KR101267706B1 - 타이어 시험기에 사용되는 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는, 스핀들축심 방향을 따라 이격된 위치에 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛에 있어서, 타이어에 작용하는 실하중을 구할 때에 사용하는 변환 행렬을 확실하게 교정할 수 있고, 교정된 변환 행렬을 사용함으로써, 타이어에 발생하는 병진 하중 및 모멘트를 고정밀도로 산출하는 것이다.
본 발명에 관한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 교정 방법은, 스핀들축(4)에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬 E를 사용하여, 타이어(T)에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」과, 이 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 변환 행렬 E를 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있다.
본 발명에 관한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 교정 방법은, 스핀들축(4)에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬 E를 사용하여, 타이어(T)에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」과, 이 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 변환 행렬 E를 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있다.
Description
본 발명은, 타이어 시험기에 있어서, 계측 대상인 타이어로부터 발생하는 복수 방향의 하중을 당해 타이어의 지지축의 부분에서 동시에 측정하는 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법에 관한 것이다.
종래부터, 주행 상태에 있는 타이어의 동적 특성, 예를 들어 타이어의 구름 저항 등을 측정할 때에는, 타이어 시험기가 사용된다. 이와 같은 타이어 시험기에는, 계측 대상인 타이어를 스핀들축에서 회전 가능하게 지지하는 동시에, 타이어로부터 발생하는 복수 방향의 하중을 스핀들축의 부분에서 동시에 측정 가능하게 되어 있는 다분력 계측 스핀들 유닛이 구비되어 있다.
이 다분력 계측 스핀들 유닛에 설치된 타이어는, 타이어 시험기에 구비된 주행 드럼의 외주에 소정의 하중을 갖고 접지되어, 타이어의 캠버각이나 슬립각 및 접지 하중 등의 각종 조건 하에서, 다분력 계측 스핀들 유닛에 구비된 「다분력 계측 센서(로드 셀)」에 의해, 스핀들축에 작용하는 각 방향의 하중을 동시 계측한다.
그 후, 구해진 계측 하중으로부터 타이어에 작용하는 실하중을 산출하는 것으로 되어 있다.
또한, 본 명세서에서 「하중」으로 표현했을 때에는, 모멘트도 포함되는 것으로 한다. 예를 들어, 타이어를 주행 드럼으로 압박하는 방향을 z축, 타이어 진행 방향을 x축, 타이어 회전 축심(스핀들축심) 방향을 y축으로 놓으면, 타이어에 작용하는 실하중으로서는, 타이어 접지 하중 Fz, 타이어 구름 저항력 Fx(트랙티브 력), 타이어 횡력 Fy(코너링 포스), z축 주위의 모멘트인 셀프 얼라이먼트 토크 Mz, x축 주위의 모멘트인 오버 터닝 모멘트 Mx, y축 주위의 모멘트인 구름 저항 모멘트 My가 있다.
그런데, 이와 같은 다분력 계측 스핀들 유닛에 구비된 「다분력 계측 센서」로서는 다양한 구성의 것이 있고, 예를 들어 특허 문헌 1 내지 특허 문헌 4에 개시된 것이 있다.
예를 들어, 특허 문헌 1에 개시된 로드 셀이 채용된 스핀들 유닛을 사용함으로써, 타이어에 기인하는 스핀들축에서의 6분력의 계측이 가능해진다. 그러나 특허 문헌 1에 개시된 스핀들 유닛에 있어서는, 타이어 하중은 다분력 계측 센서 본체로부터 오프셋한 위치에 작용하므로, 다분력 계측 센서에 작용하는 모멘트가 커져 충분한 내하중을 얻을 수 없는 상황이 염려된다.
한편, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3의 다분력 계측 센서는, 특허 문헌 1의 다분력 계측 센서가 갖는 난점을 회피 가능한 것이다.
즉, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3의 스핀들 유닛에 있어서는, 2개의 다분력 계측 센서를 스핀들축의 축심 방향으로 소정의 거리를 갖고 배치하고 있고, 특히 특허 문헌 3의 스핀들 유닛에 있어서는, 2개의 다분력 계측 센서를 강성이 높은 원통 부재(슬리브)로 결합하는 구조로 되어 있어, 다분력 계측 센서에 작용하는 모멘트 등을 작게 할 수 있어, 충분한 내하중을 얻을 수 있다.
