KR100874631B1

KR100874631B1 - 타이어 시험 스테이션용 동적 힘 측정 시스템

Info

Publication number: KR100874631B1
Application number: KR1020027016769A
Authority: KR
Inventors: 제랄드 알. 폿츠; 에릭 에프. 누쓰
Original assignee: 브릿지스톤/화이어스톤 노쓰 아메리칸 타이어, 엘엘씨
Priority date: 2000-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2008-12-17
Also published as: KR20030040218A; EP1287324A1; JP5099954B2; EP1287324B1; US20020020214A1; US6655202B2; WO2002004906A1; DE60141396D1; JP2004516452A; AU2001271294A1; ATE458989T1

Abstract

시험 스테이션 성분의 힘과 모멘트가 전체 측정된 힘으로부터 독립적으로 계산되도록 하는 복수의 가속도계를 시험 스테이션에 구비함으로써, 시험기계의 힘 기여가 개별적으로 측정되고 타이어 힘의 전체 측정에서 고려되는 타이어 힘 측정 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

타이어 시험 스테이션용 동적 힘 측정 시스템{DYNAMIC FORCE MEASUREMENT SYSTEM FOR TIRE TESTING STATION}

본 발명은 공기 타이어에 있어서 힘을 측정하는데 사용되는 시스템에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 본 발명은 하중이 실린 타이어(loaded tire)가 도로면 위를 구르고 있을 때 타이어 힘(tire force) 발생과 타이어 힘 전달을 측정하기 위한 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 시험기계의 힘 기여(force contribution)가 개별적으로 측정되어 결과적인 힘 측정치에 부가되는, 타이어 힘을 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

타이어 제조업자는 특정 적용을 위한 바람직한 타이어 구성을 결정하기 위해서 상이한 타이어 구성에 의해 발생되고 전달되는 힘을 비교하기를 원한다. 타이어 힘은 하중이 실린 타이어가 도로면 위를 구를 때 발생한다. 도로면 위로 타이어가 구르면 타이어 소음을 일으키는 진동력(vibration force)을 발생시킨다. 타이어 소음을 최소화거나 제어하는 것은 타이어 설계 목적 중의 하나이다. 힘을 시험하는 것은 타이어 설계자에게 대안적인 타이어 구성을 비교하는 방법을 제공한다.

그동안 타이어 힘은 로터(rotor)에 장착될 림(rim)에 타이어를 장착하여 측정되어 왔다. 로터는 로드 셀(load cell) 또는 힘 측정장치 연결되는 베어링 하우징(bearing housing)에 회전가능하게 장착된다. 로드 셀 또는 힘 측정장치는 기준 축에 대한 세 가지 축력(axial force)과 모멘트(moment)를 측정하도록 구성된다. 로드 셀의 한 유형은 당해 기술분야에서 키슬러(Kistler) 로드 셀로서 알려지고 스위스 키슬러로부터 이용가능하다. 타이어는 타이어와 로터를 회전시키는 회전 모의 도로면과 접촉하게 된다. 로드 셀은 힘을 측정하고 측정치를 컴퓨터 같은, 로드 셀 힘을 기록하는 기록장치로 전달한다. 판독은 여러 다양한 방식으로 조사자가 사용하기 위해 표시될 수 있다. 데이터를 표시하는 한 방법은 데이터에 퓨리에 변환을 수행하여 주파수 영역으로 표시하는 것이다.

과거의 시스템에서, 로터, 베어링 하우징 및 힘 측정장치에 의해 겪게 되는 관성력이 타이어 힘과 관련하여 로드 셀에 의해 측정된다. 관성력은 낮은 주파수에서 힘 측정치에 영향을 주지 않는데, 관성력은 일반적으로 보다 높은 주파수 힘이기 때문이다. 높은 주파수에서, 기계 힘은 타이어 힘과 결합하여 무용한 결과를 가져온다. 예컨대, 당업자는 타이어 공동(cavity) 및 본체 코드(body cord)에 의해 유발되는 공명(resonance) 같은, 측정가능한 공명을 타이어가 가짐을 알고 있다. 다른 공지된 공명은 타이어가 장착되는 휠(wheel)에서 일어난다. 이러한 공명이 존재하는 것으로 알려짐에도, 현존 타이어 힘 측정 시스템은 이러한 공명을 정확하게 밝히지 못하는데, 시험기계의 힘이 이러한 공명을 가리기 때문이다. 타이어를 시험하는 자는 타이어 힘을 측정할 때 기계 힘을 고려하는 시스템을 희망한다.

