KR100694617B1 - 자동차용 샤시부품의 고장진단장치 - Google Patents

자동차용 샤시부품의 고장진단장치 Download PDF

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KR100694617B1 KR1020050128874A KR20050128874A KR100694617B1 KR 100694617 B1 KR100694617 B1 KR 100694617B1 KR 1020050128874 A KR1020050128874 A KR 1020050128874A KR 20050128874 A KR20050128874 A KR 20050128874A KR 100694617 B1 KR100694617 B1 KR 100694617B1
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Abstract

본 발명은 자동차용 샤시부품의 고장진단 장치에 관한 것으로;
그 기술구현의 목적은, 차량 주행 중 허브베어링의 외륜 또는 너클에서 측정한 가속도 신호를 이용, 샤시 부품의 고장유무를 진단하는 알고리즘을 통하여 진단하고, 그 진단결과 샤시 부품이 고장으로 판단될 경우, 이를 고장 표시장치로서 운전자에게 알리도록 하는 자동차용 샤시 부품의 고장진단 장치를 제공함에 있다.
이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 수단으로는;
허브베어링 외륜 또는 너클에서 각바퀴의 3축 진동 가속도 신호(71)와 휠속도 신호(72)를 입력받는 데이터 입력부와:
노이즈를 제거한 후 입력받기 위해 저역통과필터 및 신호증폭 등을 포함하는 신호처리부와(73);
입력된 신호를 활용하여 각 샤시 부품의 고장을 진단하는 알고지즘을 포함하는 데이터 계산부와(74);
상기, 고장진단부로부터 전달되는 고장신호를 점등신호장치 및 네비게이션 표시장치등을 통해 점등 및 그래픽컬하게 알려주는 고장표시장치(77)로 구성되게 하므로서 달성된다.
데이타 입력부, 신호처리부, 진단알고리즘 연산부, 고장램프표시부

Description

자동차용 샤시부품의 고장진단장치{Chassy Component for Car Error Checking}
도 1는 종래 차량용 현가장치의 개략 구조도
도 2은 종래 차량용 허브베어링의 유니트 개략 구조도
도 3는 종래 차량용 휠속도 센서의 개략 구조도
도 4는 종래 차량용 볼조인트의 개략 구성도
도 5는 토우정렬 불량에 다른 타이어 마모현상
도 6는 휠밸런스 불량에 다른 타이어 진동현상
도 7는 본 발명에 따른 샤시부품 고장진단 장치의 구성도
도 8는 본 발명에 따른 샤시부품 고장장단 알고리즘 흐름 구성도
도 9는 본 발명을 위한 허브베어링 정상과 고장신호 비교(시간축)
도 10는 본 발명을 위한 허브베어링 정상과 고장신호 비교(주파수축)
도 11는 본 발명을 위한 볼조인트 정상과 고장신호 비교(시간축)
도 12는 본 발명을 위한 볼조인트 정상과 고장신호 비교(주파수축)
도 13는 본 발명을 위한 토우정렬 정상과 고장신호 비교(시간축)
도 14는 본 발명을 위한 토우정렬 정상과 고장신호 비교(주파수축)
도 15는 본 발명을 위한 휠밸런스 정상과 고장신호 비교(시간축)
도 16는 본 발명을 위한 휠밸런스 정상과 고장신호 비교(주파수축)
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
71,72 : 데이타 입력부 73 : 신호처리부
74 : 진단알고리즘 연산부 77 : 고장램프표시부
본 발명은 자동차용 샤시부품 고장진단에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 샤시 부품(허브베어링, 볼조인트, 토우정렬, 휠밸런스) 고장시 발생되는 진동현상을 허브베어링 또는 너클에 설치된 가속도센서에 의해 실시간으로 측정하여, 그 측정된 신호로서 샤시부품의 고장상태를 운전자에게 전달토록 하는 자동차용 샤시부품 고장진단 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 샤시부품은 휠, 브레이크 디스크, 브레이크 패드, 허브베어링 유니트, 구동축, 조향너클, 스프링 및 쇽 업소바, 링크 및 조인트 그리고 프레임로 구성된다.
도 1은 종래의 차량의 샤시부품을 개략적으로 나타낸 투시도이다.