그러나 이와 같은 스핀들 유닛 구조이면, 2개의 다분력 계측 센서 사이에서 병진과 회전이 구속되는 상태, 환언하면 부정정 상태 내지는 과구속 상태로 된다. 그 결과, 타이어 시험을 행하였을 때에, 2개의 다분력 계측 센서로 계측되는 계측 하중은, 단순하게 외력의 균형 조건으로부터는 구해지지 않고, 원통 부재 및 다분력 계측 센서의 강성의 관계에 의해 결정되는 휨이나 휨 각의 조건도, 다분력 계측 센서의 계측 하중에 영향을 미치게 된다.
이와 같은 영향(악영향)을 경감시키기 위해, 다분력 계측 센서와 원통 부재의 일체화 구조도 생각할 수 있지만, 가공 비용이 늘어나거나 메인터넌스가 번잡해지는 등의 과제가 있다. 분할 구조이면, 문제 개소의 교환만으로 계속 사용할 수 있는 등의 메인터넌스 용이성은, 매우 우위한 이점이다.
또한, 2개의 다분력 계측 센서와 원통 부재가 강성이 높은 과잉의 구속 상태로 되어 있으므로, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3의 스핀들 유닛과 같은 구조는, 열의 영향을 받기 쉽다고 하는 문제가 있다.
즉, 이와 같은 스핀들 유닛은, 약간의 열변형이 발생해도, 유닛 내부에는 큰 내력이 발생한다. 구체적으로는, 스핀들축을 지지하는 베어링이 열원으로 되고, 그 열은 유닛 전체에 전해져 온도 분포가 발생한다. 이 결과, 스핀들 유닛에 변형이 발생하고, 그 열변형이 다분력 계측 센서에 강제 변형력으로서 작용하여, 타이어 하중과는 관계없는 하중이 다분력 계측 센서로부터 출력되고, 그 영향이 계측 오차가 되어 나타난다.
이상 서술한 바와 같이, 2개의 다분력 계측 센서가 스핀들축심 방향을 따라 이격된 위치에 배치되어, 각각의 다분력 계측 센서가 원통 부재 등에 설치된 구성의 스핀들 유닛에 있어서는, 과구속의 영향이나 열변형의 영향에 의해, 타이어에 발생하는 하중(병진 하중 및 모멘트)을 고정밀도로 계측하는 것이 곤란해지는 상황이 발생한다.
이와 같은 상황을 회피하기 위한 수단으로서, 타이어 시험에 앞서, 다분력 계측 스핀들 유닛을 교정하는(교정 시험을 행하는) 것이 매우 유효하다.
따라서 본 발명은 상기 문제점을 감안하여, 스핀들축심 방향을 따라 이격된 위치에 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛에 있어서, 타이어에 발생하는 병진 하중 및 모멘트를 고정밀도로 계측하는 것을 가능하게 하는 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 있어서는 이하의 기술적 수단을 강구하였다.
본 발명에 관한 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법은, 시험용 타이어를 장착 가능한 스핀들축과, 상기 스핀들축이 베어링부를 통해 회전 가능하게 지지되는 하우징과, 상기 스핀들축의 축심 방향을 따라 이격된 위치에 설치되는 동시에 하우징에 고정되고, 또한 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측 가능한 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛을 사용하여, 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬을 사용하여, 상기 타이어에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」을 갖는 타이어 시험 방법에 적용되는 교정 방법이며, 상기 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 상기 변환 행렬을 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
이 수단에 따르면, 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정, 환언하면 시험용 타이어에 작용하는 실하중을 구할 때에 사용하는 변환 행렬의 교정을 확실하게 할 수 있어, 타이어에 발생하는 실하중을 고정밀도로 계측하는 것이 가능해진다.
바람직하게는, 상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능하게 구성되어 있고, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 m개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 n개의 성분(n≤m)을 갖는 실하중 벡터를 산출하는 것으로 하여, 상기 교정 공정에서는, m종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬을 산출하고, 산출된 변환 행렬을, 상기 산출 공정에 있어서의 변환 행렬로 하면 된다.
이 수단에 따르면, 시험용 타이어에 작용하는 n개(n 방향)의 하중을 구하기 위해서는, 반드시 2개의 다분력 계측 센서의 모든 출력값을 이용할 필요는 없고, m개의 출력값을 이용하는 것만으로 되게 된다.
