센서가 설치된 쪽의 반대쪽 부분을 눌러서 분리시켜야 한다.

② ECU

발신 안테나로부터 다음과 같은 정보들을 수신한다.

• 개별 차륜의 식별 번호(ID code)

• 현재의 공기압과 온도

• 리튬(Lithium) 전지의 상태

ECU는 타이어 공기압 감시를 위해 안테나로부터 수신한 신호들을 평가하여, 우선순위에 따라 디스플레이를 통해서 운전자에게 정보를 제공한다. 타이어를 교환하였을 경우, 예를 들면 앞차축 타이어를 뒤차축으로, 또는 그 반대로 교환하였을 경우에 변경된 압력으로 ECU를 다시 코딩하여야 한다.

예를 들면, 공기압을 수정하였을 경우에는 그때마다 엔진 점화스위치를 OFF하고, 단자 15 ON 상태에서 일정 시간 동안(예 : 최소한 6초 이상) 버튼을 눌러 시스템을 초기화해야 한다.

③ 개별 차륜 인식

ECU는 자동차에 부속된 센서들을 식별하고, 이를 저장한다. ECU는 주행 중에도 센서들을 식별하여, 근접해 있는 자동차들의 센서에 의한 간섭을 방지한다.

④ 시스템 메시지 우선순위 1

이 메시지는 주행안전성을 더 이상 보장할 수 없음을 의미하는, 경고 메시지이다.

• 신호 한계값(threshold) 2에 미달될 경우(예 : 저장된 규정압력 2.3bar에서, 0.4bar 강하)

• 신호 한계값(threshold) 3에 미달될 경우(예 : 최저압력 한계, 그림에서 1.7bar)

• 분당 압력손실이 규정값(예 : 0.2bar) 이상일 경우.

⑤ 시스템 메시지 우선순위 2

다음의 경우에 메시지를 통해 운전자에게 정보를 제공한다.

• 신호 한계값(threshold) 1에 미달될 경우(예 : 저장된 규정압력 2.3bar에서, 0.2bar 강하)

• 동일 차축의 타이어 간의 압력차가 일정 수준(예 : 0.4bar) 이상일 경우.

• 시스템이 스위치 OFF되었거나 또는 고장일 경우.

시스템 메시지 그래프 <이미지 출처: 네이버>

이상으로 ‘자동차의 타이어 공기압 감시 시스템‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 동력전달특성’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 공기압 감시 시스템이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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타이어

7. 런-플랫시스템

이번시간엔 타이어가 고속주행에 미치는 영향에 이어 타이어 런-플랫시스템에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

런-플랫 시스템은 특히 고속에서 타이어 공기압의 급격한 감소에 의한 위험한(critical) 주행상황을 방지하거나 또는 제거할 수 있다. 일반적으로 타이어를 교환하지 않고도 가까운 정비공장까지 주행할 수 있다. → RSC＝Run-flat System Component

런-플랫 시스템은 비상운전(limp-home) 특성을 갖춘 휠/타이어 시스템으로서, 2가지 사양으로 분류할 수 있다.

① 기존의 휠 림에 적용할 수 있는 시스템

② 특수한 휠 림과 그에 적합한 타이어를 장착해야 하는 시스템

두 시스템에는 반드시 공기압 감시 시스템의 장착이 필수적이다. 공기압 감시 시스템은 운전자가 적당한 속도로 계속 주행할 수 있도록 공기압에 대한 정보를 제공할 수 있어야 한다.

1) 기존의 휠 림에 적용할 수 있는 시스템

① CSR(Conti Support Ring)

아래 그림과 같이 유연한 마운팅(mounting)을 포함한 경금속 링(ring)을 휠 림에 조립한 형식이다. 경금속 링의 무게는 약 5kg 정도이다. 따라서 각 휠은 약 5kg 정도의 무게가 증가하게 된다.

공기압이 손실되었을 경우에도, 타이어가 경금속 링에 지지되므로, 타이어 사이드 월이 노면과 휠 림 사이에서 짓눌리지 않게 된다. 따라서 공기압이 손실되었을 경우에도 타이어의 파손이나 마찰에 의한 열이 발생되지 않는다. 주행속도를 낮출 경우, 약 200km 정도까지는 계속 주행이 가능하다. 이 방식은 조립 난이도 때문에, 편평비(H/B) 60 이하인 타이어용으로 개발되었다.

