Term Project주제 : 차량 타이어의 진동 해석7조과 목:기 계 진 동 학교 수 명:나 성 수 교 수 님학번 / 이름:2000170947 김 해 준2000171029 나 경 운■연구 목적차량에 있어 진동의 주요원인으로서는 크게 두 가지를 들 수 있는데, 한가지는 휠과 타이어의 조립체인 차륜에 의한 것이며, 나머지 하나는 노면의 요철에 의한 것이다. 이 때 발생하는 진동의 일부는 타이어 자체에서 흡수하지만 대부분은 현가계를 통해 차체로 전달된다. 우리는 타이어가 진동을 흡수하는 역할에 대해 알아보고 승차감에 미치는 영향을 알아본다.■차량에서 발생되는 진동의 원인▲현가장치의 손상승차감은 차체에 전달되는 진동의 폭과 진동주기에 관련이 있다. 현가장치 구성품들은 차체의 중량을 지지하고 동시에 노면상태에 따른 바퀴의 상하진동이 차체에 전달되지 않도록 최적의 상태를 유지해야 하는데 이 현가장치의 손상은 곧 승차감의 저하를 가져온다.▲타이어 공기압 과다타이어의 공기압이 과다할 경우 노면의 충격을 제대로 흡수하지 못해 승차감이 떨어진다.▲코일스프링의 손상승차인원과다 또는 과다한 적재 등으로 인해 쇽업쇼버의 코일스프링이 탄성을 잃거나 스프링 간격이 작아지면 "탁탁" 하는 소음과 함께 상하진동이 격렬해진다.▲쇽업쇼버의 감쇠력 과다쇽업쇼버의 감쇠력이 너무 클 경우 코일스프링의 진동을 충분히 흡수하지 못하거나 진동의 감쇠주기가 길어져 승차감이 떨어진다.▲휠 얼라이먼트의 불량이 경우 바퀴의 편심에 의한 회전진동이 지속적으로 발생되어 승차감이 떨어진다.▲전자제어현가장치 제어계통의 고장전자제어 현가장치(ECS:Electronic Control Suspension) 장착차량은 차속이나 노면상태에 따라 쇽업쇼버의 감쇠력을 부드럽게 또는 딱딱하게 컴퓨터가 자동제어를 해주게 된다. 이러한 ECS 제어계통에 전기적인 고장이 발생되면 경고등점등과 함께 쇽업쇼버의 감쇠력을 강제로 딱딱하게 제어해 주기 때문에 승차감이 떨어진다.■타이어의 탄생서인도 제도의 원주민들이 고무나무에서 추출해 사용하던 받아들여 졌다.이것을 자동차용으로 완성한 사람은 바로 프랑스의 E. 미쉐린이었다. 그는 1895년 파리-보르도 간을 달리는 자동차 경주에 처음으로 이 타이어를 선보였는데 22 차례나 펑크가 났지만 이제껏 사용해 왔던 통고무 타이어 보다는 뛰어난 성능을 발휘했다. 1905년에는 이 타이어의 비드부분에 강철을 사용, 이제까지보다 휠씬 강한 타이어가 만들어졌고 1912년에는 면 블록을, 1915년에는 보강제로서 면 코드가 사용되어 수명과 성능이 획기적으로 개선되었다.1931년 미국 듀퐁사는 합성 고무의 공업화에 성공하게 되면서 이를 계기로 천연고무에 의존하던 타이어 공업은 질과 양에서 일대 전기를 맞는다. 그리고 10년 후, 타이어 성능을 몇 배나 끌어 올리는 레이온 코드가 개발되었고 1949년에는 튜브를 사용하지 않고 타이어에 직접 공기를 집어 넣는 튜브리스 타이어가 개발되어 승용차 및 경트럭의 주행성, 안전도 향상에 크게 기여했다.이어서 나일론 코드의 사용으로 발전을 거듭하더니 1958년 지금까지의 타이어와는 구조가 크게 다른 레이디얼 타이어가 개발됨으로써 오늘날 사용하고 있는 고성능 타이어가 일반화되기에 이르렀다.■타이어의 구조▲트레드(직접 노면과 접촉하는 부분)노면과 접촉하는 부분으로 두꺼운 고무층으로 되어 있다. 타이어 내부의 카카스 및 벨트층을 보호하기 위해 절상, 충격에 대해 강하고 또한 타이어 의 주행 수명을 늘이기 위해 내마모성이 강한 고무를 채용한다.