압력/저항/소재에 따라 달라지는 타이어의 친환경과 오염 문제

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1 압력/저항/소재에 따라 달라지는 타이어의 친환경과 오염 문제
압력/저항/소재에 따라 달라지는 타이어의 친환경과 오염 문제 교통환경문제연구포럼 김 경배 정책실장

2 타이어 공기압과 회전저항에 따른 경제성과 손실
타이어 공기압과 관련된 연비변화는 회전저항 실험을 통해 알아볼 수 있음. 회전저항이란 차량의 실차 연비와 직접적으로 상관성 있는 회전저항 성능을 공기압 수준별로 평가하는 것으로서, 타이어의 유효회전반경(DRR) 과 1km 주행거리에 해당하는 회전수 (RPK)를 보는 방법으로 공기압 수준별 분석과 더불어 개인별 연료비 증가 분석이 가능함. 이는 자동차 엔진에서 발생한 동력이 각부의 동력전달체계에 의해서 최종적으로 타이어에 전달되기 때문. 다시 말해 노면과의 마찰력에 의해서 주행하는 자동차에는 반드시 회전저항, 가속저항, 등판저항, 공기저항이라는 4가지 요인의 주행저항을 받게 되지만 이 4가지의 주행저항 중에서도 타이어와 가장 깊은 관련은 바로 회전저항에서 비롯된다는 것임. 이처럼 회전저항은 주행 시 타이어 자체는 물론이고 타이어와 노면사이에서의 에너지를 손실하는 주 원인이기 때문에 타이어 회전저항의 발생요인은 타이어 변형에 의한 내부 손실은 물론이고 타이어와 노면 간의 미끄러짐에 의한 마찰 저항과 노면을 변형시키는 저항, 그리고 공기저항 이라는 4가지로 다시 나뉘게 되지만 이 문제에서 90% 이상의 비중을 차지하는 것은 타이어 변형에 의한 내부 손실이라고 함.

3 1. 타이어의 회전저항 ○ 타이어 변형에 의한 내부 손실
- 타이어가 노면 위를 주행할 때는 “접지에 의한 변형은 접지에서 떨어질 때 복원”이 반복되는 데 있음. - 타이어 점탄성은 응력과 변형의 관계에서 히스테리시스(Hysteresis)가 존재하며 이는 곧 에너지 손실양을 나타냄.  ○ 타이어와 노면간의 미끄러짐에 의한 마찰저항 - 곡률을 가진 타이어가 평면 접지를 하기 때문에 평면으로 접지되는 순간부터 접지 끝까지의 사이에 노면과의 미끄러짐 현상을 일으키는데 이 때를 마찰저항이라고 함. 타이어의 노면접지 변형은 하중의 이동에 따라 최대 점에 도달한 후 차츰 감소하기 때문에 노면으로부터 멀어지는 순간 변형된 부분도 다시 원형으로 돌아감. - 이러한 연속적인 종 변형의 변화는 타이어에 작용하는 토크 이외에도 타이어와 노면간의 수평방향의 힘을 발생시킴. - 이것은 타이어가 회전방향과 단면방향에도 곡면을 가지고 있으므로 단단한 노면에 접지할 때 타이어의 접지 면이 평면이 되려는 힘이 발생되는데 이 힘이 노면과의 마찰력보다 커질 때는 미끄럼이 발생하기 때문임.  ○ 노면을 변형시키는 저항 - 이는 타이어의 접지압력에 의해 노면을 변형시키는 것에 의한 저항으로 포장도로 위를 주행할 경우에는 무관할 수 있음.  ○ 공기저항 - 공기 중을 주행 및 회전하는 것에 의해 발생하는 저항을 뜻함.

4 2. 회전저항에 대한 관계식 3. 회전저항과 실 차 연비와의 상관관계
RR = U×W RR: 회전저항 U : 회전저항계수 W: 하중 ○ 회전저항계수(U = 회전저항/하중)는 노면상태는 물론이고 공기압이나 주행속도, 타이어 종류,타이어 재료, 타이어 구조 등과도 관계 있음.       3. 회전저항과 실 차 연비와의 상관관계 회전저항 시험결과와 실차연비와의 상관성은 매우 높은 것으로(상관계수 R = 0.9이상)알려져 있음. 이는 타이어 회전저항이 10% 낮아지면 연비는 1∼2.5% 향상되는 것으로 조사됐기 때문임. 실제 타이어 업계의 데이터를 참조해 봐도 속도 60∼80km/h에서 나타나는 회전저항 16∼18% 차이는 실 차연비에서 4∼7%의 차이를 보이고 있기 때문에 속도가 100km/h 일 때 나타나는 12∼16%의 회전저항 차이는 실 차 연비에서도 약 2% 정도의 차이를 보인다고 하기 때문임. Automobile Wheels & Tires 자료에서도 속도 30km/h에서 수반되는 타이어 회전저항은 연비의 40%정도, 속도 150km/h 상황에서는 연료의 15%정도를 더 소모시킨다고 함.