힘 계산에 외에, 사용자는 선행기술 시스템처럼 사용하기 쉬운 시스템을 원한다. 많은 타이어 구성이 측정되고 비교되어야 할 경우, 각 타이어는 시험기계 상으로 장착되어 시험되어야 한다. 일반적으로, 시험 타이어는 휠을 로터에 유지시키기 위해 표준 러그 너트(lug nut)를 사용하여 시험기계 상으로 장착된다. 타이어 장착 및 시험 과정은 5분이 걸리지 않는다. 개선된 시스템은 시험을 수행하는 자에 의해 쉽게 수용되도록 종전 시스템처럼 사용하는데 빠르고 쉬워야 한다.

발명의 개요

본 발명은 타이어 힘을 측정하기 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것으로서, 시험기계의 힘 기여가 타이어 힘의 전체 측정에 있어서 개별적으로 측정되고 고려된다. 본 발명은 시험 스테이션의 구성요소의 힘과 모멘트가 전체 측정된 힘으로부터 독립적으로 계산될 수 있게 하는 복수의 가속도계를 시험 스테이션에 장비함으로써 기계 힘을 고려한다.

본 발명의 시스템은 공지의 시험 스테이션만큼 빠르게 시험될 수 있도록 휠을 시험 스테이션에 빠르게 장착할 수 있게 한다. 발명의 일 실시예에서, 베어링 하우징과 로터 사이에 슬립 링(slip ring)이 배치되어, 로터 가속도계로부터의 데이터가 시험 스테이션의 데이터 수집장치(gathering device)에 의해 수집될 수 있다. 슬립 링은 가속도계를 데이터 수집장치로부터 분리하지 않고서 타이어-휠 조립체가 로터에 장착 및 탈착될 수 있게 한다.

도 1은 본 발명에 따라 타이어 힘을 측정하기 위한 시스템의 정면도이다.

도 2는 도 1 시스템의 측면도이다.

도 3은 도 2와 유사한 도면으로서, 로터와 베어링 하우징이 단면으로 도시된다.

도 4는 본 발명의 결과와 비교되는 종래 시스템의 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5는 힘 방정식이 어떻게 전개되는지를 나타내는 시스템의 모델이다.

도 6은 모멘트 방정식이 어떻게 전개되는지를 나타내는 시스템의 모델이다.

유사한 참조번호들은 명세서에 걸쳐서 유사한 부분을 언급한다.

본 발명의 개념에 따른 시험 스테이션은 첨부도면에서 일반적으로 참조번호 10으로 표시된다. 시험 스테이션(10)은 도 1에 도시된 회전 휠(rotating wheel) 같은, 움직이는 도로면 시뮬레이터(simulator)(12)와 함께 사용된다. 시뮬레이터(12)의 외면(exterior surface)(14)은 통상적인 주행면(driving surface)의 거칠기와 마찰 특성을 모의실험한다. 예컨대, 상기 외면(14)은 거친 도로면을 모의실험하도록 구성될 수 있다. 시뮬레이터(12)의 작은 부분(18)만이 플로어(floor)(16)에 의해 한정되는 개구(20)를 통해 노출되도록, 대부분의 시뮬레이터(12)는 플로어(16) 아래 배치될 수 있다. 시험 스테이션(10)에서 시험되는 타이어(12)는 상기 부분(18)과 접촉한다. 시뮬레이터(12)의 회전은 타이어(2)를 회전시켜서, 움직이는 차량 타이어를 모의실험한다.

시험 스테이션(10)은 시험 스테이션(10)의 작동상태 및 시험 스테이션(10)에 의해 발생되고 전달되는 힘을 기록하도록 구성된 컴퓨터(24)를 포함한다. 컴퓨터(24)는 본 발명의 계산을 수행하는 명령을 저장하고 실행하는데 필요한 메모리와 처리장치를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 컴퓨터(24)는 개인용 컴퓨터일 수도 있다. 시험 스테이션(10)은 플로어(16)에 장착되어 시험 스테이션(10)의 다른 요소를 지지하는 기부(base)(30)를 더 포함한다. 힘 측정장치 또는 로드 셀(32)이 기부(30)에 의해 지지된다. 기부(30)는 차량의 중량을 모의실험하는 하중을 타이어(22) 상에 부과하기 위해 시뮬레이터(12)에 대하여 힘 측정장치(32) 및 타이어(22)를 이동시키도록 적용되는 조정장치를 포함한다. 힘 측정 장치(32)는 X축, Y축 및 Z축을 따라서 힘을 측정하고 이러한 축에 대한 모멘트를 측정하도록 적용된다. 한 유형의 힘 측정장치(32)가 당해 기술분야에서 키슬러 로드 셀로 알려져 있다.