예를 들어, 시험용 타이어에 작용하는 n＝2의 하중(Fx, Mz)만을 구하고 싶은 경우에는, 기본적으로는 다분력 계측 센서의 출력값 fx1, fx2만으로 되게 된다(Mz는 fx1과 fx2의 선형 결합으로 나타난다).
그러나 다분력 계측 스핀들 유닛의 조립 오차나, 다분력 계측 스핀들 유닛의 시험기 본체로의 설치 오차(얼라인먼트 오차) 등에 의해, 이 fx1과 fx2의 출력값에z축 방향의 하중이 영향을 미치게 되는 경우가 있다(크로스 토크). 그 경우에는, fz1과 fz2의 출력을 이용함으로써, 타이어 하중의 계측 정밀도는 향상된다. 이 경우에는, 계측 하중 벡터는 m＝4개의 성분을 갖는 것이 되고, 교정 공정에 있어서는, Fx나 Mz의 이미 알려진 하중을 부여하는 시험뿐만 아니라, Fz나 Mx를 각각 독립으로 부여한 실험을 행할 필요가 있다. 이상의 4개의 복합 하중이라도 상관없지만, 각각의 크기의 비를 적어도 4종류 이상 바꾸어 행할 필요가 있다. 교정 하중 Fz나 Mx에 관해서는 미지의 하중이라도 상관없지만, 그들 하중을 부여할 때에, Fx나 Mz 방향으로도 동시에 하중이 작용하는 경우에는, Fx나 Mz 방향의 하중은 이미 알려진 것일 필요가 있다.
또한, 상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능한 동시에, 적어도 타이어 진행 방향 및 타이어 하중 방향 주위의 모멘트가 계측 가능하게 구성되어 있고, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 m개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 n개의 성분(n≤m)을 갖는 실하중 벡터를 산출하는 것으로 하고, 상기 교정 공정에서는, m종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬을 산출하고, 산출된 변환 행렬을, 상기 산출 공정에 있어서의 변환 행렬로 하면 된다.
이와 같이, 다분력 계측 센서가 병진 3자유도에 더하여 모멘트도 계측할 수 있는 6분력계(스핀들축심 주위의 모멘트가 없는 5분력으로도 가능)라면, 모멘트를 포함한 전체 방향의 하중에 대한 상호 간섭 보정을 행해 둘 수 있고, 다분력 계측 스핀들 유닛으로서의 캘리브레이션을 행하지 않아도, 타이어 실하중의 산출이 가능해진다. 또한, 보다 많은 계측 하중을 얻는 것이 가능해지므로, 타이어에 발생하는 실하중(병진 하중 및 모멘트)을 고정밀도로 계측하는 것을 가능하게 하는 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법을 실현할 수 있다.
또한, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 5개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1+fy2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)으로부터 선정된 n개(n≤5)의 성분의 실하중 벡터를 구하는 것으로 하고, 상기 교정 공정에서는, 5종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터와 관계를 맺는 변환 행렬(5×n 행렬 또는 n×5 행렬)을 산출하면 된다.
이 수단에 따르면, 2개의 다분력 계측 센서의 병진 하중 성분 (fx1, fy1, fz1)과 (fx2, fy2, fz2)를 이용하여, (fx1, fx2, fz1, fz2, fy1+fy2)의 5성분을 갖는 계측 하중 벡터와, 타이어에서 발생하는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 관계맺는 변환 행렬을 교정 시험에 의해 구하고, 그 변환 행렬을 기초로 계측 하중 벡터로부터 실하중 벡터를 산출할 수 있게 된다.
상세하게는, 2개의 다분력 계측 센서가 하우징에 고정된 부정정 구조인 본 스핀들 유닛에서는, 일반적으로 다분력 계측 센서로 계측되는 mz는 fx1과 fx2의 선형 결합으로 나타나고, mx도 fz1과 fz2의 선형 결합으로 나타난다. 따라서 교정 시험에 의해 구해진 변환 행렬에서 타이어의 실하중을 산출할 때에는, 반드시 모멘트 성분은 필요로 하지 않는다. 또한, Fy에 관해서도 구조상 fy1과 fy2는 독립의 관계에 없으므로, 본 발명에서는, 다분력 계측 센서의 출력 fy를fy1+fy2로서 정리하여 취급하는 것으로 한다.