5 <회전저항 시험기의 타이어/드럼 시스템 자유도>
T = Fx × ( RL + R ) T = FR × R FR = Fx × ( 1 + RL / R ) 시험조건은 아래와 같음. -드럼경 : 1.7m -노면(드럼표면) : Safety Walk 3M Medium Grit -시험속도 : 40, 60, 80, 100, 120km/h(증속법) -시험하중 : 최대하중의 80% -시험온도 : 24℃       <회전저항 시험기의 타이어/드럼 시스템 자유도>

6 <공기압 수준별 회전저항 시험 결과>
공기압에 따른 회전저항 40∼120km/h의 속도에서 실시한 공기압 수준별 회전저항 시험 결과 를 보면, 공기압이 감소 할수록 회전저항이 증가하는 성향이 뚜렷이 나타남. 이러한 경향성은 공기압이 감소할수록 타이어에서 발생하는 변형 량도 커지기 때문이며, 속도 별로는 저속 영역에서의 공기압 영향이 고속 영역에서보다 상대적으로 크게 나타난다는 것을 공기압 별에 따른 도표로 정리. <공기압 수준별 회전저항 시험 결과> 속도 [km/h] 회전저항[N] 18psi 21psi 24psi 27psi 30psi 40 65.6 58.3 52.0 46.8 42.7 60 65.7 58.8 52.9 48.1 44.2 80 65.2 58.7 53.1 48.5 44.9 100 65.1 53.3 48.9 45.4 120 67.2 60.7 55.2 50.7 47.1

7 <내 승용차의 년간 연료비(2002년 교통안전공단 조사 자료)>
승용차 연간 손실액 국내 승용차 타이어의 공기압 실태조사 결과를 근거로 해서 적정 공기압이 30psi 이하로 사용되는 타이어의 비율을 포함한 국내 차량 대수 및 차량 1대당 연간 연료비를 종합 분석한 결과, 승용차에서 공기압 부족현상 낭비되는 국가 전체의 연간 연료비 손실액은 약 1,260억원 이상인 것으로 조사됨. <내 승용차의 년간 연료비(2002년 교통안전공단 조사 자료)> 연료 등록대수 [대] ℓ당 주행거리 [km] 년간 주행거리 년간 연료비 [원] 휘발유 7,628,474 12.2 115,513,515,323 13,255,649,299,361 경 유 1,080,658 7.3 21,887,276,520 2,998,257,057,534 L P G 1,027,185 8.5 76,167,545,938 6,631,056,940,485 기 타 1,111 - 17,111,386 계 9,737,428 191,458,866,507 22,884,963,297,380 ☞ 승용차 1대당 년간 평균 연료비 : 2,350,000원

8 <국내 승용차의 공기압 부족으로 인해 낭비되는 년간 연료비>
차종 별 연간 손실액 <국내 승용차의 공기압 부족으로 인해 낭비되는 년간 연료비> 연료 등록대수 [대] ℓ당 주행거리 [km] 년간 주행거리 년간 연료비 [원] 휘발유 7,628,474 12.2 115,513,515,323 13,255,649,299,361 경 유 1,080,658 7.3 21,887,276,520 2,998,257,057,534 L P G 1,027,185 8.5 76,167,545,938 6,631,056,940,485 기 타 1,111 - 17,111,386

9 타이어 공기압 실태 조사(1) 조사 결과 – 조사 차량의 49%의 공기압이 부족
  조사 결과 – 조사 차량의 49%의 공기압이 부족 과부족은 적정 공기압 대비 20% 이상 부족 시

