자동차 바퀴의 휠과 타이어

강지연, 2021년 02월 18일

바퀴는 수천년 전에 인류가 발명한 최고의 발명품입니다. 바퀴는 회전운동을 통해 먼 거리를 빠르게 이동할 수 있게 합니다. 휠과 타이어는 바퀴의 구성요소이자, 자동차에 있어서 빼놓을 수 없는 가장 중요한 부분입니다. 그 이유는 자동차의 속도 조절과 회전 방향을 변경할 때 고무의 탄성을 이용해 불규칙한 노면에서의 충격을 완화시켜 승차감을 향상시켜 주는 기능을 맡고 있기 때문입니다. 또한 아무리 좋은 성능의 엔진을 탑재하고 있더라도 휠과 타이어가 없다면 자동차는 움직일 수 없습니다. 두 개의 같은 차종에 서로 다른 성능의 타이어를 장착하면 고성능의 타이어를 장착한 자동차의 성능이 비약적으로 달라질 만큼 큰 영향을 미치는 부분입니다.

자동차 휠

자동차 휠의 구조

휠의 기본 구조휠(wheel)의 기본구조는 타이어가 장착되는 림(rim), 허브(hub)용 구멍과 체결용 볼트구멍이 가공되어 있는 휠디스크로 구성됩니다. 휠디스크는 스파이더(spider)와 스포크(spoke)로 대체가 가능합니다. 휠은 강판으로 강화시킬 수 있으며 경합금으로도 제작되고 있습니다. 특히 경합금은 중량이 가벼우며, 방열성이 우수하기 때문에 브레이크 환기에도 효과적입니다. 휠의 기능은 타이어와 차량의 하중을 차지하며 구동력, 제동력, 횡력 등의 힘을 노면에 전달하는 역할을 맡고 있습니다. 따라서 직경이 크고 경량일수록 효율성이 높습니다. 강성과 탄성이 클 경우 노면에서 충격을 견디기에 더욱 효과적입니다. 빠른 속도로 오래 주행하는 자동차의 특성상 타이어에 열이 가해지는 경우가 많은데 이러한 열을 발산하기 위해 방열성이 높은 휠일수록 좋습니다.

자동차 휠의 종류

디스크휠(disk wheel) 스파이더휠(spider wheel) 스포크휠(spoke wheel)

자동차 휠은 다음과 같은 종류가 있습니다.

(1) 디스크휠

타이어를 유지하는 림과 자동차의 허브에 부착하는 디스크를 함께 부르는 이름이 바로 디스크휠(disk wheel)입니다. 주로 강판을 이용하여 제작되어, 중량이 가볍고 방열성이 우수하다는 장점이 있습니다. 구조가 간단하기 때문에 대량생산 시 용이하여 다양한 자동차에 널리 사용되고 있습니다. 최근에는 강성이 높은 알루미늄이나 마그네슘 등 경금속 합금을 소재를 이용해 더욱 가볍고 내구성이 좋은 다양한 디스크휠이 생산되고 있습니다.

(2) 스파이더휠

스파이더휠(spider wheel)은 림과 허브를 방사선 상으로 연결된 것을 말합니다. 림 지지대가 부착되어 있어 강성이 높습니다. 또한 지지대 사이의 거리가 넓어 브레이크 냉각효과가 뛰어납니다. 이러한 특징으로 큰 지름의 타이어도 쉽게 장착이 가능하여 대중적으로 많이 사용되고 있습니다. 디스크휠이 승용 자동차나 경트럭에 주로 사용된다면, 스파이더휠은 대형 차량이나 특수 차량에 주로 사용됩니다.

(3) 스포크휠

림과 허브를 강철선으로 연결한 스포크휠(spoke wheel)은 스파이더휠과 마찬가지로 냉각효과가 우수합니다. 또한 방사선상으로 림 지지대가 있어 강성이 크고 중량이 가벼우며 충격을 완화하는데 효과적입니다. 하지만 가격이 비싸고 타이어의 구조가 복잡하여 관리에 어려움이 있습니다. 주로 스포츠카나 이륜차에 사용되는 휠입니다.

