노면 조건별 타이어 마모단계를 반영한 차량 제동거리 예측 모델 개발 = Development of a Vehicle Braking Distance Prediction Model Considering Tire Wear Stages Under Different Road Conditions

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis aims to quantitatively analyze the effects of tire wear stages and operating conditions on vehicle braking performance and to develop a braking distance prediction model under different road conditions. In particular, under wet road conditions, braking distance can increase significantly due to degradation in drainage performance and changes in tire–road friction characteristics as tire wear progresses. Howerver, conventional full-scale vehicle braking tests face limitations in systematically reflecting various tire states due to high costs and constraints in test condition settings. As a result, studies that quantitatively explain how variations in tire wear, load, and inflation pressure lead to increases in braking distance remain limited.

To address this issue, traction tests were conducted on passenger car tires to analyze changes in tire–road friction characteristics under wet road conditions according to tire wear stages and operating conditions. From the traction test results, friction coefficient–slip (μ–slip) curves were obtained, and variations in the peak friction coefficient (μpeak) were quantitatively evaluated with respect to tire wear stage, load, and inflation pressure. The results clearly showed that μ_peak decreased as tire wear progressed, while changes in load and inflation pressure led to noticeable variations in μpeak.

Based on the estimated μpeak values, a physics-based braking distance prediction model was developed for wet road conditions. By incorporating the traction-test-based μ_peak into the braking distance formulation, the influence of tire wear stage and operating conditions on braking distance was quantitatively analyzed. In addition, the same braking distance prediction formulation was applied to dry road conditions and validated through comparisons with full-scale vehicle braking test results, confirming that the proposed model can consistently reproduce braking distance trends regardless of road conditions.

Validation results demonstrated that the proposed model reliably captured the overall braking distance trends across different tire types and wear stages. Under wet road conditions, the model effectively reflected the increasing rate of braking distance as tire wear progressed. This thesis is meaningful in that it integrates traction tests and full-scale vehicle braking tests to systematically analyze the effects of tire wear stages and operating conditions on braking performance and extends these findings to a practical braking distance prediction model. The proposed approach is expected to serve as a useful basis for predicting braking distance variations under diverse tire state conditions using limited experimental data.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 타이어 마모 단계 및 운용 조건 변화가 차량 제동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 기반으로 노면 조건별 제동거리 예측 모델을 개발하는 것을 목적으로 한다. 특히 젖은 노면 조건에서는 타이어 마모에 따른 배수 성능 저하와 마찰 특성 변화로 인해 제동거리가 크게 증가할 수 있으므로, 마모 상태를 고려한 제동 성능 예측의 중요성이 크다. 그러나 기존의 실차 제동시험은 시험 비용과 조건 설정의 제약으로 인해 다양한 타이어 상태 변화를 체계적으로 반영하는 데 한계가 있으며, 마모·하중·공기압과 같은 운용 조건 변화가 제동거리 증가로 어떻게 연결되는지를 정량적으로 설명하는 연구는 제한적인 실정이다.

이를 위해 본 논문에서는 승용차용 타이어를 대상으로 트랙션 시험을 수행하여 젖은 노면 조건에서 타이어 마모 단계 및 운용 조건 변화에 따른 타이어와 노면 간 마찰 특성 변화를 분석하였다. 트랙션 시험을 통해 슬립률에 따른 마찰계수(μ–slip) 곡선을 도출하고, 마모 단계, 하중 및 공기압 조건에 따른 최대 마찰계수의 변화를 정량적으로 평가하였다. 분석 결과, 타이어 마모가 진행될수록 μpeak 값이 감소하는 경향이 명확히 나타났으며, 하중 및 공기압 변화에 따라 μpeak 값이 변동하는 경향이 확인되었다.