이상 서술한 계측 하중의 선택과 합성에 의해, 계측 하중 벡터의 5성분과 타이어 실하중 벡터의 5성분을 1대 1로 대응시킬 수 있다. 또한, 5종류의 1차 독립된 시험 조건을 기초로, 이미 알려진 타이어 하중과 다분력 계측 센서의 계측 하중을 대응시키는 교정 시험을 행함으로써, 정확한 변환 행렬을 양적(5×5의 변환 행렬은 역행렬이 구함)으로 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 다분력 계측 스핀들 유닛에 있어서, My는 스핀들축을 지지하는 베어링의 회전 마찰력의 값을 나타낼 뿐이고, 타이어 실하중으로서는 의미가 없다고 생각하였다. My를 계측하고 싶은 경우에는, 다분력 계측 센서 단일 부재의 my1과 my2의 출력값의 합을 취함으로써 가능하다. 또한, 다분력 계측 스핀들 유닛에서의 교정 시험을 행하는 경우에는, Fy와 동일한 생각으로 my1+my2를 이용한다.
또한, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 9개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1+fy2, mx1, mx2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고, 상기 교정 공정에서는, 9종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬(9×5 행렬 또는 5×9 행렬)을 산출해도 된다.
이 수단은, 2개의 다분력 계측 센서로부터의 출력인 mx1, mx2, mz1, mz2를 교정에 더하는 것이다. 본 발명의 다분력 계측 스핀들 유닛에서는, 당해 유닛의 온도 상승의 분포에 의한 열왜곡 변형에 대해서는, 다분력 계측 센서 출력값의 모멘트 m과 하중 f에는 상관이 없이 1차 독립된 관계로 된다. 그로 인해, 본 수단에 의해, 온도 분포에 의한 계측 오차의 영향을 저감시킬 수 있다. 교정 공정 시에는, 타이어 위치에 병진 3자유도, 모멘트 2자유도의 독립한 하중에 더하는 동시에, 다양한 온도 분포에 의해 발생하는 하중을 교정 데이터로서 취급하고, 적어도 9종류의 1차 독립된 조건의 데이터를 사용함으로써 변환 행렬을 산출할 수 있다.
또한, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 10개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1, fy2, mx1, mx2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고, 상기 교정 공정에서는, 10종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬(10×5 행렬 또는 5×10 행렬)을 산출해도 된다.
이 수단은, 계측 하중 벡터의 성분에 fy1, fy2를 분리하여 더하는 방법이다. 보다 많은 변수를 독립하여 사용함으로써, 보다 정밀도가 높은 변환 행렬의 작성이 가능해진다. 적어도 10종류의 1차 독립된 조건의 데이터를 사용함으로써 변환 행렬을 산출할 수 있다. 또한, 변수가 많은 만큼, 적정한 교정 데이터를 얻는 것이 어려운 경우도 있어, 그때는 변환 행렬의 특성이 나빠지므로 주의가 필요하다.
또한, 상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 12개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1, fy2, mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬을 작용시킴으로써, 타이어에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고, 상기 교정 공정에서는, 12종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터 및/또는 온도 변화를 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측값 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬(12×5 행렬 또는 5×12 행렬)을 산출하는 것이 바람직하다.
이 수단은, 또한 계측 하중 벡터의 성분에 my1, my2를 더하는 방법이다. 보다 많은 변수를 독립하여 사용함으로써, 보다 정밀도가 높은 변환 행렬의 작성이 가능해진다. 적어도 12종류의 1차 독립된 조건의 데이터를 사용함으로써 변환 행렬을 산출할 수 있다. 또한, 변수가 많은 만큼, 적정한 교정 데이터를 얻는 것이 어려운 경우도 있어, 그때는 변환 행렬의 특성이 나빠지므로 주의가 필요하다.
또한, 타이어 실하중 벡터의 성분으로서, My를 더하는 경우에는, 변환 행렬은 6×12로 된다.
본 발명에 관한 기술을 사용하면, 스핀들축심 방향을 따라 이격된 위치에 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛에 있어서, 타이어에 작용하는 실하중을 구할 때에 사용하는 변환 행렬을 확실하게 교정할 수 있고, 교정된 변환 행렬을 사용함으로써, 타이어에 발생하는 병진 하중 및 모멘트를 고정밀도로 산출하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 다분력 계측 스핀들 유닛의 구성을 도시한 도면.
