타이어 부하율

왜 배우는가: 타이어 부하율은 타이어식 건설기계가 축 단위로 하중을 얼마나 감당하는지 나타내는 지표이다. 설계와 검사 과정에서 타이어 선정과 중량 배분의 적정성을 판단하는 기준이 되므로, 시험에서 반복해 묻는 개념이다.

출제 이력: 제132회 1교시 1번, 제98회 1교시 2번, 제93회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

타이어 부하율은 타이어식 건설기계의 축에 걸리는 하중을 그 축 타이어의 하중능력 합계로 나눈 백분율이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 핵심 키워드를 설명한다. 정의를 이루는 키워드는 다음과 같다.

• 타이어 부하율: 축하중이 타이어 허용 하중에 대해 차지하는 비율이며 백분율로 표시한다.
• 축하중: 한 차축에 걸리는 하중이며 건설기계의 중량 배분에 따라 앞축과 뒤축이 서로 다르다.
• 하중능력: 타이어 1본이 견딜 수 있는 최대 하중으로 타이어 규격에 표기된 값을 따른다.
• 타이어식 건설기계: 바퀴가 지면을 지지하는 건설기계로 무한궤도식 건설기계와 구분된다.
• 축의 종류: 조향을 맡는 앞축과 구동을 맡는 뒤축처럼 역할에 따라 나뉜다.
• 운전중량: 연료와 운전자 등을 포함한 운전 상태의 중량이다.
• 건설기계 안전기준: 건설기계의 구조와 장치에 대한 안전 기준을 정한 규칙이다.

이 키워드들은 모두 축하중과 하중능력의 비교로 이어진다. 축하중은 걸리는 쪽, 하중능력은 허용하는 쪽이라고 구분해 기억해야 식의 분자와 분모를 뒤바꾸지 않는다. 정의에서 핵심은 축이라는 단위이다. 차량 전체의 총하중이 아니라 한 차축 단위로 비교하는 점을 답안에 분명히 써야 한다.

2. 개념 풀이

타이어 부하율은 타이어식 건설기계의 한 축에 실제로 걸리는 하중이, 그 축에 달린 타이어들의 하중능력 합계에 대해 차지하는 비율이다. 바퀴 하나의 강도가 아니라 축 단위의 여유를 보는 지표이므로, 같은 차축의 좌우 타이어를 한 묶음으로 계산한다.

타이어는 허용 하중을 넘어 눌리면 발열이 커지고 내부 구조가 손상되어 파손으로 이어진다. 그래서 축하중을 타이어 능력 합계와 비교해 비율로 나타내면 어느 축이 한계에 가까운지 한눈에 판단할 수 있다. 부하율이 상한을 넘으면 과부하 상태이므로 설계 단계에서 중량 배분이나 타이어 규격을 바꿔야 한다.

식으로 쓰면 다음과 같다.

$\\text{부하율}(\\%) = \\frac{\\text{축하중}}{\\text{타이어 1본 하중능력} \\times \\text{타이어 수}} \\times 100$

핵심 식은 축하중 ÷ 하중능력 합계 × 100이다. 기호의 뜻은 다음과 같다. 축하중은 해당 축이 지지하는 하중(ton)이고, 타이어 1본 하중능력은 타이어 1본의 최대 허용 하중(ton)이며, 타이어 수는 해당 축에 달린 타이어의 개수이다. 단위가 상쇄되므로 결과는 백분율이다.

축하중은 건설기계의 무게중심 위치와 작업장치의 위치에 따라 앞축과 뒤축에 나뉘어 걸린다. 같은 중량이라도 작업장치를 앞으로 뻗으면 앞축 하중이 커지므로, 부하율은 작업 자세에 따라 달라질 수 있다.

하중능력은 고정된 값이 아니라 타이어의 공기압과 주행 속도에 따라 달라진다. 공기압이 규정값보다 낮으면 같은 하중에서도 타이어가 더 많이 변형되어 허용 하중이 줄어들므로, 부하율 계산은 규정 공기압을 전제로 한다. 작업 중에는 가감속과 요철 통과로 동적 하중이 더해지므로, 정적 계산값에 여유를 두고 판단한다.

축이 여러 개인 건설기계는 축마다 따로 계산한다. 앞축은 조향 기능을 맡고 뒤축은 구동 기능을 맡는 경우가 많아 두 축의 하중 분담이 다르다. 그래서 축 종류별 상한치를 따로 두며, 같은 차량이라도 어느 축의 부하율이 먼저 한계에 닿는지 축마다 확인해야 한다.

핵심 용어는 다음 세 가지로 정리한다.

• 하중능력 합계: 한 축에 달린 타이어 전체의 허용 하중을 더한 값이다. 축 단위 비교에 쓰는 분모이다.
• 축 상한치: 축 종류별로 허용되는 부하율의 최댓값이다. 기준에서 정한 값이며 축마다 다를 수 있다.
• 과부하: 축하중이 하중능력 합계를 넘거나 축 상한치를 초과한 상태이다. 설계와 운용에서 피해야 할 상태이다.

3. 등장 배경과 필요성

타이어식 건설기계는 무한궤도식과 달리 바퀴가 지면을 지지하므로, 타이어 하나하나의 능력이 차량 전체의 허용 하중을 좌우한다. 건설기계는 작업장치와 적재물 때문에 중량이 커지기 쉬우며, 이 중량이 축에 배분된 뒤 타이어 수로 나누면 1본당 부담이 허용치를 넘기 쉽다.