▲쇼울더(타이어 어깨부)트레드부와 사이드월 사이에 위치하고 (타이어 어깨부라칭함) 구조상 고무의 두께가 가 장 두껍기 때문에 주행 중 내부에서 발생하는 열을 쉽게 발산시킬 수 있도록 설계상 고려가 되어있다.▲사이드월(타이어 측면부)타이어의 쇼울더부와 비드부 사이에 해당하는 부분으로서 카카스를 보호하고 유연한 굴신운동을 함으로써 승차감을 좋게한다. 이 부분에는 타이어의 종류, 규격, 구조, 패턴, 제조회사, 상표명 등 여러 가지 문자가 표시되어 있다.▲비드(림과 접촉하는 부분)코드지의 끝부분을 감아주며■ 타이어의 분류▲구조에 따른 분류바이어스 타이어바이어스 타이어의 카카스는 1 프라이(Ply)씩 서로 번갈아 코드의 각도가 다른 방향으로 엇갈려 있어 코드가 교체하는 각도는 지면에 닿는 부분에서 원주방향에 대해 40˚전후로 되어 있다. 이 타이어는 오랜 기간의 연구성과에 의해 전반적으로 안정된 성능을 발휘하고 있다.래디얼 타이어카카스를 구성하는 코드가 타이어의 원주방향에 대해 직각으로 즉, 타이어의 측면에서 보면 원의 중심에서 방사상(Radial)으로 비드에서 비드를 직각으로 배열한 상태이고 구조의 안정성을 위하여 트레드 고무층 바로 밑에 원주방향에 가까운 각도로 코드를 배치한 벨트로 단단히 조여져 있다. 래디얼 구조의 타이어는 이 벨트의 효과에 의해 트레드부의 강성을 높이고 있는 것과 카카스도 코드가 래디얼 구조인 것에 의해 고속 타이어로서의 성능을 발휘한다.튜브리스 타이어튜브리스 타이어는 자동차의 고속화에 따라 고속주행 중 펑크 사고의 위험에서 운전자와 차를 보호하고자 하는 목적으로 개발. 이 타이어는 튜브를 사용하지 않는 대신, 타이어의 내면에 공기투과성이 적은 특수고무(인너 라이너)를 붙여 타이어와 림으로부터 공기가 새지 않도록 되어 있고 주행 중에 못에 찔려도 공기가 새지 않도록 되어 있고 주행 중에 못에찔려도 공기가 급격히 빠지지 않는 특징이 있다.※ 튜브리스 타이어의 장점공기압의 유지가 좋다.못 등에 찔려도 급속한 공기누출이 없다.타이어 내부의 공기가 직접 림에 접촉되고 있기 때문에 주행 중의 열발산이 좋다.튜브 불림 등의 튜브에 의한 고장이 없다.튜브조립이 없으므로 작업성이 향상된다.※ 튜브리스 타이어의 단점타이어의 내측, 비드부에 흠이 생기면 분리 현상이 일어난다. 타이어와 림의 조립이 불완전하거나, 림 후랜지 부위에 변형이 있으면 공기누출을 일으키는 일이 있다. 특히포장도로를 주행할 경우 노면의 돌 등에 의해 림 후랜지 부분이 손상을 입어 공기누출을 일으킬 경우가 있기 때문에 주의할 필요가 있다.레이디얼 플라이 타이어(Radial Fly Ti타이어를 교체하는 어려움을 해소하기 위하여 개발된 타이어로 사계절 구분없이 사용될 수 있고 강설량이 많은 지역에서는 올시즌용 타이어로 스노우 성능을 100% 발휘할 수 없으므로 스노우 타이어를 사용하는 편이 유리하다.겨울용 타이어(Winter Tire)겨울철 낮은 온도의 눈길, 빙판길에 적합한 타이어로, 겨울철 노면에서 제동력 및 구동력이 우수하도록 설계된 타이어로 트래드 패턴의 특징은 타이어 중심에서 직선으로 리브형태의 블록을 배치하고 그 블록에 수많은 커프를 삽입하여 고속주행시 우수한 조종안정성과 스노우 성능을 동시에 발휘한다.■ 타이어의 기능▲하중지지 기능타이어 내부의 공기에 의해서 자동차 전체 중량을 지지한다. 