도출된 μpeak 값을 기반으로 본 논문에서는 젖은 노면 조건에 대한 물리 기반 제동거리 예측 모델을 구성하였다. 트랙션 시험을 통해 예측된 μpeak 값을 제동거리 예측 식에 적용함으로써, 타이어 마모 단계 및 운용 조건 변화가 제동거리에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 또한 동일한 제동거리 예측 식을 마른 노면 조건에 적용하여 실차 제동시험 결과와 비교·검증함으로써, 제안된 모델이 노면 조건에 관계없이 제동거리 변화 경향을 안정적으로 재현할 수 있음을 확인하였다.

검증 결과, 제안된 제동거리 예측 모델은 타이어 종류 및 마모 단계에 관계없이 실차 제동거리 경향을 전반적으로 잘 재현하였으며, 젖은 노면 조건에서는 마모가 진행될수록 제동거리 증가 폭이 크게 나타나는 특성을 효과적으로 반영하였다. 본 논문은 트랙션 시험과 실차 제동시험을 연계한 접근을 통해 타이어 마모 단계 및 운용 조건 변화가 제동 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 제동거리 예측 모델로 확장하였다는 점에서 의의를 가진다. 제안된 접근법은 제한된 시험 데이터만으로도 다양한 타이어 상태 조건에서의 제동거리 변화를 예측할 수 있는 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 2
• 1.3 관련 연구 동향 3
• 1.3.1 타이어 마찰 특성 및 제동 성능 예측 연구 3
• 1.3.2 타이어 마모 및 Wet Grip 성능 변화 연구 동향 4
• 제2장 트랙션 시험 및 μ-slip 분석
• 2.1. 시험 개요 5
• 2.2트랙션 시험 장비 및 시험 원리 6
• 2.3시험 조건 및 구성 7
• 2.4타이어 마모 단계별 μ-slip 곡선 특성 분석 8
• 2.4.1 일반 타이어 분석 결과 8
• 2.4.2 사계절 타이어 분석 결과 9
• 2.5타이어 마모 단계별 최대 마찰계수 특성 분석 10
• 2.5.1 일반 타이어 분석 결과 10
• 2.5.2 사계절 타이어 분석 결과 11
• 제3장 트랙션 시험 기반 최대 마찰계수 예측 모델 개발
• 3.1. 최대 마찰계수 예측 모델 개요 12
• 3.2. 최대 마찰계수 예측 모델 구성 13
• 3.3. 최대 마찰계수 예측 모델 회귀 결과 14
• 3.4. 변수별 회귀계수 및 영향 특성 분석 16
• 3.5. 민감도 분석 결과 18
• 3.6. 최대 마찰계수 예측 결과 및 검증 20
• 제4장 실차 제동시험을 통한 예측 모델 검증
• 4.1. 실차 제동시험 개요 21
• 4.1.1 시험 목적 21
• 4.1.2 시험 원리 21
• 4.2실차 제동시험 시나리오 조건 22
• 4.3마른 노면 실차 제동 시험 분석 23
• 4.4젖은 노면 실차 제동 시험 분석 25
• 4.4.1 일반 타이어 분석 결과 25
• 4.4.2 사계절 타이어 분석 결과 27
• 제5장 제동거리 예측 모델 개발 및 검증
• 5.1. 제동거리 예측 모델 개요 29
• 5.2. 에너지 보존 기반 제동거리 예측 모델 30
• 5.2.1 에너지 보존 기반 제동거리 모델 개요 30
• 5.2.2 전‧후륜 마찰계수 등가화 적용 31
• 5.2.3 공기저항 항의 적분 및 근사 적용 타당성 검증 34
• 5.2.4 제동거리 예측 모델 식 정리 36
• 5.3. 보정계수의 정의 및 산출 방법 37
• 5.3.1 보정계수를 고려한 제동거리 예측 식 37
• 5.3.2 보정계수의 산출 방법 38
• 5.3.3 보정계수의 회귀모델 구성 및 결과 39
• 5.4. 제동거리 예측 모델 검증 41
• 5.4.1 마른 노면 조건에서의 검증 결과 41
• 5.4.2 젖은 노면 조건에서의 검증 결과 42
• 제6장 결론 44
• 참고문헌 45
• Abstract 47