도 1을 참조하면, 그 외측에 타이어(1)가 결합되고, 차량주행에 따른 회전과 차의 상하, 전후방향의 하중과 선회할 때 발생되는 수평, 수직방향(Z축)의 하중을 지지하도록 된 허브베어링유니트(2)와, 허브베어링유니트(2)를 지지하는 역할을 수 행하도록 된 너클(3)과, 상기 너클(3)을 차체와 볼조인트(4)로 연결하여 주는 아래제어암(5)과 위제어암(6)이 있고, 그 외주에 코일 스프링(7)이 개재되어 차체의 완충작용을 수행하는 쇽 업소버(8)가 구비된다.
상기 부품중 허브베어링, 볼조인트, 타이어는 자동차의 샤시시스템을 구성하는 주요 구성부품으로서, 이는 차량의 승차감과 조정성등의 특성에 상당한 영향을 미치게 된다.
이에, 도 2은 종래 차량용 허브베어링의 유니트 구조를 나타낸 개략도로서, 상기, 도 2을 참조하여 살펴보면, 종래의 허브베어링 유니트는 허브(11)와, 허브 일측에 설치된 외륜 플랜지(12)와, 휠 속도를 감지하는 휠 속도 센서(13)를 구비한 다.
또한, 도 3는 종래의 차량에 적용되는 휠속도 센서의 개략구조도로서, 상기도 2를 참조하여 살펴보면, 종래의 차량용 휠 센서(21)는 기판(23) 상에 각각의 회로 요소(24)들을 구비하고, 그 일측에 휠 속도 센서(22)와 가속도 센서(25)를 구비한다.
차량운행중 허브베어링(2)이 피로한도를 초과하여 트랙(15)에 미세한 흠(16)이라도 발생하게 되면, 볼(14)이 트랙(15)을 지날 때 소음이 증가하고 연비가 저하되는 것은 물론, 심지어 그 상태가 심할 경우에는 허브베어링이 소착되어 자동차의 운행 자체를 불가능하게 한다.
볼조인트(4)는 차량 주행에 따라 점차 볼(21)의 유격(22)이 증가하게 되는데 일정 유격이상 커질 경우 소음과 진동이 발생하고 최악의 경우 분리되어 차체가 주 저앉는 위험한 상황이 발생할 수 있다.
도 5와 같이 타이어의 토우 정렬불량이 발생하면 차량이 쏠리거나 타이어가 편마모되는 현상이 발생한다. 타이어의 회전밸런스(휠밸런스)가 어긋나면 도 6와 같이 고속 주행중 핸들이 심하게 떨리는 현상이 발생되어 승차감이 떨어지게 된다. 타이어에 의한 상기 불량들은 진동 소음과 함께 현가 부품의 조기마모를 유발하게 된다.
한편, 베어링의 이상을 검출하기 위한 선출원기술(출원번호 :10-1988- 0006663) 로서, "베어링의 이상검출장치“개시된 바 있다.
하지만, 상기 선출원 기술인 "베어링의 이상검출장치"는 음향신호를 이용하여 임계수준을 초과 하였을때 그 임계값에 따라 베어링의 이상 유,무를 판단하는 방법으로서, 이에 이와같은 선원기술은 주행 중인 자동차와 같이 다양한 소음에 노출된 상황에서는 적용하기 매우 어려운 기술상의 폐단을 갖게 한다.
또 다르게, 베어링의 진단을 위한 해외기술로서 미국특허(US6,695,483)에 "센서와 센서를 구비한 롤링 베어링 장치(SENSOR AND ROLLING BEARING APPARATUS WITH SENSOR)" 가 선출원 개시된 바 있다.
그러나, 상기 미국특허 US6,695,483호에 따르면, 가속도 센서 및 온도센서를 내장하여 베어링의 파손 및 이상 여부를 확인하는 자가진단 기능이 포함되어 있는 것이기는 하나, 이는 단지 개념을 나타낸 정도에 불과할 뿐, 구체적인 이상 검출 알고리즘은 제시하지 못하고 있다.
허브베어링을 제외한 샤시 부품에 대하여 고장진단을 하고자 하는 기술은 아 직까지 세계적으로 제시되고 있지 않다.
따라서, 본 발명은 주행중 샤시 부품의 이상 유,무를 판단하여 운전자의 안전성을 향상시키고자 창안된 것으로;
본 발명의 목적은, 차량 주행 중 허브베어링의 외륜 또는 너클에서 측정한 가속도 신호를 이용, 샤시 부품의 고장유무를 진단하는 알고리즘을 통하여 진단하고, 그 진단결과 샤시 부품이 고장으로 판단될 경우, 이를 고장 표시장치로서 운전자에게 알리도록 하는 자동차용 샤시 부품의 고장진단 장치를 제공함에 있다.