베어링 하우징(34)은 힘 측정장치(32)에 의해 지탱된다. 베어링 하우징(34)은 베어링(38) 상에서 로터(36)를 회전가능하게 지지한다. 베어링 하우징(34)과 로터(36)의 구조와 작동은 당업자에게 공지되어 있다. 타이어(22)는 도면에 도시된 러그 볼트(lug bolt)(42) 같은 통상적인 커넥터(connector)에 의해 로터(36)에 연결될 수 있는 림(40)에 장착된다.

과거에는, 타이어(22)가 시뮬레이터(12)에 의해 회전되고, 힘 측정장치(32)는 힘과 모멘트를 시간에 따라 기록하였다. 이 시험의 통상적인 결과가 도 4의 선(44)으로 도시된다. 이 그래프의 수직축은 측정된 힘의 크기를 나타내고 그래프의 수평축은 주파수를 나타낸다. 선(44)은 힘 측정장치(32), 베어링 하우징(34) 및 로터(36)에 의한 측정된 모든 힘을 포함한다. 이러한 진동력은 보다 높은 주파수에서 일반적으로 발생하고, 여러 타이어 구성을 비교하기 위해 측정될 필요가 있는 타이어(22)의 보다 높은 주파수 공명을 차폐할 것이다.

본 발명의 시스템에 있어서, 시험 스테이션(10)은 힘 측정장치(32), 베어링 하우징(34) 및 로터(36)의 힘을 측정하고 힘 계산 동안 이러한 힘을 고려하도록 구성된다. 따라서 이 시스템은 시험 진행 동안 타이어(22)에 의해 생성되고 전달되는 힘만을 산출한다. 이러한 힘은 과거에 진동력에 의해 가려졌던, 타이어(22)에서 발생하는 것으로 알려진 고 주파수 공명을 포함한다.

시험 스테이션(10)은 힘 측정장치(32), 베어링 하우징(34) 및 로터(36)의 운동에 의해 발생하고 전송되는 관성력을 측정하기 위한 힘 측정 시스템 설계를 포함한다. 도면에 도시된 본 발명의 실시예에 있어서, 4개의 가속도계(50_K,B,R)가 힘 측정장치(32), 베어링 하우징(34) 및 로터(36) 각각에 연결되어, 각 요소 둘레에 배치된 4개의 지점의 가속도를 측정한다. 이러한 측정은 요소의 중력중심에서 힘과 모멘트를 계산하기 위해 요소의 질량과 결합된다. 이러한 힘과 모멘트는 시험 과정 동안 시험 스테이션 힘이 고려되도록 전체 측정된 힘과 모멘트와 결합된다. 도 4는 본 발명의 방법에 의해 측정된 타이어(22)의 힘을 나타내는 선(52)을 도시한다. 수직축은 로그눈금이고, 선(44)의 일부 지점에서 선(52)과 10의 계수만큼 차이가 남을 주목해야 한다. 도 4에서, 측정된 타이어는 200 내지 300㎐ 사이에서 공지의 음향 공동 공명(acoustic cavity resonance)을 나타냈다. 이러한 공명은 시험 스테이션(10)에 의해 측정되고 도면부호 54로 식별된다.

각 구성요소의 힘과 모멘트는 각 구성요소의 중력중심의 가속도를 측정함으로써 계산된다. 가속도는 중력중심에서 힘 성분을 계산하기 위해 각 구성요소의 질량과 곱해진다. 이후, 힘 성분은 각 구성요소의 모멘트를 계산하는데 사용된다. 중력중심의 가속도는 가속도계를 각 구성요소의 중력중심에 대해 알려진 위치에서 각 구성요소에 장착함으로써 측정된다.

