타이어 Tread Groove Positioning에 따른 NVH 및 Steering 성향

1. 서 론

타이어의 패턴은 타이어의 성향을 바꿀 수 있는 중요한 인자이다.¹⁾ 우리는 이러한 패턴 특성들의 상관관계를 알아보고자 동일한 패턴에서 종그루브의 폭, 종그루브 간의 간격을 변화시키며 실차 기반의 NVH 계측평가와 Steering 주관 평가를 진행하였다. 많은 타이어 회사를 비롯한 자동차 업계에서는 비용과 시간 절감을 위해 가상 시뮬레이션으로 대체하고자 하지만 아직 시뮬레이션 평가와 실차 평가 간에는 노면(거칠기와 굴곡 등), 환경(온도, 습도, 바람 등) 등 여러 공변수들을 모두 시뮬레이션에 적용할 수 없는 이유로 상관성에서 많은 차이를 보이고 있는 실정이다.²⁾ 이로 인해 자동차 업계에서는 시뮬레이션과 실차 평가를 모두 진행하고 있으며 두 평가간의 차이를 줄이기 위해 Big data를 이용한 인공지능 분석 등 여러 방향으로 노력 하고 있다.³⁾ 우리는 이러한 시뮬레이션과 실차 간의 상관성 수준을 올리고(Data base의 기초 자료 육성), 타이어의 기초 연구(타이어 설계요소에 따른 성능 등) 자료로써 타이어 종그루브 포지셔닝에 따른 NVH 및 Steering 영향도를 실험 및 분석하였다. 마른 노면에서 타이어의 Performance를 위해서는 극단적인 레이싱 슬릭타이어의 형태가 우세하겠지만, 다양한 도로 환경의 범용성을 고려했을 때 수막현상(Hydroplaning) 방지 성능 등을 위해 그루브가 적용된 타이어가 일상영역에서 사용되고 있다.⁴⁾ 그루브는 타이어와 노면 사이의 수막현상을 방지해 주기 위해 배수를 해주는 역할을 하지만, 반대로 과도한 그루브 사용은 트레드의 강성과 NVH적 성능을 악화시킨다.⁵⁾ 본 연구에서는 이러한 그루브의 장단점, 즉, 패턴 설계에 따른 NVH성능과 Steering 성능을 알아보고자 진행하였다. 본 연구에서 종 그루브는 패턴사이에 있는 수막현상을 방지하기 위한 종방향의 홈을 의미하며 종 그루브의 간격은 각 홈 중앙부들의 간격을 의미한다.

2. 평가설계

종그루브 포지셔닝에 따른 NVH 및 Steering 평가는 금호타이어 Goksung Proving Ground(GSPG)에서 진행되었고 차량은 Kia사의 19년식 K3(BD)가 사용되었다. 또한 평가자는 금호타이어 성능평가팀 소속의 NVH평가자 1명과 R&H 평가자 2명이 투입되었다.

2.1 타이어

평가 타이어는 금호타이어의 TA31패턴을 Reference패턴으로 사용하였다. TA31패턴은 Passenger Car Radial(PCR) 사계절용 타이어에 적용되고 있는 패턴이며 이를 토대로 종그루브의 폭 3가지와 그루브 간의 간격 6가지를 조합하여 총 8가지 종류의 타이어 제작하였다. 또한 타이어의 많은 설계 요소 중 패턴의 영향도에 집중하고자 핸드카빙(패턴 수제작) 타이어를 사용하였다. 패턴 간 종그루브 폭과 종 그루브의 간격은 Table 1에 기재하였다.

Table 1

Tire information

2.2 NVH 평가 방법

NVH평가는 GSPG의 Smooth Asphalt 노면에서 진행되었다. 주행속도는 80 kph를 유지하며 소음센서를 이용하여 소음을 측정하였다. 소음센서는 차량 전방좌측 바퀴뒤, 타이어로부터 10 cm, 노면으로부터 14 cm떨어진 지점에 설치되었다. 소음센서의 취득 가능한 Root Mean Square(RMS) 주파수 범위는 500 ~ 4,000 Hz이다.