기존의 휠 림을 사용하는 런-플랫 시스템 <이미지 출처: 네이버>

② 자기 지지식 런-플랫 타이어(SSR : Self Supporting Run-flat tire)(예 : DSST)

이 타이어는 기존의 타이어와 비교할 때, 내열고무를 사용하고, 추가로 띠를 삽입하여 사이드 월을 강력하게 보강하였다. 압력이 손실된 상태에서도 타이어는 자신의 사이드 월로 자동차의 하중을 지지할 수 있다. 따라서 비드는 림의 안쪽으로 미끄러지지 않고 자신의 위치를 유지한다. 공기압이 손실된 상태에서도 주행속도 80km/h로 약 200km 정도를 주행할 수 있도록 설계되어 있다. 사이드 월의 보강으로 노면충격흡수성이 불량하여 승차감은 낮다.

2) 특수한 휠 림과 그에 적합한 타이어를 장착해야 하는 시스템

특수한 휠 림과 그에 적합한 타이어를 사용하는 시스템으로서, 대표적인 시스템에는 Michelin의 PAX-시스템이 있다. PAX-시스템의 구조는 아래의 그림과 같다.

PAX-시스템 <이미지 출처: 네이버>

① PAX-시스템의 휠 림-EH2(Extended Hump 2)

림은 아주 편평하고 림 웰(rim well)의 위치에는 아주 작은 조립용 그루브가 있을 뿐이다. 림 플랜지(rim flange)는 없고, 림의 바깥쪽 양단에는 각각 험프(hump)가 있다. 림의 중앙부분이 편평하므로 직경이 큰 브레이크 디스크의 설치가 가능하다.

타이어 비드의 수직 고정력 <이미지 출처: 네이버>

② PAX-시스템의 타이어

타이어의 사이드 월을 높이는 더 짧게, 강성은 더 크게 증가시켰다. 측력에 의한 타이어 접지면의 변형이 적기 때문에, 노면과의 접촉력은 개선되고 전동저항은 감소된다.

타이어 비드는 각각 험프의 바깥쪽 그루브에 밀착되어 있다. 타이어에 작용하는 모든 힘은 타이어의 카커스에 인장력을 발생시키는 힘으로 작용한다. 따라서 비드는 언제나 그루브에 밀착된 상태를 유지한다. 그리고 수직으로 작용하는 이 고정력은 타이어의 공기압이 손실된 상태에서도 비드가 림으로부터 이탈하지 않도록 한다.[그림 6-20 타이어 비드의 수직 고정력]

③ PAX-시스템의 인서트(insert)

이 인서트는 탄성 링으로서, 림 위에 끼워져 있으며, 부하감당능력이 우수하다. 따라서 타이어의 공기압이 손실된 상태에서도 타이어가 제 위치를 유지하도록 타이어를 지지한다. 타이어의 공기압이 손실된 상태에서도 80km/h의 속도로 약 200km 정도를 주행할 수 있다.

④ PAX-시스템의 타이어 호칭

이상으로 ‘자동차의 타이어 런-플랫시스템‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 타이어 공기압 감시 시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 런-플랫시스템이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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6. 고속 주행과 타이어

이번시간엔 타이어의 수명에 이어 타이어가 고속주행에 미치는 영향에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

고속으로 주행할 때 발생하는 고장 중에서 타이어에 의한 고장비율은 대단히 높다. 특히 다음 사항에 유의하여야 한다.

1) 트레드의 마모

자동차관리법 안전규칙(제 11조)에는 타이어 트레드의 마모한계를 1.6mm로 규정하고 있다. 독일의 경우에는 프로필(profile)은 타이어 트레드 전체에 걸쳐서 1.6mm 이상, 특히 겨울철에는 4mm 이상이어야 한다고 규정하고 있다. 일반적으로 트레드 깊이가 3mm 이하이면, 노면에 약간의 물이 있어도 고속으로 주행할 때는 수막현상이 크게 증대되는 것으로 알려져 있다.

