A Study on the Friction of Tire Tread Rubber using High-Speed Friction Test Machine

고속 마찰 특성 평가시험기 개발을 통한 타이어 트레드 고무의 마찰에 관한 연구

A Study on the Friction of Tire Tread Rubber using High-Speed Friction Test Machine

이진구^1,, 이동주² Jin Koo Lee^1, and Dong Ju Lee²

1 주식회사 대화산기 (Daehwa Eng’ & Machinery Co., Ltd.) 2 충남대학교 기계공학과 (Department of Mechanical Engineering, Chungnam National University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-42-670-5832 Manuscript received: 2012.11.5 / Revised: 2013.3.14 / Accepted: 2013.3.28

Due to the development of compounding technology, there is a considerable increase in the number of high performance rubbers in the world. Accordingly, there are rapid growing requests about high performance tires such as UHP tire and Run-flat tire. However, it is extremely difficult to investigate the friction coefficient of tire tread rubbers. An alternative solution must be developed with the reliability of high-speed linear friction test machines. The use of friction test machines can be expected to improve rubber friction researches. In this paper, we propose a new kind of high-speed linear friction test machine. We have designed and manufactured various mechanisms for friction tests. The final goals are to design and manufacture friction test machines that can investigate friction coefficients efficiently and rapidly. The performance of the proposed high-speed linear friction test machine is evaluated experimentally; however additional study should be necessary for safer and more reliable experimentation.

Key Words: High-Speed Linear Friction Test Machine (고속 마찰 특성 평가시험기), Coefficient of Friction (마찰 계수), Tire Tread (타이어 트레드), Tread Block (트레드 블록), Rubber Friction (고무 마찰)

1. 서론

고무 배합기술의 발전에 따라 타이어 성능 향 성을 위한 다양한 고무 재료가 개발되고 있다. 타 이어는 차량이 지면과 접촉하는 유일한 부품이며, 운전자의 의도에 따라 다양한 주행 성능을 발휘할 수 있어야 한다.

선진국을 중심으로 타이어 에너지 효율 등급 표시제(Tire Labeling)가 시행됨에 따라 타이어의 에 너지 효율에 직접적인 영향을 미치는 고무 마찰의 중요성이 급격하게 증가하고 있다.

타이어의 외곽에는 노면과 실제로 접촉하는 트

레드(Tread)가 존재하며, 용도에 따라 여러 가지 블록과 홈이 생성된다. 이와 같이 복잡한 트레드 형상은 주행 성능과 마찰, 소음, 연비 등에 상당한 영향을 미친다.

한편, 고무 재료의 마찰 특성은 온도와 하중 뿐만 아니라 표면의 거칠기, 산화, 오염도 등과 같 은 마찰 계면의 상태, 마찰 방법 등에 따라 크게 좌우된다.⁷ 이 때문에 고무의 특성이나 거동을 예 측하기 위해 필요한 마찰 계수를 결정하는 것은 매우 어려운 일이며, 타이어 트레드의 복잡한 형 상으로 인해 해석도 매우 난해하다. 고무 마찰력 에 관련된 타이어와 차량의 성능을 효과적으로 예

측하기 위해서는 실제 타이어 평가와 유사한 조건 에서의 고무 마찰과 변형에 대한 정확한 이해가 필수적이다.

본 연구의 목적은 고정밀도와 신뢰성을 갖는 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하여 타이어 트 레드 고무의 마찰 계수를 추출하고, 특성 정량화 에 활용하여 고성능 타이어 개발을 위한 기초 연 구를 수행하는데 있다.

2. 연구 배경 2.1 해외 연구 동향

유럽의 선진국을 중심으로 고무 마찰 특성에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 고속 마찰 특성 평가시험기의 개발 현황을 분석해 본 결과, 유럽의 대학교에서 마찰시험기를 자체 개발하여 연구를 수행하고 있었다.

Fig. 1에 제시된 핀란드 Aalto 대학의 마찰시험 기는 공압실린더를 사용하여 최대 1,500 N의 하중 을 부가하며, 1축 로드셀(1-axis Load Cell)을 사용하 여 하중을 검출한다. 최대 시험 속도는 1.2 m/s이며 서보 모터(Servo Motor)와 감속기를 이용하여 1.15 m의 얼음 노면 위에서 시편을 이송하는 방식을 적용하였다.