이에, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 수단으로는;
허브베어링 외륜 또는 너클에서 각바퀴의 3축 진동 가속도 신호(71)와 휠속도 신호(72)를 입력받는 데이터 입력부와:
노이즈를 제거한 후 입력받기 위해 저역통과필터 및 신호증폭 등을 포함하는 신호처리부와(73);
입력된 신호를 활용하여 각 샤시 부품의 고장을 진단하는 알고지즘을 포함하는 데이터 계산부와(74);
상기, 고장진단부로부터 전달되는 고장신호를 점등신호장치 및 네비게이션 표시장치등을 통해 점등 및 그래픽컬하게 알려주는 고장표시장치(77)로 구성되게 하므로서 달성된다.
이하, 본 발명에 따른 자동차용 허브베어링 고장진단 장치의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명에 따른 자동차용 샤시 부품 고장진단 장치의 구성도이고, 도 8는 본 발명에 따른 자동차용 샤시 부품 진단 알고리즘을 나타낸다. 진단 알고리즘의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
각 바퀴에서 3축 가속도 신호와 휠속도 신호를 1초동안 1024개의 데이터를 수집한다.(811) 수집한 데이터 중 모든 가속도 신호에 대해 알엠에스(RMS: Root-Mean-Square)를 계산하고 1G 보다 작은지 확인한다.(812) 작지 않다면 다시 데이터를 수집하고 작다면 다음과정으로 넘어간다. 이과정은 노면이 비포장노와 같은 거치노면인지 판단하기 위한 과정이다. 다음단계는 차량속도에 대해서 구분한다. 차량의 속도가 80km/h 이상이면 허브베어링 진단과정으로 가고(813) 감속모드이면 볼조인트 진단 과정으로 가며(814), 100km/h 이상이면 토우정렬 진단과 휠밸러스 진단과정으로 들어간다.(815) 그 외의 속도에서는 다시 데이터 수집과정으로 돌아간다. 허브베어링과 볼조인트, 토우정렬 진단과정으로 들어온 신호는 100~400Hz로 구성되는 대역통과 필터를 사용하여 신호를 분리하고(816, 817, 818) 휠밸런스진단과정으로 들어온 신호는 11~17Hz로 구성되는 대역통과 필터를 사용하여 신호를 분리한다.(819) 분리된 신호는 각진단 과정에서 RMS를 계산하고 각바퀴중 최대값을 가지는 바퀴를 계산한다.(820~827) 허브베어링과 볼조인트, 토우정렬 진단과정에서 계산된 최대값은 허브베어링 진단 기준이 되는 3축방향 가속도값과 비교하여 세방향 모두 3배이상의 값을 가지면 허브베어링 진단과정으로 내려가고(828) 그렇지 않으면 볼조인트 진단과정과 토우정렬 진단과정으로 넘어간다. 종방향(X축) 신호는 볼조인트 진단고정으로 들어가서 가속도 신호가 기준 값에 비해 2배 이상 증가 되었으면 다음단계로 내려가고(829) 그렇지 않으면 데이터 수집단계로 올라간다. 횡방향(Y축) 신호는 토우정렬 진단과정으로 들어가서 가속도 신호가 기준값에 비해 1.2배 이상 증가되었으면 다음단계로 내려가고(830) 그렇지 않으면 데이터 수집단계로 올라간다. 휠밸런스 진단과정에서 계산된 최대바퀴의 종방향(X축) 신호를 기준값과 비교하여 2배 이상이면 다음단계로 내려가고(831) 그렇지 않으면 데이터 수집단계로 올라간다. 허브베어링 진단과정에서 기준값을 통과한 신호는 수직방향(Z축) 가속도에 대해서 좌우측 바퀴의 2배이상(832), 전후측 바퀴의 2배 이상(836)이고 이과정이 30회이상 연속 반복하면(840) 허브베어링의 고장으로 판단하고 고장램프를 점등하며(844) 그렇지 않으면 데이터수집 단계로 올라간다. 볼조인트 진단과정에서 기준값을 통과한 신호는 수직방향(Z축) 가속도에 대해서 좌우측 바퀴의 1.5배이상(833), 전후측 바퀴의 1.5배 이상이고(837) 이과정이 30회이상 연속 반복하면(841) 볼조인트의 고장으로 판단하고 고장램프를 점등하며(845) 그렇지 않으면 데이터수집 단계로 올라간다. 토우정렬 진단과정에서 기준값을 통과한 신호는 횡방향(Y축) 가속도에 대해서 좌우측 바퀴의 1.2배이상(834), 전후측 바퀴의 1.2배 이상이고(838) 이과정이 30회이상 연속 반복하면(842) 토우정렬의 고장으로 판단하고 고장램프를 점등하며(846) 그렇지 않으면 데이터수집 단계로 올라간다. 휠밸런스 진단과정에서 기준값을 통과한 신호는 종방향(X축) 가속도에 대해서 좌우측 바퀴의 2배이상이고(835), 전후측 바퀴의 2배 이상이고(839) 이과정이 30회이상 연속 반복하면(843) 휠밸런스의 고장으로 판단하고 고장램프를 점등하며(847) 그렇지 않으면 데이터수집 단계로 올라간다. 여기서 기준값의 설정은 차량의 초기 정상상태(1000km 이내주행) 값으로 결정한다. 좌우 전후 바퀴와 비교하고 30회 이상 반복하는 알고리즘은 좌우가 다른 노면을 주행하거나 노면에 이상 돌기가 몇 개 있는 경우를 배제하기 위해서 포함되었다.