타이어의 기능

타이어는 엔진의 회전력을 노면에 전달하는 기능을 맡고 있습니다. 타이어와 노면 사이의 마찰력이 강할수록 빠른 속도에도 미끄러지지 않아 안전성이 높습니다. 엔진의 성능이 좋더라도 타이어의 마찰력이 부족하다면 그 구동력은 노면에 제대로 전달될 수 없습니다. 결론적으로 아무리 엔진의 동력을 높여 구동력을 크게 해도 타이어에 따라 그 성능이 달라질 수 있다는 것입니다. 이뿐만 아니라 공기가 들어 있는 고무 튜브를 외부의 충격으로부터 보호하는 역할을 합니다. 타이어의 설계나 접지면 무늬(tread pattern) 등이 이 작용에 깊은 관계가 있으며, 마모된 타이어는 차의 기능을 제대로 발휘할 수 없어 교체가 필요합니다. 보통 타이어는 타이어와 튜브로 구성되어 사용되고 있으나, 최근의 자동차용 타이어는 튜브리스 타이어(tubeless tire)라고 하는 튜브가 없는 구조로 제작되고 있습니다. 이 타이어의 경우 내부를 공기가 통과하기 어려운 부틸 고무로 라이닝하여, 타이어와 튜브가 일체로 된 것으로, 펑크가 나도 공기가 순식간에 빠지지 않아 더욱 안전하다는 것이 특징입니다.

타이어의 역사

세계 최초의 타이어

로버트 윌리엄 톰슨
(Robert William Thomson)스코틀랜드의 발명가인 로버트 윌리엄 톰슨(Robert William Thomson)은 최초의 공기 타이어를 발명했습니다. 1847년 찰스 굿이어(Charles Goodyear)가 개발한 바퀴용 고무를 이용하여 제작되었으며 생고무가 주원료였습니다. 하지만 나일론이나 철선 등의 재료가 포함되지 않아 그 당시의 타이어는 굉장히 빠르게 마모되어 수시로 타이어를 교체해야 했습니다. 이러한 특징 때문에 타이어의 어원은 ‘빠른 마모도’에서 유래한 것입니다. ‘Tire’ 단어 그대로 자동차에서 가장 빨리 피곤함을 느끼는 부분이라는 뜻으로, 찰스 굿이어가 1903년에 타이어라는 이름을 붙였습니다. 통고무만을 사용해 제작되었던 타이어는 시간이 지나면서 속을 비우고 안쪽의 튜브를 통해 물을 채워서 사용했습니다. 타이어 속의 물은 이전에 비해 충격을 완화시키는데 효과적이었지만, 날씨에 영향을 많이 받았습니다. 뜨거운 여름날과 추운 겨울날에는 사용할 수 없다는 큰 단점이 존재했습니다.

공기 주입식 타이어

1888년 스코틀랜드의 기업인 존 보이드 던롭(John Boyd Dunlop)이 공기를 넣은 자전거용 타이어를 개발했습니다. 이렇게 탄생한 최초의 공기 주입식 타이어는 미쉐린(Michelin) 형제가 뒤를 이어 탈부착이 가능한 형태의 타이어로 진화시켰습니다. 1905년부터는 타이어 비드에 강철 심을 부착하여 휠과 닫는 부분의 접지력을 높였습니다. 이를 통해 빠른 속도에서도 타이어가 빠지는 위험성을 낮출 수 있었습니다.

카본블랙으로 내구성을 높인 타이어

1908년 9월 27일 미국의 대표적인 자동차 회사인 포드(Ford)의 모델T(Model T)가 생산되었습니다. 당시 자동차는 가격이 굉장히 비싸서 사치품이자 소수의 부유층만이 소유할 수 있었습니다. 하지만 포드 ‘모델T’는 저렴한 가격으로 출시되어 1900년대를 자동차의 대중화를 선도했습니다. 이러한 이유로 자동차용 타이어의 소비량이 급등하였습니다. 이때 사용되었던 타이어는 1800년대 제작된 최초의 타이어 대비 개선이 많이 이루어졌지만, 마모도는 여전히 높았습니다. 그래서 얼마 사용하지 않았지만 타이어가 금방 닳아버려 터지기 일쑤였습니다. 이러한 문제는 1912년 굿리치(Goodrich)가 타이어에 카본블랙을 첨가하면서 해결되었습니다. 카본블랙은 고무의 성질을 강화하는 작용을 일으켜 타이어의 내구성을 높이는데 중요한 재료입니다. 여기에 타이어의 구조에 코드지를 넣은 타이어가 1915년에 개발되면서 그 안전성과 내구성은 더욱 향상되었습니다.