오스트리아 Vienna 대학은 공압실린더를 사용 하여 하중을 부가하며, 한 개의 3축 로드셀(3-axis Load Cell)로 하중을 검출할 수 있다. 또한, 리니어 모터(Linear Motor)를 이용하여 시편부를 이송하는 방식을 적용하였다. 눈 연구에 특성화된 Vienna 대 학의 마찰시험기는 냉동 컨테이너 안에 설치되며,

작업자는 외부에서 시험기의 동작을 모니터링하며 마찰 시험을 수행한다. 최대 시험 속도는 1.0 m/s이 며, 0.3 m의 노면을 이동하며 약 1,200 N의 하중을 부가할 수 있다. Fig. 2에 냉동 컨테이너 안에 설치 된 Vienna 대학의 마찰시험기를 제시하였다.

2.2 개발 개요

노면과 접촉한 타이어의 트레드 블록은 압축 (Compression), 전단변형(Shearing), 미끄러짐(Sliding Motion)이 반복적으로 나타나게 되며, 트레드 블록 의 마찰 계수는 슬립 속도(Slip Speed)에 따라 크게 변화한다.

타이어 실차 평가에 있어서 조종(Steering)시 트 레드 블록의 슬립 속도는 0.5~1.0 m/s, 안정(Stability) 시 6.0~10.0 m/s의 시험 속도가 필요하며, 제동 (ABS Braking)시에는 2.78 ~ 0 m/s의 시험 속도가 요 구된다. 2.1절에서 언급한 유럽의 마찰시험기들은 낮은 속도 조건에서만 시험이 가능하며, 타이어 실차 평가와 유사한 속도의 시험 조건에서 고무

Fig. 1 Friction test machine of Aalto University

Fig. 2 Friction test machine of Vienna University

Fig. 3 General behaviors of tire tread block

마찰을 시험하는 것은 불가능하다. 또한, 다양한 노면의 종류 및 온도 조건에 따른 고무 마찰 시험 을 수행할 수 없다.

본 연구에서는 정확한 타이어의 성능을 예측하 기 위해 다양한 하중, 속도 등의 시험 조건을 구 현하여 실제 타이어 평가와 유사한 마찰 특성 결 과를 확보할 수 있는 고속 마찰 특성 평가시험기 를 개발하였다. Table 1에 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기의 주요 사양을 요약하였다.

3. 고속 마찰 특성 평가시험기의 개발 3.1 시험기 구성

앞에서 언급된 시험 조건과 목표 사양을 기초 로 고속 마찰 특성 평가시험기를 기안하였다. 기 안된 마찰시험기는 주 프레임과 하중 부가부, 시 편 이송부, 노면 장착부 및 노면 레벨 조정부 등 으로 구성되었다. Fig. 4와 Fig. 5에 개발된 고속 마 찰 특성 평가시험기의 3-D 모델과 제작된 시제품 을 제시하였다.

시험기의 주 프레임은 강성을 확보하기 위해 50 mm의 SM45C 재질을 사용하였고, 전 둘레 용접

을 실시하여 제작되었다. 또한 시험기 설치의 정 도 향상을 위해 하단부의 면 가공을 실시하였다.

Fig. 6에 도시된 하중 부가부는 공압 벨로우즈 실린더(Pneumatic Bellows Cylinder)와 스프링의 조합 으로 순간적인 시험 시간 동안에도 일정한 하중을 유지할 수 있도록 고안되었다.

데이터의 검출에는 다수의 로드셀 조합이 고려 되었다. 압전식(Piezo Type) 3축 로드셀 네 개를 조 합하여 X, Y, Z축 각각의 하중과 모멘트를 실시간 으로 취득할 수 있으며, 이를 통해 고무 마찰 특 성 데이터의 활용도를 높일 것으로 기대된다.

Fig. 7에 제시된 시편 이송부는 리니어 모터 (Linear Motor)를 적용하였다.

Fig. 5 General view of linear friction test machine (LFT)

Fig. 6 Load unit of friction test machine

Fig. 7 Linear driving unit of friction test machine Table 1 Final specifications of friction test machine

No. Descriptions Specifications 1 Size of machine 1.6×4.0×1.8 m 2 Length of track 2.0 m 3 Width of track More than 0.6 m 4 Test velocity Max. 10 m/s 5 Loading condition Max. 3,500 N 6 Track level control X-Y : ±5 deg. Tilting 7 Size of tread block 30×30×10 mm 8 Operating temp. -20 ~ 40℃

Fig. 4 General drawing of friction test machine

리니어 모터는 AB사의 LX200800F15N모델로서 Table 2에 모터의 사양을 정리하였다.