타이어에서 트레드 마모 표시기(TWI : Tread Wear Indicator)의 위치에는 사이드 월에 TWI 또는 삼각형(▲)이 표시되어 있다.

어느 타이어 회사는 승용자동차의 경우 1.6mm, 버스 및 트럭의 경우 3.2mm를 안전 마모한계로 제시하고 있다. 트레드의 마모가 심하면 고속주행 시에 수막현상의 위험이 크게 증대된다.

트레드 마모 표시기(TWI) <이지미 출처: 네이버>

아래 표는 승용자동차를 젖은 도로에서 100km/h로 주행 중, 제동하여 측정한 제동거리이다. 트레드의 마모가 증가함에 따라, 제동거리가 증가함을 나타내고 있다.

<표 출처: 네이버>

수막현상과 타이어 수막현상 테스트(예) <표 출처: 네이버>

위의 그림은 수막현상 테스트 실험실에서 투명한 막을 통해 타이어의 수막현상을 관찰하고, 서로 다른 속도에서 사진을 촬영하는 것을 보여주고 있다. 우측 그림은 유리막을 통해 촬영한 타이어의 푸트-프린트이다. 아직까지는 접촉이 양호함을 보여주고 있다.(검은색 프로필 블록)

2) 공기압

공기 타이어에서는 시간이 경과함에 따라 타이어 공기압이 처음에 비해 점진적으로 아주 조금씩 낮아지는 ‘확산손실(diffusion loss)’을 피할 수 없다.

버스나 트럭의 경우는 고속(100km/h)에서도 표준 공기압으로 충분하지만, 승용자동차의 경우는 버스나 트럭보다는 더 높은 속도로 주행하는 경우가 많기 때문에 고속으로 주행할 경우에는 표준 공기압보다 0.3~0.5bar 정도 더 높은 공기압을 권장하고 있다.

공기압이 낮은 상태에서 고속주행하면 스탠딩 웨이브(standing wave) 현상이 발생하여, 타이어의 수명을 급격히 저하시킬 뿐만 아니라 트레드가 분리되어 떨어져 나가는(tread chunk-out), 아주 위험한 현상이 발생할 수 있다.

다음은 적정 공기압의 예이다.

<표 출처: 네이버>

 타이어의 고속주행성능 비교(예) <이미지 출처: 네이버>

위의 그림은 250km/h로 주행할 때 ‘175 HR 14’ 타이어의 스탠딩 웨이브 현상을 잘 보여주고 있다.

3) 주행속도

고속으로 주행하면 타이어에서 심하게 열이 발생하며, 부하도 증대된다. 어떠한 경우에도 타이어의 허용최고속도 이상으로 주행해서는 안 된다. 그리고 승용차 타이어에 ‘MS’(Mud＋Snow)라고 명시된 경우에는 허용최고속도에서 20km/h를, ‘보강하였음(reinforced)’ 이라고 명시된 경우에는 10km/h를, MS*와 ‘reinforced’가 동시에 명시된 경우에는 30km/h를 감속한 속도를 허용최고속도로 권장하고 있다. 그러나 최근에는 이와 상관없이 허용최고속도로 주행해도 된다는 회사들이 늘어나고 있다.

DIN 규격 78051에서 발췌한, 타이어 고속주행시험에 관한 내용이다.

• 독일 공업규격: DIN 78051에서 발췌(참고사이트: 독일표준협회)

시험할 타이어를 해당 림(rim)에 조립한 다음, 규정 공기압으로 충전한다. 타이어에 최대허용하중의 80%에 해당하는 부하를 걸고 고속시험대에서 시험한다.

드럼의 직경 171cm 또는 200cm인 시험대에서 60분간 5단계의 각각 다른 속도에서 시험한다. 마지막 20분 동안은 허용최고속도로 운전한다. 시험 후에 타이어에 손상이 없어야 한다.

손상(예) : 트레드 고무가 떨어져 나감(chunk-out), 플라이의 분리(ply separation), 그루브의 파손(groove cracking), 사이드 월의 파손(side wall cracking) 등.