타이어의 대량생산

하지만 여전히 타이어의 주재료인 천연고무는 구하기 어렵다는 것이 문제였습니다. 대량으로 얻을 수 없어 타이어의 대량생산은 불가능했고 적은 수의 타이어는 그 가격이 굉장히 비쌌습니다. 그런데 1931년 W. H. 캐러더스(Wallace Hume Carothers)가 클로로프렌(C4H5Cl)을 원료로 하는 합성고무 발명에 성공하며 타이어의 대량생산에 박차를 가할 수 있었습니다. 20세기 초부터 자동차 공업의 급속한 발전에 따른 타이어의 수요 증대로 합성고무공업은 획기적인 발전을 이루었고, 석유화학공업의 발달과 저렴한 가격으로 원료를 다량으로 확보할 수 있게 되면서 오늘날의 합성고무공업의 거대한 성장이 가능해진 것입니다.

한국의 타이어 기업

이제부터는 한국의 3대 타이어 기업인 한국타이어, 금호타이어, 넥센타이어를 차례대로 알아보겠습니다.

한국타이어

한국타이어((Hankook Tire)한국타이어((Hankook Tire)는 한국 최초로 세워진 타이어 전문 기업입니다. 한국 타이어 시장 점유율 1위, 세계 매출 7위를 거머쥐며 타이어 시장을 선도하고 있습니다. 승용차, SUV뿐만 아니라 트럭, 버스 등에 탑재되는 특수 타이어도 생산하며 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)와 같은 세계적 자동차 브랜드에도 타이어를 공급하고 있습니다. 최근에는 넥슨(Nexon)의 온라인 레이싱 게임인 카트라이더(Kartrider)와 제휴를 맺으며 색다른 마케팅을 진행하고 있습니다. 이에 따라 2021년 3월 3일까지 게임 내 가상 공간에서 타이어 모양 카트를 사용해 게임을 즐길 수 있습니다. 특히, 한국타이어의 대표 초고성능 타이어인 벤투스 S1 에보3의 높은 속도와 뛰어난 핸들링, 코너링 성능을 그대로 적용시켰습니다. 이를 통해 한국타이어의 이미지를 젊고 혁신적인 방향으로 확대시키고 다양한 소비자들에게 즐거움을 선사할 예정입니다.

한국타이어의 주요 제품은 다음과 같습니다.

키너지 EV(Kinergy AS EV) 스마트시티 AU06
(Smart City AU06)

(1) 키너지 EV

키너지 EV(Kinergy AS EV)는 소음이 거의 없는 전기자동차에 적합한 타이어 제품입니다. 전기자동차의 강한 토크를 노면에 전달하는 접지력이 우수합니다. 레진과 식물성 오일 등 천연원료를 첨단공법으로 배합한 아쿠아 파인(Aqua Pine) 컴파운드는 젖은 노면에서도 뛰어난 퍼포먼스를 자랑합니다. 고강력의 스틸벨트 와이어(Steel Belt Wire)를 적용시켜 작은 부피에도 외부 충격을 흡수하여 타이어의 내구성 및 승차감을 향상시켰습니다. 또한 아라미드(Aramid) 보강 벨트를 추가로 적용시켜 높은 초기 출력과 가속에도 대응하여 타이어의 강성을 확보했습니다. 여기에 아라미드 하이브리드 코드(Aramid Hybrid Cord)를 통해 커브길에서 주행할 경우 원심력에 의한 타이어 직경의 증가 억제와 방향 전환 시 횡력에 의한 트레드 변형을 최소화하였습니다. 다양한 주행환경에서 부드러운 핸들링과 운동성능을 발휘합니다. 조종 안정성과 고속주행 성능을 향상시키고, 이상마모, 편마모 최소화 및 하중지지능력 향상에 기여합니다. 마지막으로 내연기관보다 무거운 전기자동차의 특성에 맞추어, 전기차 가속, 선회, 제동 등 어떠한 주행환경에서도 최적의 접지형상을 유지도록 설계되었습니다.

(2) 스마트시티 AU06

스마트시티 AU06(Smart City AU06)는 전기버스에 적합한 제품으로 전기버스에 특화된 패턴 디자인과 사이드 월 구조를 갖추고 있습니다. 그루브 변환 기술(Groove Transforming Technology)을 적용시켜 초기 3차원의 물결 면으로 트랙션을 강화시켰습니다. 또한 마모 후 스트레이트 그루브(Straight Groove)로 배수성 및 연비를 강화시켰습니다. 스마트시티 AU06의 구조는 벨트의 움직임을 최소화하여 발열량을 낮게 유지할 수 있습니다. 불규칙한 모양으로 마모되는 것과 타이어의 변형도를 최소화하기 위하여 카카스 구조가 적용되었습니다. 마지막으로 비드를 개선하여 트레드 재생성 향상을 위해 변형은 최소한으로 설계했습니다.