앞 절에서 언급된 오스트리아 Vienna 대학의 리니어 모터(Linear Motor)는 최대 시험 속도는 1.0 m/s 인 반면에 개발 시험기에 적용된 리니어 모터 의 최대 시험 속도는 10.0 m/s로서, 속도와 가속도 조건이 우수하다.

앞에서 언급했듯이 타이어 실차 평가에 있어서 조종(Steering)시 트레드 블록의 슬립 속도는 0.5 ~ 1.0 m/s, 안정(Stability)시 6.0 ~ 10.0 m/s의 시험 속도 가 요구된다. 따라서, 개발중인 설비의 경우 실차 평가와 유사한 환경에서 시험을 수행할 수 있다는 특징을 가진다.

시험을 위한 노면은 중량물이기 때문에 빈번한 노면의 교체는 시험의 효율성을 떨어뜨린다. 이와 같은 점을 반영하여 여러 재질을 조합하여 마찰 시험을 위한 노면을 구축하였다.

개발된 마찰시험기에 적용된 노면의 길이는 식 (1)의 기본적인 동역학 공식에 의해 선정되었다.

속도 10.0 m/s, 가속도 100.0 m/s² 기준으로 마찰 계 수 추출을 위한 직선 구간은 0.5 m, 가속/감속 구 간은 각각 0.5 m로 산출되었으며, 최소한 1.5 m의 노면 길이가 필요하다고 판단되어 본 시험기의 노 면은 2,0 m 설정되었다.

2 2

0 2

V −V = as (1) 이와 같이 노면의 길이는 리니어 모터의 최대 속도와 가속도 사양을 고려하여 산출되었으며, 데 이터 취득을 위한 등속 구간도 최소 0.5 m가 확보 되었다.

Fig. 8의 기안에서 볼 수 있는 것과 같이, 마찰 시험기에 사용될 노면은 다섯 종의 재질로 분할 제작되었으며, 각각의 분할 노면은 120×2,000 mm 의 크기를 갖는다.

Fig. 9에 도시된 것과 같이 노면 장착부 하단에 는 서보 모터(Servo Motor)와 전동실린더를 적용하 여 측면(Lateral) 방향의 이송이 가능하도록 개발되 었다. 예를 들어 아스팔트 노면에서 시험을 수행

한 후, 서보 모터를 동작시키면 전동실린더에 의 해 노면이 측면으로 이동하고, 고무 시편이 콘크 리트 노면 위에 위치하게 되어 연속적인 마찰 시 험이 가능하도록 개발되었다. 노면을 장착하기 위 해 상단에 설치된 노면 케이스는 스테인리스 재질 의 수조의 형태를 적용하였다. 노면을 수조형 케 이스 안에 장착한 후, 물 공급 장치(Water Unit)를 연결하여 수분을 공급 및 순환을 시키면 젖은 노 면에서의 마찰 시험도 가능하다. 최종적으로 눈과 얼음 노면을 노면 케이스에 장착하여 겨울용 타이 어 개발을 위한 마찰 연구도 수행할 예정이다.

노면 장착부에 설치되는 노면은 제작 방법의 한계로 인하여 시편 이송부와 수평을 유지하지 않 는 경우가 빈번하다. 이와 같은 문제점을 해결하 기 위하여 노면 길이 방향의 양쪽에 노면의 레벨 을 조정할 수 있는 메커니즘을 추가하였다.

Fig. 10에 제시된 것과 같이 공압실린더와 전동 실린더가 동시에 일정한 노면의 중량을 지탱하고 있으며, 모터와 연결된 전동실린더의 개별 동작으

Fig. 8 General view of track manufacturing

Fig. 9 Track transfer system of friction test machine Table 2 Specifications of linear motor

No. Descriptions Specifications 1 Force continuous 4,314 N

2 Force constant 98.5 N 3 Thermal resistance 0.08 4 Current peak 89.2 A

로 노면의 레벨을 조정할 수 있다. 이와 같은 전 동실린더와 공압실린더의 조합을 통해 약 1.3 ton 의 노면부 중량을 지탱할 수 있도록 기안되었다.