즉, 공차시는 자동차의 중량만을 지지하고, 화물 적재시는 적재 화물의 중량을 포함한 전체 하중을 받쳐주게 된다.▲노면의 충격흡수기능타이어는 노면의 돌기물 등으로부터 충격을 흡수하여 차량의 승차감을 양호하게 하거나 승객 또는 차량의 화물을 안전하게 보호하는 기능을 유지한다.▲주행, 정지 및 방향전환기능차량의 엔진에서 발생되는 구동력은 노면과 직접 접촉하고 있는 타이어라는 부품을 통해 노면과 마찰력을 발생시킴으로써 자동차의 주행, 정지 및 방향 전환을 원활히 할 수 있다.■ 타이어의 진동 해석을 위한 모델링▲Point contact tire modelF sub N=k delta +cdot delta일반적으로 많이 사용모델링이 간편타이어 힘이 과도하게 크게 계산▲Distributed contact modelF sub = k delta sub {eq} + c dot {delta} sub {eq}SUM A sub i = A sub {eq}=r sup 2 theta-r sup2 cos theta sin thetaC sub p = { sum A sub i C sub {pi}} over {sum A sub s }delta sub{eq} =r-r cos theta▲Radial spring-damper tire model타이어 각 접촉점에서 힘 계산 : 분포력으로이어와 노면의 상태에 따라 큰 차이가 발생하는데 사실상 차체에서 진동과 소음을 발생시키는 것은 대부분 섀시 및 엔진, 동력 전달장치이지만 여기서는 타이어 자체가 어떻게 진동과 소음의 발생원인이 되는지 살펴보기로 하겠다.진동 및 소음은 타이어의 유니훠미티(균일성)가 나쁠 경우 발생되는데 유니훠미티는 광의의 개념으로 이것이 내재하고 있는 성격은 크게 중량의 불균일, 치수의 불균일, 강성의 불균일로 대별한다.▲강성의 불균일타이어는 공기압을 충천하여 사용하는 것이 기본 원리이며 공기압을 넣은 타이어는 차량 및 화물, 승객 등을 싣고 운행하도록 설계되어있다. 이러한 목적에 의하여 지면과 접지된 부분이 변형되고 이 변형부위는 타이어가 회전함에 따라 원주방향으로 각 부위가 1회전에 한번식 변형을 갖게 된다. 예를 들어 승용차 타이어의 경우 승용차의 중량이 1,000kg이라고 가정하면 타이어 한 본당 부하되는 하중은 250kg이 된다.와 같이 타이어를 무한히 작은 조각으로 n등분할 때 각 조각들이 지면과 닿을 경우 발생되는 접촉 압력은 각 조각이 갖고 있는 강성에 따라 세게 지면을 두드리거나 약하게 지면을 두드릴 수가 있어 각 조각간에는 힘의 편차가 발생하게 된다.타이어를 수많은 스프링이 모여서 된 집합체로 본다면 와 같은 모형이 된다. 같은 공장에서 같은 날 제조된 스프링이라 하더라도 각 스프링의 충격흡수 능력이 동일할 수가 없다. 같은 스프링이라 하더라도 어느 스프링은 유연성이 좋아 충격흡수 능력이 좋고, 어떤 스프링은 딱딱하여 충격흡수 능력이 떨어지게 된다. 물론 각 스프링 간에 커다란 편차는 없지만 조금이라도 편차가 있는 것은 어쩔 수 없는 현상이다.이렇게 특성이 조금씩 다른 스프링으로 타이어가 구성되었다고 가정할 경우 각 스프링이 지면과 접촉시 생기는 충격 흡수능력도 다르기 때문에 개개의 타이어 스프링이 지면과 접촉시 발생되는 힘은 와 같이 스프링별로 다르게 나타난다.이렇게 발생된 힘의 변동량중 최대치와 최소치의 힘의 변동을 강성의 불균일량이라고 한다. 강성의 불균
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