금호타이어

금호타이어(Kumho Tire)금호타이어(Kumho Tire)는 한국의 3대 타이어 제조업체입니다. 2018년 12월부터 국내 교체용 타이어 점유율 1위의 기록을 달성했고, 2019년에는 세계 16위의 타이어 기업으로 등극했습니다. 1960년에 삼양타이어(Samyang Tire)라는 이름으로 첫 제품을 생산했으며, 1978년에 금호타이어로 이름을 변경했습니다. 국내에는 광주공장, 곡성공장, 평택공장과 광양물류센터를, 해외에는 중국 남경 TBR 공장, 천진공장, 창춘공장과 베트남공장을 두고 있습니다. 또한 미국, 유럽, 영국, 캐나다, 일본, 오스트레일리아, 중국 등지에 8개 해외 현지법인을 두고 있습니다.

마제스티 9 솔루스 TA91
(Majestie 9 Solus TA91) 엑스타 PS91
(Extar PS91)

금호타이어의 주요 제품은 다음과 같습니다.

(1) 마제스티 9 솔루스 TA91

마제스티 9 솔루스 TA91(Majestie 9 Solus TA91)은 금호타이어의 컴포트 타이어 중 하나입니다. 트레드 패턴 슬라이드 챔퍼 기술을 통해 블록 내 전달되는 진동을 억제하여 진동소음을 최소화하고, 피크 소음 억제 및 소음 분산을 최적화하는 사운드 하모니 기술을 적용시켜 초저소음의 성능을 구현했습니다. 여기에 신소재 및 차세대 컴파운드를 적용했으며 저연비, 마모, 빗길 안정성 최적화를 위한 5세대 S-SBR 및 고함량 실리카 시스템을 적용하여 우수한 승차감까지 확보했습니다. 좌우 비대칭 설계 및 주행 방향의 블록 강성화를 통해 자동차가 고속으로 주행할 때 타이어의 제동력이 향상되어 안전성이 높다는 장점이 있습니다.

(2) 엑스타 PS91

엑스타 PS91(Extar PS91)은 금호타이어의 스포츠 타이어 중 하나입니다. 특별히 개발된 특수 컴파운드를 적용하여 고속주행 안정성 및 핸들링 성능에 최적화된 퍼포먼스를 확보해 슈퍼카에 적절한 제품입니다. 특히 그립(grip) 성능이 뛰어나 젖은 노면에서도 제동성능이 뛰어나 주행 안정감이 높습니다. 후륜 전용 규격에 총 접지면적 비율(NG%)을 확대하고 그루브 배열 최적화 패턴 설계로 제작되어 그립력과 블록 강성을 극대화했습니다. 이를 통해 300km/h 이상의 속도에서도 안정적인 주행성능을 발휘할 수 있습니다. 여기에 입체형 블록, PS91 전용 고강성 신규 벨트 패키지를 적용하였고, 방열 딤플 기술을 적용하여 뛰어난 열 발산 능력으로 고속주행에서도 내구성이 좋다는 장점이 있습니다. 따라서 스포츠뿐만 아니라 더운 여름날에도 사용하기 적합합니다.

넥센타이어

넥센타이어(Nexen Tire)넥센타이어(Nexen Tire)는 넥스트 센추리 타이어(Next Century Tire)의 약어로 ‘다음 세대를 위한 타이어’라는 뜻을 지니고 있습니다. 1942년에 흥아타이어(Heung-A Tire)를 전신으로 설립되었고, 1956년에 대한민국 전후 최초로 자동차용 타이어를 생산했습니다. 이후 1987년부터 프랑스 타이어 업체인 미쉐린과 제휴하여 합작회사인 미쉐린 코리아 타이어(Michelin Korea Tire)가 설립되었습니다. 넥센타이어는 한국 시장에서 3대 타이어 제조업체로 알려져 있지만, 과거에는 한국타이어와 금호타이어에 비교하여 인지도가 낮은 편에 속했습니다. 2010년 2월 한국 프로야구 넥센 히어로즈(Nexen Heroes)의 메인 스폰서로 넥센타이어의 인지도를 끌어올리는데 성공했습니다.

