시뮬레이션을 통해 타이어 엔지니어링의 지속 가능성을 실현할 수 있을까요? 타이어 분진이 미세 입자 오염의 주요 원인으로 지목되면서, 차세대 유럽 배기가스 배출 기준은 이를 규제 대상에 포함할 예정입니다. 또한 전기차(EV)의 높은 토크와 중량으로 인해 타이어 마모가 가속화되는 문제가 더욱 부각되고 있어, 타이어 제조업체들은 설계 단계부터 지속 가능성을 핵심 요구사항으로 고려해야 하는 상황입니다.
시뮬레이션은 이러한 과제를 해결할 수 있는 돌파구를 제시합니다. 선도 기업들은 시뮬레이션 기술을 활용해 마모, 연비, 그립력 사이의 최적의 균형점을 찾아내고 있습니다. 또한 자동 마모 모니터링과 서비스형 타이어(TaaS)를 지원하는 스마트 커넥티드 타이어를 개발하고, 모듈식 타이어 설계를 통해 증가하는 제품군의 복잡성을 효율적으로 관리하고 있습니다.
타이어와 대기오염 그리고 지속가능성
일반적으로 자동차 오염을 떠올리면 배기가스를 먼저 생각하게 됩니다. 하지만 간과해서는 안 될 중요한 오염원이 있습니다. 바로 타이어입니다.
임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London)의 연구 결과에 따르면, 자동차에서 발생하는 입자상 배출물의 절반 이상이 타이어에서 발생하며 매연, 먼지 같은 미세 입자들은 심각한 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다. 차량이 주행하는 동안 발생하는 타이어 마모로 인해 생성되는 고무 미세 입자들은 대기 중에 부유하거나 수로로 유입되어 미세플라스틱 오염의 원인이 됩니다.
특히 주목할 점은 전기차에서도 이러한 문제가 발생한다는 것입니다. 오히려 배터리의 무게와 높은 토크로 인해 타이어 마모가 더욱 가속화되는 경향이 있습니다. 이러한 문제의 심각성을 인식한 유럽연합은 차세대 배출 기준인 Euro 7에 타이어 배출물 규제를 포함할 예정입니다. 이에 따라 타이어 제조업체들은 그 어느 때보다도 지속가능성을 고려한 설계의 중요성에 직면해 있습니다.
매직 트라이앵글: 타이어 내마모성과 연비 개선
타이어 엔지니어들 사이에서는 ‘매직 트라이앵글’이라는 중요한 개념이 있습니다. 이는 마모, 회전 저항, 젖은 노면 그립력이라는 세 가지 핵심 성과 지표가 복잡하게 균형을 이루는 것을 의미합니다. 각각 내구성, 연비, 핸들링으로 이해할 수 있습니다. 이 세 가지 요소는 상호 밀접한 관계를 가지고 있어 한 부분의 성능을 개선하면 다른 부분의 성능이 저하되는 특징을 가지고 있습니다.
이러한 도전 과제를 해결하기 위해 엔지니어들은 매직 트라이앵글 내에서 최적의 균형점을 찾고자 합니다. 목표는 세 가지 요구사항을 모두 만족시키는 설계를 찾는 것이며, 더 나아가 트라이앵글의 경계를 확장하여 모든 영역에서 동시에 성능을 향상시키는 것입니다.
시뮬레이션 기술은 이러한 복잡한 설계 과정에 획기적인 해결책을 제시합니다. 엔지니어들은 실제 프로토타입 제작 전에 내구성, 연비, 핸들링은 물론 펑크 저항, 열 안정성, 수막현상, 공기 저항 등 다양한 성능 요소를 가상으로 분석할 수 있습니다. 특히 자동화된 실험 설계(DoE)와 최적화 기술을 활용하면, 더 많은 설계 대안을 탐색하고 각 요소 간의 최적 균형점을 체계적으로 찾아낼 수 있어 개발 시간과 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
모듈형 타이어
자동차 제조업체와 운전자들의 요구사항은 점점 더 세분화되고 있습니다. 특히 연비 개선과 주행 경험 최적화에 대한 기대가 높아지고 있으며, 전기차와 전기 파워트레인 모델의 증가로 인해 높은 중량과 토크에 대응할 수 있는 새로운 타이어 개발이 시급해졌습니다.