도 9,10 은 본 발명을 위해 허브베어링이 정상(91,101)일때와 고장(92,102)일때의 신호를 실차 주행중에 측정하여 시간축과 주파수축에 대하여 비교한 그림이다. 고주파영역이 3배정도 차이 나는 것을 확인할 수 있다.
도 11,12 은 본 발명을 위해 볼조인트가 정상(111,121)일때와 고장(112,122)일때의 신호를 실차 주행중에 측정하여 시간축과 주파수축에 대하여 비교한 그림이다. 고주파영역이 2배정도 차이 나는 것을 확인할 수 있다.
도 13,14 은 본 발명을 위해 토우정렬이 정상(131,141)일때와 고장(132,142)일때의 신호를 실차 주행중에 측정하여 시간축과 주파수축에 대하여 비교한 그림이다. 고주파영역이 1.5배정도 차이 나는 것을 확인할 수 있다.
도 15,16 은 본 발명을 위해 휠밸런스이 정상(151,161)일때와 고장(152,162)일때의 신호를 실차 주행중에 측정하여 시간축과 주파수축에 대하여 비교한 그림이다. 저주파영역이 2배정도 차이 나는 것을 확인할 수 있다.
상기에서 기술한 허브베어링의 고장을 판단하는 속도와, 볼 조인트와, 토우정렬과, 휠 밸런스의 고장을 판단하는 주행속도는 각 부품의 고장신호가 속도에 따른 민감도가 다르게 나타나고 있고, 이현상을 이용하여 각각의 진단 부품 간의 간섭을 최소화 하기 위한 것이다.
이상, 본 발명에 따른 자동차용 샤시부품의 고장진단 장치는 차량 주행 중 허브베어링의 외륜에서 측정한 가속도 신호 및 휠 속도신호를 이용, 샤시부품의 고장유무를 용이하게 진단토록 하고, 그 진단결과 샤시부품이 고장으로 판단될 경우, 이를 진단 알고리즘으로서 운전자에게 손쉽게 알리도록 하여, 차량의 이상유무를 매우 편리하고, 안전하게 파악될수 있도록 한 것으로, 사용자에게 매우 유용한 기대효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (6)

  1. 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도를 측정하여 입력받는 데이타 입력부(811)와;
    상기 데이타 입력부에 받은 신호중 주행속도가 80km/h이상일 때(813) 밴드패스필터(816)에 의해 100 ~ 400Hz의 신호를 골라내고 알엠에스(RMS: Root-Mean- Square)로 계산(820)하여 최대크기를 갖는 바퀴를 계산하는 신호처리부와;
    상기 신호처리부를 통한 계산과정은 30회 이상 연속적으로 처리된 데이터를 반복(840)하여 수직방향(Z축)이 모두 기준 값(차량의 초기 정상 상태 값)의 3배(828), 좌우(832) 및 전후(836)바퀴값에 2배이상 차이가 발생했을때 허브베어링의 고장을 판단하는 고장진단부와;
    상기 고장진단부로 부터 전달되는 허브베어링의 고장신호를 점등신호로 알려주는 고장표시램프(844)로 구성되되,
    상기 데이타 입력부(811)는 1초 간격으로 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도 데이타를 수집하고, 상기 수집되는 3축 가속도신호와 휠속도 데이타의 개수는 1초당 1024개임을 특징으로 하는 자동차용 샤시부품 고장진단장치.