10 타이어 공기압 실태 조사(2) 적정 공기압에 대한 낮은 인지도 공기압 점검 주기 및 방법에 대한 무지
  적정 공기압에 대한 낮은 인지도 – 90%의 운전자가 공기압이 차량 안전에 중요한 요인이라고 응답 – 63%의 운전자가 본인 차량의 적정 공기압이 수준을 모름 공기압 점검 주기 및 방법에 대한 무지 – 70%의 운전자가 공기압 수준을 육안으로 확인 – 15%의 운전자 만이 월 1회 공기압 점검

11 <승용차용 타이어의 공기압 수준별 연료비 비교>
공기압 부족에 따른 연비 저하현상 개인이 승용차용 타이어를 구입하여 80,000km를 평균 80km/h 속도로 주행하는 경우를 가정하여 사용 공기압 수준별로 연료비를 비교해 봤음. 분석한 결과 공기압 30psi가 적정수준인 자동차가 18psi 공기압 상태로 주행하게 되면 약 160만원 이상의 연료비가 더 증가하는 것으로 나타났음. <승용차용 타이어의 공기압 수준별 연료비 비교> 공기압 [psi] 연비 저하율 [%] 연료비 [천원] 증가액 18 6.3 12,803 1,603 21 4.3 12,094 894 24 2.6 11,612 412 27 1.1 11,326 126 30 0.0 11,200

12 공기압부족에 의한 문제점(1) 공기압이 감소할수록 변형에 의한 타이어 내부 손실이 증가하고 있기 때문에 회전저항 또한 증가하는 경향성이 있고, 이로 인해 속도 별로는 저속 영역에서의 공기압 영향이 고속 영역에서 보다 상대적으로 크게 나타나고 있음. 공기압 수준별 회전저항 결과를 근거로 해서 80,000km 거리를 주행한 개인 운전자의 연료비를 산출해 본 결과 공기압이 30psi에서 18psi로 감소됐을 경우는 160만원 이상의 연료비 증가가 발생하는 것을 알 수 있음. 이런 공기압 수준별 회전저항 관계와 회전저항에 따른 실 차 연비의 상관 관계는 교통안전공단에서도 조사한 바 있음.

13 공기압부족에 의한 문제점(2) 국내 승용차 주행거리에 적용해서 분석한 결과 승용차 타이어 공기압이 10% 감소한 상태로 운행될 경우 연간 약 2,500억 원 상당의 연료비가 증가하기 때문에 이를 전체 차량으로 확대하면 연간 약 3,000억 원 이상의 연료비가 공기압 부족현상에 의해 증가되는 것으로 추정됨. 이런 승용차 타이어의 공기압 조사 결과를 근거로 볼 때 저압 상태의 타이어 공기압을 적정하게 조정만 해도 연간 절약할 수 있는 연료비는 약 1,200억 원 이상이 될 것으로 분석됨. 공기압은 증가할수록 타이어 외경 또한 커지기 때문에 DRR 및 RPK 값이 커지고 이로 인해 주행거리도 상승될 뿐 아니라 적정공기압은 안전운행과도 직결됨. 하지만 정해진 기준을 초과한 공기압 과다주입은 마모도 증가와 함께 안전주행에도 악 영향을 미치는 문제가 발생함.

14 타이어 적정공기압 비교 실태 조사 적정 공기압에 대한 낮은 인지도 VS VS ▶100% ▶ 70% 육안으로 식별 곤란
타이어 적정공기압 비교 실태 조사   적정 공기압에 대한 낮은 인지도 ▶100% ▶ 70% VS 육안으로 식별 곤란 VS ▶100% ▶ 40%

15 대 덕 대 학 실 태 조 사 연 구 배 경 공기압 저하 요인 75% (Allianz 연구)
  타이어 파손은 차량결함 교통사고의 주요 원인 – 고속도로 차량결함 사고 489건 중 62%에 해당하는 305건이 타이어 파손으로 발생함(경찰청 교통사고 통계/적정공기압유지 필요) 타 이 어 사 고 유 형 마 모 펑 크 Tread Separation   주요 사고 원인 – 제작결함, 외부충격 및 부적절한 공기압 공기압 저하 요인 75% (Allianz 연구)

16 타이어 안전도 평가(고속내구성 시험) 공기압 과부족 시 타이어 파손사고 위험도 증가
  공기압 과부족 시 타이어 파손사고 위험도 증가 – 고속 주행 시 Standing wave 현상에 의해 타이어 파손의 위험이 있음. 적정 공기압 공기압 70%