본 발명의 일 실시예에 있어, 가속도계(50)는 시험 스테이션(10)의 각 요소 둘레로 동일하게 간격진 위치에 배치된다. 가속도계(50)는 90도 만큼 서로 이격되게 배치될 수 있고, 도 5에 나타난 모델에 도시된 바와 같이 시험 스테이션(10)의 X축과 Z축 상에 위치된다. 가속도계(50_K1,K2,K3,K4)는 힘 측정장치(32)의 외면에 배치될 수 있다. 각 가속도계(50_K)는 적절한 커넥터에 통해 컴퓨터(24)와 통신한다. 가속도계(50_B1,B2,B3,B4)는 베어링 하우징(34)의 외면에 배치될 수 있고 적절한 커넥터에 의해 컴퓨터(24)와 통신한다. 가속도계(50_R1,R2,R3,R4)은 로터(36)의 내면에 배치될 수 있고 적절한 커넥터에 의해 컴퓨터(24)와 통신할 수 있다. 시험 스테이션의 중력중심에 대한 각 가속도계(50)의 위치는, 가속도계에 의해 기록된 가속도 성분이 중력중심에서 힘 성분을 계산하는데 사용될 수 있도록 정해진다.

컴퓨터(24)와 가속도계(50_R) 사이의 연결이 엉키지 않고 가속도계(50_R)가 로터(36)와 함께 회전할 수 있도록, 로터(36)와 베어링 하우징(34) 사이에 슬립 링(60)이 위치할 수 있다. 슬립 링(60)은 미시건의 Charlevoix Michigan Scientific이 제공하는 슬립 링일 수 있다. 슬립 링(60)은, 본 발명의 시험 절차가 선행기술의 시험 절차보다 많은 시간을 요하지 않도록 타이어(22)가 로터(36) 상에 빠르게 장착되고 로터(36)로부터 탈착될 수 있게 한다.

중력중심(54_K,B,R)에서 가속도 성분이 모든 가속도계(50_K,B,R)에서 가속도 성분을 합산함으로써 계산될 수 있도록, 각 가속도계(50)는 중력중심(54_K,B,R)으로부터의 알려진 벡터(52_K,B,R)와 관련하여 위치된다. 본 발명의 일 실시예에서, 가속도계(50_K,B,R)는 시험 절차 동안 6250㎐에서 샘플링된다. 가속도 성분(A_x,y,z)은 구성요소의 질량으로 곱해져서, 중력중심(54_K,B,R)에 작용하는 힘 성분(F_x,y,z)을 산출한다. 이러한 힘 측정치는 시간영역 데이터에 퓨리에 변환을 수행함으로써 주파수영역으로 변환된다.

이러한 힘 측정치는 시험 스테이션 성분에 의해 생성되는 모멘트를 측정하는데 또한 사용된다. 발명의 일 실시예에 있어, "y" 모멘트 성분은 무시해도 좋은 것으로 고려되고, 최종 계산에서 고려되지 않는다. "y" 방향으로 모멘트는 무시해도 좋은 것으로 인지된, 베어링에 의해 생성되는 모멘트만을 산출할 것이다. 전체 모멘트 측정치는 다음의 합계를 포함한다: (1) 힘 측정장치(32)에 관한 모멘트; (2) 힘 측정장치(32)에서 힘을 산출하는 모멘트와 모멘트 합계 지점까지 거리의 외적(cross product); (3) 각 가속도(angular acceleration)로 인한 관성 모멘트; 및 (4) 지지기계 질량의 병진 가속도(translational acceleration)로 인한 관성 모멘트. 회전 모멘트(gyroscopic moment) 항은 무시해도 좋으므로 고려되지 않는다. 이러한 모멘트의 합은 함께 더해지고, 힘 측정장치(32)에 의해 측정된 모멘트 대신 사용된다.

시험 스테이션 구성요소의 측정된 힘과 모멘트는 타이어의 힘과 모멘트를 산출하기 위해서 전체 힘 측정치에 더해진다. 스테이션 힘의 위상(phase) 또는 부호(sign) 때문에, 시험 스테이션 구성요소의 힘을 더하는 것은 타이어 힘을 산출한다. 이러한 힘의 위상 또는 부호는 이러한 힘이 전체 측정치로부터 제거되게 하여 원하는 시험 결과를 산출한다.

