자동차 타이어 최적의 설계

오늘날의 많은 경제 발전으로 인해 자동차는 우리 생활에 없어서는 안 될 필수품의 하나로 인식되고 있다. 단순히 먼 거리를 이동할 수 있는 교통수 단만이 아니라 취미생활로 자동차를 수집하거나 자동차 튜닝 등 자동차를 이용해 즐기는 이들이 다양하게 생겨나고 있다. 이렇듯 자동차는 우리의 일 상 생활에서 편리함과 안락함, 그리고 유익함 등 많은 부분을 차지한다. 현재 한국의 자동차 보유대수는 2010년 말 현재 약 1800만 대 이르며, 이는 인구 2.82명당 1대를 보유하고 있는 수치이다. 그리고 세계에서 미국, 일본, 중국 등 14번째로 자동차가 많은 나라이다. 자동차의 수요 증가와 지속적인 경제 발전으로 성능 좋은 자동차, 안전한 자동차, 승차감이 좋은 자동차를 추구하는 경향이 지속적으로 향상되어 왔다. 이러한 자동차의 발전에 따라 자동차의 성능 향상에 중요한 부분으로 운동성능에 크게 영향을 미치는 타이어에 대한 관심과 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

 

타이어는 서인도 제도의 원주민들이 파라고무나무(heveatree)라는 고무나무에서 추출해 사용하던 고무가 15세기 말 콜럼버스에 의해 유럽으로 전해져 17세기 중엽 고무를 녹이는 화공약품인 에테르(ether)의 발견과 19세기 유황의 가열 법, 그리고 영국에서 나프타(naphtha:원유의 분해산물로 공업용으로 사용)의 우수한 용해성이 발견되면서 여러 산업과 생활용품에 중요한 소재로 이용되었고, 고무가 바퀴에 이용된 것은 영국의 톰슨에 의해서 이다. 이후 고무의 탄성과 공기의 압력을 응용하여 현재와 유사한 타이어가 영국의 수의사인 존 보이드 던롭에 의해 1888년에 발명되었다. 그 이후에도 성 능이 뛰어난 타이어 개발이 계속되어 1891년 웰치가 발명한 비드와이어 타 이어가 있으며, 1891년에는 미쉐린 형제가 탈착이 가능한 타이어를 개발하 여 특허를 냈다. 또한 1904년 파이어 스톤과 굿이어가 개발한 스트레트 사 이드 와이어 비드 타이어는 미국 전역에 걸쳐 사용될 만큼 성공적이었다. 그러나 이러한 타이어의 실용화는 35년 뒤인 1948년 프랑스의 미쉐린에 의해 이루어졌다.

 

앞서 설명한 바와 같이 타이어의 발전은 타이어 재료와 구조 등의 개선으로 지속적으로 개발되어 왔으며, 앞으로도 계속 개발될 것이다. 하지만 타이어의 승차감, 조종 성능, 내구성 등 타이어의 다양한 성능을 모두 만족시키는 것은 매우 어려운 일이다. 그래서 타이어의 설계인자가 어떠한 성능에 영향을 미치는지 파악하기 어렵고, 최적안을 결정하기 위해 많은 어려움이 발생하여 타이어 개발에 많은 시간이 소요되어 설계 효율성이 크게 떨어지게 된다.

 

타이어의 여러 가지 성능 중에서 주요 성능인 내구성과 승 차감을 선정하였다. 내구성과 관련된 변형률 에너지 밀도 범위와 승차감에 대한 수직 강성을 목적함수로 하였고, 이와 관련된 타이어 설계인자 7개를 선정하였다. 이후 3 수준계 직교 배열표인 L36(313) 형을 이용하여 타이어 설계 인자에 따른 성능을 검토하였고, 타이어 최적화를 위해 충진 계획법인 OLHD를 이용하여 70개의 실험점을 생성하여 각 실험점에 대한 해석을 수 행하였다. 그리고 해석 결과를 이용하여 크리깅 근사 모델을 생성한 후, 전역 최적화 기법의 일종인 진화 알고리즘을 이용하여 목적함수에 따라 최적화를 수행하였다. 타이어의 설계인자에 따른 목적함수에 미치는 영향도 분석 및 최적화를 통해서 얻은 결론은 다음과 같다.

 

1. 타이어 성능 분석을 통해서 내구성에 벨트 1의 길이, 승차감에 벨트 코드 직경과 벨트 코드 각도가 크게 영향을 미치는 설계인 자임을 파악할 수 있었다.
2. 타이어 해석은 한번 수행하는데 30분 이상 소요된다. 실제 해석 모델을 이용한 최적화는 반복 횟수 따라서 기하급수적으로 해석 시간이 증가한다. 하 지만 PIAnO를 이용하여 자동화함으로 약 16.5시간 해석으로 근사 모델을 생성하여 다양한 최적화 기법을 적용할 수 있어 해석 시간을 줄여 설계 효율성을 높일 수 있다.
3. 크리깅 근사 모델을 이용하여 목적함수에 따른 최적화 결과를 통해서 앞서 수행한 타이어 성능 분석의 결과와 유사하게 내구성과 승차감에 영향을 미치는 설계인자가 나타나는 결과를 보였다.
4. 내구성과 승차감과 관련된 목적함수를 고려하여 최적화한 결과는 내 구성의 경우 약 28%, 승차감의 경우 약 3%가 향상된 결과 얻음으로 두 개 의 목적함수를 동시에 만족하는 설계인자의 값을 도출할 수 있다.
5. 근사 모델을 이용한 최적화 결과와 실제 해석과 비교하였을 경우, 타이어 근사 모델이 내구성보다는 승차감에 좀 더 정확한 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.

이러한 결론을 통해서 본 논문에서는 타이어 설계인자와 타이어 성능의 연관성을 이해할 수 있으며, 이를 통해 타이어 성능 개선에 따른 불필요한 설계인자를 제거하여 해석을 수행하게 되어 설계 효율성을 높일 수 있다. 또한 최적화를 통해서 타이어의 성능 향상을 위한 최적의 설계인자를 결정할 수 있다. 향후 연구로는 타이어의 패턴을 고려하고, 타이어 형상 변화에 대 한 설계인자 등을 고려함으로써 보다 정확한 타이어 성능에 대한 설계 인자의 영향도와 좀 더 정확한 설계 최적해를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

 

이상으로 자동차 타이어 최적의 설계에 대해서 알아보았습니다. 감사합니다.