4. 실험적 검증

4.1 개발 시험기 성능시험

3장에서 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기의 신뢰성을 검증하기 위해 고무 블록을 이용한 마 찰 시험을 수행하였다.

Fig. 11에 제시한 것과 같이 마찰 시험을 위한 시편은 30×30×10 크기의 타이어 트레드 고무를 100×100×2 크기의 스테인리스 판에 붙여 사용하 였다.

시험기 최대 사양에서의 마찰 시험에 앞서 속 도 조건을 0.1 m/s, 1.0 m/s, 2.0 m/s, 5.0 m/s, 7.0 m/s으 로 다양하게 변화를 주어 시험하였으며, 가속도는 45.0 m/s²으로 동일하게 유지하였다.

Fig. 12에 개발된 고속 마찰 특성 평가시험기의 속도 곡선을 도시하였다.

Fig. 10 General view of track level adjusting device

Fig. 11 Test specimens using tread rubbers

고속 마찰 특성 평가시험기의 최대 속도의 설 계치는 10.0 m/s이지만 안전을 고려하여 7.0 m/s까 지 검증한 상태이고, 향후 10.0 m/s까지 성능 검증 을 수행할 예정이다.

이와 같이 고속 마찰 특성 평가시험기의 기안 과 제작 및 시운전을 통하여 향후 고무의 마찰 특 성 분석을 위한 기초 연구는 적절하게 수행되었다.

4.2 비교 시험

트레드 고무의 종류, 노면의 종류, 하중 및 속 도/가속도 조건에 따른 다양한 시험에 활용하기 위해 타이어 제조사가 보유하고 있는 마찰 특성 데이터와 정량적인 비교가 선행되어야 한다. 이를 위해 타이어 제조사가 보유하고 있는 시험기와 동 일한 조건에서 마찰 시험을 수행하였다.

앞에서 언급한 것과 같이 개발된 마찰시험기에 사용될 여러 종류의 노면 제작은 완료되었으나, 기존 데이터와의 검증을 위해 타이어 제조사의 마 찰 설비에서 사용되고 있는 동일한 규격의 샌드페 이퍼(Sand Paper, #120) 위에서 마찰 시험을 먼저 수 행하였다. 시험에는 동일한 트레드 고무 재질이 사용되었고, 타이어 회사의 TBT 사양에 맞게 Table 3과 같은 시험 조건을 설정하였다. 또한 결 과의 신뢰성을 위해 각각의 조건에서 5회 반복하 여 시험을 수행하였다. Fig. 13에 저속으로 구동이 가능한 마찰시험기를 도시하였다.

시험 결과 P12 트레드 고무의 마찰 계수는 속 도 및 하중 조건에 따라 1.150 ~ 1.493 정도로 측정 되었으며, 시험 속도가 증가함에 따라 미끄러짐 (Sliding) 마찰 계수는 증가하였고, 수직 방향의 하 중이 증가하면 마찰 계수는 감소하는 것으로 나타 났다.

Fig. 12 Results of velocity verification

TBT와 개발된 마찰시험기에서 수행된 마찰 시 험 결과를 통해 Sliding시 마찰 계수가 매우 유사 함을 알 수 있었다. 또한 개발된 마찰시험기의 표준 편차 및 시험 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다.

비록 TBT 장비의 최대 속도가 0.375 m/s 이고, 최대 노면의 길이가 600 mm 인 한계로 인하여 다 양한 속도에서의 마찰 시험 결과를 비교하지는 못 하였으나, 개발된 마찰시험기의 저속에서의 신뢰 성은 검증되었다고 판단된다.

Table 4와 Table 5에 속도 0.01 m/s, 0.1 m/s에서 하중에 따른 마찰계수 (µ)와 표준편차 (Standard deviation) 결과를 정리하였다.

향후 지속적으로 타이어 제조사가 보유하고 있 는 기존 마찰 데이터와 면밀하게 비교, 분석하여 개발된 시험기의 신뢰성을 확보할 예정이다.