넥센타이어의 주요 제품은 다음과 같습니다.

(1) 엔페라 AU7

엔페라 AU7(N FERA AU7)승용차용 타이어인 엔페라 AU7(N FERA AU7)은 미국 산업디자인 협회(IDSA)가 주관하는 ‘2017 IDEA 디자인 어워드’에서 본상을 수상했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 설계된 프로파일 기술이 적용되어 타이어의 도로 접촉면을 동일하게 분포하고 그립력을 극대화하여 주행성능을 향상시켰습니다. 게다가 카카스 프로파일(OCCS)을 적용해 타이어 공기압의 균형을 일정하게 유지시켜 고속으로 주행 시 조종 안전성을 강화하였습니다. 기존 제품의 모델들과는 다르게 트레드 블록 사이에 돌기 장치를 새롭게 장착시켜 주행 시 발생하는 트레드의 변형을 최소화시켰습니다. 또한 트레드 강성과 배수 간격을 유지시키는 최첨단 기술로 어떠한 노면에서도 원활한 대응이 가능합니다. 여기에 듀얼 네트워크 하이브리드 시스템이 추가되어 속도 조절과 급브레이크 시 빠른 제동이 가능하게 만들었습니다. 이러한 특성 덕분에 눈길에서도 바퀴가 미끄러지는 위험성을 방지하는데 효율적입니다. 엔페라 AU7의 또 다른 특징은 공명음 저감기술이 적용되었다는 것입니다. 저소음 흡음재 적용 시스템을 통해 타이어의 내부에 패드를 부착하여 주행 시 발생하는 공기의 진동을 분산시켜 18%까지 소음 저감 능력을 보여줍니다. 타이어 내부는 특수물질인 실란트(sealant)가 도포되어 있어 표면에 구멍이 생겨도 공기의 누출을 막을 수 있습니다. 따라서 날카로운 이물질로 타이어를 관통하더라도 실란트가 관통 부위로 이동해 공기 누출을 막아주어 정상적으로 주행이 가능합니다.

(2) 엔페라 RU5

엔페라 RU5(N FERA RU5)엔페라 RU5(N FERA RU5)는 넥센타이어의 SUV용 타이어입니다. 고효율의 강성 배분으로 설계되었으며 패턴 디자인을 통해 진동을 최소화하여 안락한 승차감을 확보했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션과 폴리머, 보강재 결합 반응을 최적화한 신개념 가교 시스템을 함께 적용시켜 에너지와 트레드의 손실을 줄이고 균일한 마모를 가능하도록 제작되었습니다. 여기에 실리카를 적용한 컴파운드, 구름 저항 시뮬레이션을 통한 최적 트레드 패턴과 프로파일 설계로 회전 저항과 이산화탄소의 방출을 최소화하여 SUV의 연비 부담을 감소시켰습니다. 또한 최적의 패턴 블록 배열로 이러한 피치 설계를 통해 더욱 정숙하고 품격 높은 드라이빙을 실현시켰습니다.

미래형 타이어

에어리스 타이어(Airless Tire)오늘날 자동차에 사용되고 있는 타이어는 나이론 코드가 들어가 더욱 가볍고 단단한 내구성을 지니고 있습니다. 또한 실리카를 통해 접지력을 높이고 타이어 트레드(접지면)를 바깥쪽과 안쪽으로 나눠진 구조로 제작하여 더욱 뛰어난 성능의 타이어를 선보이고 있습니다. 단 하나의 단점이 있다면, 공기를 주입하여 사용하기 때문에 바퀴에 구멍이 뚫리거나 오래 사용했을 경우 공기가 빠져나가 새로운 타이어로 교체해 줘야 한다는 것입니다. 이를 방지하기 위해 현재 세계의 여러 타이어 기업들이 에어리스 타이어(Airless Tire)를 개발하고 있습니다. 에어리스 타이어는 공기를 넣지 않아 펑크의 위험성이 전혀 없는 미래형 타이어입니다. 이 타이어의 사용은 타이어의 마모가 심해 교체를 하더라도 트레드만 교체하면 되기 때문에 경제적으로 효율성이 좋습니다. 또한 타이어의 경량화로 연비가 높아진다는 장점이 있습니다. 점차 다양한 디자인과 뛰어난 성능으로 지금의 타이어가 ‘에어리스 타이어’로 대체되는 그날까지 타이어의 미래는 더욱 진화할 것입니다.