Fig. 1

NVH evaluation and analysis

3. 실험결과

상기의 방법으로 실험한 결과, Table 2와 같은 결과를 얻었다.

Table 2

NVH evaluation result

Fig. 2

Noise vs total of actual ground contact grooves volume

3.1 NVH 평가결과

Table 2를 통해 (1)종그루브의 총(4개 그루브) 넓이 Sg(Lgw x Lgd)가 동일하나, 종그루브간 거리(Lbg)가 상이한 v4와 v2, v3와 v1 비교 시 Lbg평균 거리가 증가할수록 소음은 감소함을 볼 수 있었다. 또한 (2)트레드 센터부와 숄더부 종그루브 폭 길이를 반전으로 설계한 v7과 v8, v5와 v6 비교 시 숄더부 대비 센터부의 종그루부 넓이가 작으면 소음이 감소함을 볼 수 있었다. 그리고 (3) 종그루브 총 넓이 Sg 및 실제 접지 종그루브 총 체적 Vg(Sg x Lacg) 감소에 따라 소음이 감소하는 경향을 볼 수 있다. 단, v3, v5, v1, v6의 경우와 같이 총체적 경향성의 경우, 큰 체적 차이에서는 일치하지만 작은 체적 차이에서는 경향성과 정확히 일치하지는 않았다. 이를 통해 패턴 소음 수준을 결정하는 추가 인자가 있다고 판단하여 종그루브 간 거리 영향도 및 접지압 정밀 분석을 진행하였다. 종그루브 실 접지 폭 분석결과, Table 3과 같이 패턴 설계(실제) 대비 센터부는 80 %, 숄더부는 65 % 폭 접지율을 보이고 있었다. 또한 다양한 치수들에 의한 소음영향도를 분석하기위해 단일화된 지수가 필요하다 판단하였고, 다음과 같은 방법으로 지수를 산출였다. 소음원을 각 종그루브 크기 형상 즉, 종그루브 폭x깊이에 실 접지비율을 적용하였다. Fig. 3과 같이 소음원 1,2,3,4를 단일화된 소음지수로 변환시키기 위해 실제 접지 트레드의 선형 길이 Ltaw와 종그루브 간 거리를 이용하여 거리함수 값을 구하고 최종적으로 단일화된 소음지수를 산출하였다. 그 결과 Table 4와 같은 결과를 얻을 수 있었으며 패턴 소음지수가 패턴 소음 간 상관이 91 %가 됨을 확인할 수 있었다.

$\[ \begin{array}{c}f{\left(l\right)}_i=\frac{L_{taw}-L_{bg}}{L_{taw}}\\ f{\left(l\right)}_{ii}=\frac{\left(v_x+\left(v_{x+1}\cdot f(l{)}_i\right)\right)+\left(v_{x+1}+\left(v_x\cdot f(l{)}_i\right)\right)}{2}\\ \mathrm{P}\mathrm{N}\mathrm{I}=\frac{\left(v_y+\left(v_{y+1}\cdot f(l{)}_{ii}\right)\right)+\left(v_{y+1}+\left(v_y\cdot f(l{)}_{ii}\right)\right)}{2}\end{array} \]$

(1)