전술한 설명에서, 간결성, 명확성 및 이해를 위해 특정 용어가 사용되었다. 그러한 용어는 설명적인 목적을 위해 사용되고 광범위하게 해석되도록 의도되기 때문에, 그러한 용어에 어떤 불필요한 제한이 수반되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 상세한 설명과 실례는 예시적인 것이고, 본 발명은 설명되고 예시되는 상세사항에 제한되지 않는다.

Claims

기부;

기록장치;

상기 기부에 연결되며, 제1세트의 타이어 힘을 측정하도록 적용된 힘 측정장치;

상기 힘 측정장치에 연결된 베어링 하우징;

상기 베어링 하우징에 회전가능하게 장착되며, 휠 및 타이어 조립체를 지지하도록 적용된 로터;

상기 로터에 장착되며, 상기 기록장치와 소통하는 하나 이상의 가속도계;

상기 로터 및 상기 베어링 하우징에 연결되며, 상기 가속도계와 상기 기록장치 사이에 소통부를 제공하는 슬립 링;

상기 로터에 장착된 상기 가속도계로부터 얻어진 데이터로부터 로터 힘을 계산하기 위한 계산수단; 및

상기 로터 힘을 상기 제1세트의 타이어 힘에 가산하기 위한 가산수단;

을 포함하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제1항에 있어서, 4개의 가속도계가 상기 로터에 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제2항에 있어서, 상기 4개의 가속도계는 각각 서로에 대하여 90°만큼 이격되게 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제1항에 있어서, 상기 베어링 하우징에 장착되는 하나 이상의 가속도계를 더 포함하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제4항에 있어서, 4개의 가속도계가 상기 베어링 하우징에 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제5항에 있어서, 상기 4개의 가속도계는 각각 서로에 대하여 90°만큼 이격되게 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제1항에 있어서, 상기 힘 측정장치에 장착되는 하나 이상의 가속도계를 더 포함하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제7항에 있어서, 4개의 가속도계가 상기 힘 측정장치에 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제8항에 있어서, 상기 4개의 가속도계는 각각 서로에 대하여 90°만큼 이격되게 장착되는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제1항에 있어서, 상기 로터를 회전시키기 위한 회전수단을 더 포함하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제10항에 있어서, 상기 가속도계에 의해 측정된 가속도를 판독하기 위한 판독수단을 더 포함하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제1항에 있어서, 상기 슬립 링은, 상기 로터에 연결되어 상기 로터와 함께 회전하는 회전부; 및 상기 베어링 하우징에 연결된 고정부;를 갖는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
제12항에 있어서, 상기 슬립 링은 상기 로터와 상기 베어링 하우징 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정용 시험 스테이션 장치.
시험 스테이션 장치에서 타이어 힘을 측정하는 방법에 있어서,

기부, 힘 측정장치, 베어링 하우징 및 로터를 가진 시험 스테이션에 타이어를 장착시키는 단계;

상기 타이어를 회전시키고 상기 힘 측정장치로 타이어 힘을 측정하는 단계;

상기 타이어 힘 측정 동안 상기 로터에 의해 발생되는 로터 힘을 계산하는 단계; 및

상기 계산된 로터 힘을 상기 힘 측정장치에 의해 측정된 타이어 힘에 가산하는 단계:

를 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 타이어 힘 측정 동안 상기 베어링 하우징에 의해 발생되는 베어링 하우징 힘을 계산하고, 상기 계산된 베어링 하우징 힘을 상기 힘 측정장치에 의해 측정된 타이어 힘에 가산하는 단계를 더 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제15항에 있어서, 상기 타이어 힘 측정 동안 상기 힘 측정장치에 의해 발생되는 힘 측정장치 힘을 계산하고, 상기 계산된 힘 측정장치 힘을 상기 힘 측정장치에 의해 측정된 타이어 힘에 가산하는 단계를 더 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제14항에 있어서, 4개의 가속도계를 가진 로터를 제공하는 단계를 더 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제17항에 있어서, 4개의 가속도계를 가진 베어링 하우징을 제공하는 단계를 더 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제 18 항에 있어서, 4개의 가속도계를 가진 힘 측정장치를 제공하는 단계를 더 포함하는 타이어 힘 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 계산된 로터 힘을 상기 힘 측정장치에 의해 측정된 타이어 힘에 가산하는 단계는 상기 계산된 로터 힘을 상기 힘 측정장치에 의해 측정된 타이어 힘으로부터 제거하는 것을 특징으로 하는 타이어 힘 측정 방법.