Table 3 Conditions of comparative performance test No. Description Specification

1 Compound P12

2 Sample Size 30×30×10 mm 3 Test velocity 0.01, 0.1 m/s 4 Test pressure 0.1, 0.3, 0.5 MPa 5 Length of track 500 mm 6 Operating temp. Normal temperature

Fig. 13 General view of tread block tester (TBT)

Fig. 14 Results of comparative friction test

5. 결론

본 연구에서는 타이어의 실차 평가와 유사한 시험 조건에서 트레드 고무의 마찰 거동을 분석하 기 위하여 고속 마찰 특성 평가시험기를 개발하였 다. 시험기의 기본 성능에 대한 연구는 완료되었 으며, 시험 데이터의 신뢰성 확보를 위한 고무 블 록의 마찰 시험도 약 200회 이상 수행되었다. 타 이어 회사에서 보유한 TBT 장비와의 비교 시험에 서 유사한 마찰 계수가 측정되었고, 개발된 설비 의 반복성이 더 우수함을 알 수 있었다. 타이어 실차 평가에서 주행, 조종, 제동 시 요구되는 시험 속도는 다양하다. 개발된 고속 마찰시험기를 이용 하여 젖은 노면을 비롯한 다양한 노면 조건과 하 중 및 속도 조건에서의 체계적인 마찰 시험 수행 이 가능할 것으로 판단된다.

영하의 온도 조건에서 시험이 가능하도록 개발 된 고속 마찰 특성 평가시험기는 향후 냉동 실험 실에 설치될 예정이다. 가혹한 시험 조건에서는 기계 부품의 수축, 팽창이나 전장품의 오류가 발 생할 수 있다. 이에 대한 적절한 연구가 병행될 것이며, 추가적으로 고무 시편의 자동 교체 장치 와 노면의 자동 청소 장치의 개발과 같은 마찰 시험의 자동화를 위한 연구도 계속 진행될 예정 이다.

세계적으로 10.0 m/s의 속도에서 고속 마찰 시 험을 수행하는 곳을 찾기는 어렵다. 이 때문에 고 속 마찰 시험을 통해 얻은 데이터를 비교하고 분 석하기는 매우 어렵다. 지속적인 마찰 시험을 수 행하고 타이어 제조사에서 축적하고 있는 저속에 서의 마찰 데이터와의 면밀한 비교, 분석을 통해

Table 4 Friction coefficient and standard deviation at 0.01 m/s

0.1 MPa 0.3 MPa 0.5 MPa TBT LFT TBT LFT TBT LFT µ 1.443 1.491 1.390 1.388 1.150 1.173 S.D. 0.056 0.007 0.030 0.026 0.011 0.007

Table 5 Friction coefficient and standard deviation at 0.1 m/s

0.1 MPa 0.3 MPa 0.5 MPa TBT LFT TBT LFT TBT LFT µ 1.493 1.474 1.426 1.455 1.223 1.219 S.D. 0.030 0.049 0.042 0.034 0.020 0.017

고속 마찰 시험의 신뢰성을 확보하는 것이 향후 연구의 나아갈 방향이다.

후 기

본 연구는 지식경제부가 출연하고 한국산업기 술평가관리원에서 시행한 2011년도 수요자연계형 부품소재기술개발사업 “승용차용 Y등급 연료 절감 형 런플랫 타이어 개발 (과제번호: 10040818)”의 지 원으로 수행되었습니다.

참고문헌

1. Kim, D. M. and Park, I. J., “Analysis of Contact Stresses on the Tread Rubber Blocks with Slip,” Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 29, No. 4, pp.

216-229, 2001.

2. Kim, D. M., Kwon, Y. C., and Shin, D. Y., “A Study on Stress Analysis of Tire Block,” Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 25, No. 5, pp. 55-61, 1997.

3. Sakai, H., “Friction and Wear of Tire Tread Rubber,”

Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 24, No. 3, 1996.

4. Knisley, S., “A Correlation between Rolling Tire Contact Friction Energy and Indoor Tread Wear,” Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 30, No. 2, 2002.

5. Gent, A. N. and Meinecke, E. A., “Compression, Bending and Shear of Bonded Rubber Blocks,”

Polymer Engineering and Science, Vol. 10, No. 1, pp.

48-56, 1970.

6. Blau, P. J., “Friction Science and Technology,”

Marcel Dekker Inc, pp. 66-181, 1996.

7. Cheon, G. J., Oh, S. M., and Lee, D. H.,

“Development of a Friction Tester and Experimental Study on the Frictional Characteristics of Rubber,”

Journal of the KSTLE, Vol. 15, No. 2, pp. 193-198, 1999.