이상으로 ‘자동차의 고속주행과 타이어‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 런-플랫시스템’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 고속주행시의 타이어에 미치는 영향들이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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5. 타이어수명에 영향을 미치는 요인들

이번시간엔 타이어의 종류에 이어 타이어의 수명에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

정상적인 경우, 타이어 수명은 10년까지도 가능한 것으로 보고되고 있다. 그러나 일부 자동차 회사들은 제조일자로부터 6년이 지난 타이어들은 폐기할 것을 권장하고 있다.

1) 운전 방법(습관)

운전자의 운전습관에 따라, 예를 들면 급발진이나 급제동을 자주할 경우에는 타이어에 이상 마모가 발생할 수 있다.

2) 노면 상태

노면의 굴곡이 심하면, 포장도로에서 보다 마모가 빠르게 된다.

3) 공기압

타이어의 정상적인 마모를 위해서는 정적공기압을 유지하는 것이 필수적이다.

<표 출처: 네이버>

① 타이어에 질소가스(N2) 주입에 대한 논쟁

타이어에서의 확산 손실(diffusion loss)이란 타이어에 주입된 가스(또는 공기)의 아주 미세한 입자 특히, 원자 또는 분자가 타이어의 재료를 통해 외부로 빠져 나감으로서 나타나는 완만하면서도 미세한 압력 손실을 말한다.

타이어에 질소가스를 주입하는 것은 확산의 관점에서 볼 때, 실질적인 장점이 거의 없음에도 불구하고 일부 회사들은 장점이 많은 것처럼 선전하고 있다. 질소가 공기에 비해 분자의 크기가 더 크기 때문에 공기 대신에 질소를 주입하면 좋다는 말은 확산의 관점에서 논의해 보아야 할 것이다. 하지만 타이어 공기압의 안정성을 개선하는 효과는 아주 미미하다. 공기질량의 약 78%가 이미 질소이기 때문이다.(산소 21%(wt.), 희귀가스 1%(wt.), CO2 0.03%(wt.))

타이어 공기압의 확산손실은 수개월에 걸쳐 수백분의 1bar에 불과하다. 타이어에 질소가스를 주입했다고 해서 정기적으로 타이어 공기압을 점검해야하는 운전자의 의무가 면제되는 것은 아니다.

항공기나 레이싱-카에서는 타이어에 질소가스를 주입한다. 직접적인 이유는 사고가 발생했을 때 그리고 이로 인해 화재가 발생했을 경우, 타이어로부터 추가로 공기(산소)가 배출되지 않는다는 이유 때문이다.

② 온도변화와 타이어 공기압의 상관 관계

일반적으로 승용자동차의 경우 타이어 온도가 10℃ 상승하면, 타이어 공기압은 0.1bar 정도 상승한다. 그 반대도 성립한다. 트럭이나 버스 타이어의 경우는 승용자동차 타이어에 비해 공기압이 높기 때문에 온도상승에 따른 압력상승폭도 더 크다. 예를 들어 승용차 타이어가 0.1bar 상승할 때, 대형트럭 타이어는 0.6bar 정도까지도 상승한다.

4) 적재 하중

적재하중이 규정값 이상으로 증가하면, 타이어의 마모는 급속히 빨라진다.

<표 출처: 네이버>

5) 차륜 정렬 상태

정렬상태가 불량하면, 타이어의 이상 마모를 유발시켜, 타이어의 수명이 단축될 수 있다.

6) 휠 밸런싱(wheel balancing) 상태

휠이 밸런싱되어 있지 않을 경우, 타이어의 이상 마모가 발생할 수 있다.

7) 주행속도

주행속도가 타이어의 규정속도 이상으로 높아지면, 타이어의 변형과 발열이 심해지게 되어 마모를 촉진시킨다. 일반적으로 타이어에 명시된 규정하중의 80% 적재상태로, 규정속도의 80% 이하로 주행할 것을 권장하고 있다.

8) 차체 스프링 시스템

차체 스프링 시스템에 이상이 있을 경우, 이상 마모의 원인이 될 수 있다.

이상으로 ‘자동차의 타이어 수명‘에 대하여 알아봤습니다. 다음 시간엔 이어서 ‘자동차 고속주행 타이어’에 대하여 알아보도록 하겠습니다. 오늘 알아본 자동차의 타이어 수명에 미치는 영향들이 여러분들의 자동차관리에 도움 되어 안전운전으로 쾌적한 자동차 생활이 되시기 바랍니다.

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