타이어의 전문화가 가속화되면서 제품 범위도 확장되어야 하는 상황입니다. 이는 엔지니어링팀에게 큰 도전 과제가 되고 있습니다. 제한된 시간 내에 더 많은 타이어 설계를 개발해야 할 뿐만 아니라, 지속 가능성 측면에서도 과도한 프로토타입 생산은 심각한 자원 낭비를 초래합니다. 또한 제조업체들은 증가하는 재고관리단위(SKU)의 효율적 관리라는 새로운 과제에도 직면해 있습니다.
모듈형 타이어는 이러한 과제를 해결할 수 있는 방법입니다. 매번 새로운 타이어를 처음부터 설계하는 대신, 엔지니어들은 다양한 요구사항에 맞춰 조합할 수 있는 공통 요소를 개발합니다. 3DEXPERIENCE 플랫폼의 MODSIM을 활용하면 이러한 모듈형 요소들을 개별적으로 설계한 후 완성된 타이어로 자동 구성할 수 있습니다.
시뮬레이션 기술은 이 모든 프로세스를 뒷받침합니다. 기초 구조 설계부터 최종 제품 분석에 이르기까지 전 단계에서 최적화가 이루어지며, 완성된 제품 내에서 각 구성 요소 간의 상호작용을 고려한 정밀한 최적화가 가능합니다.
커넥티드 타이어와 서비스형 타이어
타이어 관리는 항상 차량 운영의 핵심 요소였습니다. 운송, 물류, 대중교통, 렌터카, 택시 등의 산업에서는 차량이 연간 수만 또는 수십만 마일을 주행하며, 운영자는 수백 대의 차량을 관리해야 합니다. 타이어 결함은 배송 지연과 안전 문제를 초래할 수 있어, 차량 관리자에게 타이어 마모 관리는 최우선 과제입니다.
기존의 타이어 관리 방식은 정기적인 검사와 엄격한 교체 주기를 필요로 합니다. 하지만 이는 노동 집약적일 뿐만 아니라, 교체 시기 결정에 있어 까다로운 상충관계가 존재합니다. 타이어를 너무 늦게 교체하면 파열 위험이 있고, 너무 일찍 교체하면 불필요한 자원 낭비와 운행 중단이 발행하기 때문입니다.
타이어 관리는 특히 차량 공유와 물류 분야의 신규 사업자들에게 중요한데, 최적화된 차량 관리가 기존 업체들과의 경쟁에서 핵심 우위를 제공하기 때문입니다.
이에 제조업체들은 보다 효율적인 관리를 위해 스마트 커넥티드 타이어를 개발했습니다. 타이어 상태를 실시간으로 모니터링하는 센서와 데이터 전송 시스템이 탑재되어 있어, 제조업체는 단순한 제품 판매를 넘어 지속적인 구독 형태의 서비스형 타이어(TaaS) 모델을 제공할 수 있게 되었습니다.
다쏘시스템은 전자기 시뮬레이션을 통해 센서와 안테나 개발을 지원하며, 물, 눈, 진흙 등 극한 환경에서도 안정적인 작동을 보장합니다. MODSIM 기반의 다중 물리 시뮬레이션으로 전자기 분석을 구조 및 유체역학 분석과 통합적으로 수행할 수 있어 모든 엔지니어가 일관된 최신 데이터로 효율적인 협업이 가능합니다.
마무리
타이어 분진이 주요 대기오염원으로 부각되면서, 앞으로의 규제 기준은 자동차 제조업체들에게 타이어 분진 배출 데이터 제출을 의무화할 전망입니다. 여기에 전기차의 중량 증가와 높은 출력으로 인한 타이어 마모 가속화 문제까지 더해져, 제조업체들은 그 어느 때보다 내구성이 뛰어나고 환경친화적인 타이어 개발에 대한 압박을 받고 있습니다.
이러한 도전 과제에 대한 해답으로 시뮬레이션 기술이 주목받고 있습니다. 시뮬레이션을 통해 제조업체들은 강화되는 품질 기준을 충족하면서도 “매직 트라이앵글”로 대표되는 다양한 성능 요구사항 사이의 최적 균형점을 찾아낼 수 있습니다. 또한 모듈형 설계와 스마트 커넥티드 타이어와 같은 혁신적인 제품 개발도 가능해졌습니다. 특히 통합 환경(MODSIM)에서 모델링과 시뮬레이션을 결합함으로써, 제조업체들은 개발 프로세스를 획기적으로 단축하고 비용을 대폭 절감할 수 있게 되었습니다.
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출처: /brands/simulia/get-grip-sustainability-tire-engineering-simulation/