Table 3

Comparison of actual and designed groove width

Fig. 3

Pattern noise index

Table 4

Pattern noise index

Fig. 4

Actual ground groove area vs pattern noise index

3.2 주행성능 감성 평가결과

NVH평가에 이어 타이어 주행성능 감성평가를 실시하였다. 주행성능 감성평가에서도 특히 Tread의 영향을 집중적으로 보기 위해 Steering 측면에서의 평가를 진행하였다. Steering 평가항목으로는 앞서 2.3에서 설명한 Center feel, Delay, Linearity, Steering Force, Steering Precision 총 5개의 항목이다. 평가결과 v1은 On Center가 다소 Tight한 경향을 가지고 Delay가 다소 컸다. Effort는 양호하였고, Steering Angle도 양호한 수준이었다, 다만 선형성 미흡에 따른 Yaw거동은 다소 불안정한 편이었다. Average Steering Rating(ASR)은 Table 5와 같이 6.65가 주어졌다. V2는 on center가 Loose하고 선형성에서 2번의 다른 가속감을 보였다. V2의 ASR은 6.30이다. V3는 On Center 및 Response가 양호하나 선형성이 후반부에서 가속성향을 보였다. 단, 전후륜 Balance 및 Yaw거동은 양호한 수준이었다. ASR은 6.95이다. V4는 V3와 유사한 특성을 보였으나, On Center 및 Response가 V3 대비 미소 열세함을 보였고, 그로 인한 선형성도 가속성향이 미소 이르게 발생하였다. ASR은 6.70이다. V5는 On Center가 Loose하고 Delay가 컸다. 또한 Block의 강성이 약하여 Understeer가 매우 이르게 발생하였다. ASR은 6.15이다. V6은 V5과 유사한 경향을 보였으며 ASR은 6.15이다. V7은 V2, V5 대비 Steering성능이 전반적으로 미소 우세하였으나, On Center가 미소 Loose하고 Delay가 있었으며 선형성에서 약한 2phase를 보이고 ASR은 6.45였다. 마지막으로 v8는 v3와 유사한 특성을 보이나 On Center가 미소 열세하고 Delay를 가졌다. 그로 인해 선형성에서 가속특성이 미소 이르게 발생하였고 ASR은 6.80이 부여됐다.

Table 5

Steering evaluation result

Fig. 5

Tire design parameter vs steering ratings

4. 결 론

상기의 평가결과를 정리하면, 센터부와 숄더부의 폭이 동일한 패턴(v1 ~ v4)에서는 종그루브 폭이 작을 때 소음이 감소하였다. 센터부와 숄더부의 폭이 동일하지 않은 패턴(v5 ~ v8)의 경우에서는 종 그루브 넓이가 작으면 소음이 감소하였다. 또한, 실제 접지거리와 종그루브 간 거리에 의한 패턴 소음을 보기 위해 단일화된 패턴소음 지수를 도출하였으며 이를 통해 패턴소음지수가 작을수록 소음이 작을 수 있음을 확인하였다. Steering특성에서는 센터 종그루브의 폭이 7.5 mm일 때, 그루브의 간격이 28.5 ~ 30.0 mm일 때 ASR이 높았다. 기술통계적으로는 센터그루브의 폭이 7.5 mm보다 작거나, 클 때, 그루브 간격이 좁을 때는 ASR이 낮았고, 이를 고려하면 Steering특성은 그루브의 폭과 그루브 간격의 밸런스가 중요했다.

연구의 한계는 다음과 같다. 본 연구에서는 하나의 규격으로 한정된 샘플 수량을 가지고 평가가 진행되었다. 따라서 분석은 기술 통계로 진행되었으며, 본 연구 결과가 다른 규격 타이어의 경향성을 대변하지는 않는다. Steering특성의 경우 그루브 간격이 28.5 ~ 30.0 mm일 때, 높은 ASR을 보인다. 이는, 샘플 내 가장 넓은 그루브 간격 30.0 mm 이상일 때의 Steering성능도 확인해야한다는 것을 의미한다. 또한, Steering과 NVH특성이 타이어의 모든 성능을 대변하지 않는다는 점에서 본 연구는 일부 특성을 고찰하기 위한 연구이다. 다만 본 연구는 추후 진행될 연구의 기초 연구로서 의미가 있다. 추후 연구에서는 다양한 패턴과 원재료 등 모든 타이어 설계 사항을 고려할 것이다. 이를 통해 충분히 데이터를 확보하여 추론 통계를 진행할 것이며, 이후 당사의 모든 평가데이터를 빅데이터화하여 보다 양질의 연구를 진행하고자 한다.

References

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• SAE, “Subjective Rating Scale for Vehicle Handling,” SAE Standard, J1441, 2007.