17 타이어 안전도 실 차 실험 평가   공기압 수준별 안정성 평가 – 급회전 적정 공기압(정상회전) 공기압 30%(타이어 휠 이탈)

18 타이어 안전도 실 차 시험 평가   공기압 수준별 안정성 평가 – 빗길 조향성능 적정 공기압(Pass) 공기압 30%(Fail)

19 타이어 안전도 실 차 실험 평가   공기압 수준별 안정성 평가 – 빗길 제동거리 적정 공기압(52m) 공기압 60%(58m)

20 타이어와 환경오염 지금까지는 자동차 연비와 안전운행에 직결되는 타이어 공기압에 대한 문제점을 들었지만
타이어를 사용 함으로서 파생되는 환경문제도 걱정해 볼 관건이라 생각됨. 물론 적정공기압 유지문제는 타이어와 관련된 환경오염 부분에 있어서도 타이어를 덜 닳게 하는 매우 중요한 과제인 것이 공기압 차이에 따라 연비효율은 물론이고 마모율 또한 차이가 있기 때문임. 타이어의 마모 분진은 대기와 지구환경문제 뿐 아니라 호흡을 통해 폐에 축적될 수도 있음에도 불구하고 현실적인 면에서는 아직까지 이에 대한 위해성 지적은 물론이고 정확히 연구된바 없어서 안타까울 따름임. 이런 문제는 타이어가 마모되면서 발생하는 분진 속에는 카본이나 아연 등이 함유된 고무 성분이 포함돼 있기 때문이지만 우리나라에서는 아직 위해성에 대한 문제제시는 물론이고 걱정조차 하지 않는 실정임. 하지만 오염물질에 의한 위험 요소는 타이어 제조과정에서 발생될 수 있는 여러 가지 오염물질을 배출하는 것에 비한다면 아주 미미한 편이라는 것이 관계자들의 입장이라 더 걱정이 됨. 때문에 일각에서는 타이어에 함유된 성분들이 인간에게는 직접적 영향을 미칠 정도는 아니라고는 하지만 환경전문가들은 토양오염이나 빗물 등에 의한 수질 오염이 발생할 수 있을 뿐 아니라 타이어 재료에 포함된 아연 성분이 수중으로 스며들 경우 다시 물고기에 축적되는 2차적인 위해 요인을 발생시킬 가능성이 있는 만큼 소재사용에 대한 검증과 규제가 필요하다고 판단됨.

21 타이어 안전도 실 차 실험 평가   공기압 수준별 안정성 평가 – 급회전 적정 공기압(정상회전) 공기압 30%(타이어 휠 이탈)

22 타이어와 관련된 위해 조사의 필요성 그럼에도 불구하고 세계적인 타이어 제조사에서는 이러한 오염이나 환경파괴 요인을 객관적으로
분석하고 있으며, 최종적으로는 타이어 제조 단계에서부터 인체는 물론이고 지구환경을 위협하는 물질을 사용하지 말자는데 뜻을 모으고 있는 것으로 알려지고 있음. 현재 환경 위해 요인 확인차원에서 글로벌 11개 타이어 제조회사가 “캠리스크”라는 미국 회사로 부터 컨설팅을 받으면서 연구를 진행하고 있는 것으로 알려져 있음. 연구과정에 대해서는 WBCSD(세계지속가능발전기업협의회)에서 감리를 하고 있을 뿐 아니라 중대연구라는 점을 들어, 제3자의 객관적인 리뷰를 차원에서 하버드, 동경대학 등에서도 연구의 객관성을 감시하고 있다고 함. 하지만 타이어 제조사들은 연구 결과에 따라 공동 대처할 예정으로 알려지고 있고 또 이런 분위기 이 때문인지 환경 오염규제가 까다롭다는 독일이나 룩셈부르크 등지에서도 타이어 관련 규제가 없는 상황임. 이런 현실을 단적으로 표현한다면 한 마디로 타이어 분진에 의한 연구는 물론이고 영향성 평가 조차 아직 초기단계에도 진입하지 못했다는 판단을 앞서게 함. 그러나 최종적으로는 타이어 제조 단계에서부터 인체는 물론이고 지구환경을 위협하는 물질은 사용하지 말자는데 뜻을 모으고 있는 것으로 알려지고 있어 위안이 됨.