  2. 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도를 측정하여 입력받는 데이타 입력부(811)와;
    상기 데이타 입력부에 받은 신호중 주행속도가 감속일 때(814) 밴드패스필터(817)에 의해 100 ~ 400Hz의 신호를 골라내고 알엠에스(RMS: Root-Mean- Square)로 계산(821)하여 최대크기를 갖는 바퀴를 계산(825)하는 신호처리부와;
    상기 신호처리부를 통한 계산과정을 30회 이상 연속적으로 처리된 데이터를 반복(841)하여 종방향(X축)이 모두 기준 값(차량의 초기 정상 상태 값)의 2배(829), 좌우(833) 및 전후(837)바퀴값에 1.5배이상 차이가 발생했을때 볼조인트의 고장을 판단하는 고장진단부와;
    상기 고장진단부로 부터 전달되는 볼조인트의 고장신호를 점등신호로 알려주는 고장표시램프(845)로 구성되되,
    상기 데이타 입력부(811)는 1초 간격으로 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도 데이타를 수집하고, 상기 수집되는 3축 가속도신호와 휠속도 데이타의 개수는 1초당 1024개임을 특징으로 하는 자동차용 샤시부품 고장진단장치.
  3. 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도를 측정하여 입력받는 데이타 입력부(811)와;
    상기 데이타 입력부에 받은 신호중 주행속도가 100km/h이상일 때(815) 밴드패스필터(818)에 의해 100 ~ 400Hz의 신호를 골라내고 알엠에스(RMS: Root-Mean- Square)로 계산(822)하여 최대크기를 갖는 바퀴를 계산(826)하는 신호처리부와;
    상기 신호처리부를 통한 계산과정을 30회 이상 연속적으로 처리된 데이터를 반복(842)하여 횡방향(Y축)이 모두 기준 값(차량의 초기 정상 상태 값)의 1.2배(830), 좌우(834) 및 전후(838)바퀴값에 1.2배이상 차이가 발생했을때 토우정렬의 고장을 판단하는 고장진단부와;
    상기 고장진단부로 부터 전달되는 토우정렬의 고장신호를 점등신호로 알려주는 고장표시램프(846)로 구성되되,
    상기 데이타 입력부(811)는 1초 간격으로 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도 데이타를 수집하고, 상기 수집되는 3축 가속도신호와 휠속도 데이타의 개수는 1초당 1024개임을 특징으로 하는 자동차용 샤시부품 고장진단장치.
  4. 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도를 측정하여 입력받는 데이타 입력부(811)와;
    상기 데이타 입력부에 받은 신호중 주행속도가 100km/h이상일 때(815) 밴드패스필터(819)에 의해 11 ~ 17Hz의 신호를 골라내고 알엠에스(RMS: Root-Mean- Square)로 계산(823)하여 최대크기를 갖는 바퀴를 계산(827)하는 신호처리부와;
    상기 신호처리부를 통한 계산과정을 30회 이상 연속적으로 처리된 데이터를 반복(843)하여 종방향(X축)이 모두 기준 값(차량의 초기 정상 상태 값)의 2배(831), 좌우(835) 및 전후(839)바퀴값에 2배이상 차이가 발생했을때 휠밸런스의 고장을 판단하는 고장진단부와;
    상기 고장진단부로 부터 전달되는 휠밸런스의 고장신호를 점등신호로 알려주는 고장표시램프(847)로 구성되되,
    상기 데이타 입력부(811)는 1초 간격으로 각 바퀴에서 허브베어링 외륜 또는 너클에서 3축 가속도신호와 휠속도 데이타를 수집하고, 상기 수집되는 3축 가속도신호와 휠속도 데이타의 개수는 1초당 1024개임을 특징으로 하는 자동차용 샤시부품 고장진단장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    고장진단장치를 통합적으로 구성하여 허브베어링, 볼조인트, 토우정렬, 휠밸런스을 동시에 진단함을 특징으로 하는 샤시부품 고장진단 장치.
  6. 삭제
KR1020050128874A 2005-12-23 2005-12-23 자동차용 샤시부품의 고장진단장치 KR100694617B1 (ko)

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