도 2는 다분력 계측 센서(로드 셀)의 정면도 및 사시도.
도 3은 다분력 계측 센서의 계측 하중과 타이어 하중의 관계를 도시하는 모델도.
도 4는 다분력 계측 센서의 계측 하중과 타이어 하중의 관계를 도시하는 모델도(다분력 계측 센서의 강성을 포함시킨 도면).
도 5는 온도 분포에 의해 발생하는 다분력 계측 스핀들 유닛 내의 내력 상태를 도시한 도면.
도 6은 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 시험에 있어서의 하중 조건을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 관한 교정 시험을 행한 결과를 나타낸 도면(5×5의 변환 행렬).
도 8은 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 시험에 있어서의 온도 분포를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 관한 교정 시험을 행한 결과를 나타낸 도면(5×9의 변환 행렬).
도 2는 다분력 계측 센서(로드 셀)의 정면도 및 사시도.
도 3은 다분력 계측 센서의 계측 하중과 타이어 하중의 관계를 도시하는 모델도.
도 4는 다분력 계측 센서의 계측 하중과 타이어 하중의 관계를 도시하는 모델도(다분력 계측 센서의 강성을 포함시킨 도면).
도 5는 온도 분포에 의해 발생하는 다분력 계측 스핀들 유닛 내의 내력 상태를 도시한 도면.
도 6은 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 시험에 있어서의 하중 조건을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 관한 교정 시험을 행한 결과를 나타낸 도면(5×5의 변환 행렬).
도 8은 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 시험에 있어서의 온도 분포를 도시한 도면.
도 9는 본 발명에 관한 교정 시험을 행한 결과를 나타낸 도면(5×9의 변환 행렬).
본 발명의 실시 형태를, 도면을 기초로 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일한 부품에는 동일한 번호가 부여되어 있다. 그들의 명칭 및 기능도 동일하다. 따라서 그들에 대한 상세한 설명은 반복하지 않는다.
도 1에 본 실시 형태에 관한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 개략 구조를 도시한다.
본 실시 형태의 다분력 계측 스핀들 유닛(1)은, 주행 상태에 있는 타이어(T)의 동적 특성, 예를 들어 타이어(T)의 구름 저항 등을 측정하는 타이어 시험기(2)를 구성하는 것으로, 타이어 시험기(2)의 프레임(3)에 설치되어 있다.
다분력 계측 스핀들 유닛(1)은, 시험용 타이어(T)가 단부에 설치되고, 또한 그 타이어(T)와 일체 회전하는 스핀들축(4)을 갖고 있고, 이 스핀들축(4)이 축심 수평 상태에서 하우징(5) 내에 헐겁게 끼워져, 베어링부(6)(베어링)를 통해 하우징(5)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
상세하게는, 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 하우징(5)은 이중 통 구조로 되어 있고, 축심이 수평 방향을 향하도록 배치된 원통 형상의 이너 슬리브(7)(내통체)의 내부에, 스핀들축(4)이 수평 형상으로 삽입되어 있고, 베어링부(6)를 통해 이너 슬리브(7)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 이너 슬리브(7)는, 이 이너 슬리브(7)보다 직경이 큰 원통 형상의 아우터 슬리브(8)(외통체) 내에, 동축 형상으로 삽입되어 있다. 이너 슬리브(7)와 아우터 슬리브(8)는 축심 방향으로 대략 동일한 길이이고, 각각의 단부가 외관 원반 형상의 로드 셀(9)(다분력 계측 센서)에 의해 서로 연결되어 있다. 이와 같은 구성을 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)은, 그 아우터 슬리브(8)가 타이어 시험기(2)의 프레임(3)에 설치되는 것으로 되어 있다.
상기한 바와 같이, 로드 셀(9)과 하우징(5)을 일체형으로 구성하지 않고 분할 구조로 함으로써, 가공 비용을 내릴 수 있다. 또한, 각각 독립된 2개의 로드 셀(9)을 이용함으로써, 장치에 조립하기 전에, 로드 셀(9) 단독으로의 교정 시험을 행할 수 있다. 로드 셀(9) 단일 부재에서의 상호 간섭이 제거된 계측 하중을 바탕으로, 스핀들 유닛(1) 전체적으로 다시, 교정 시험을 행함으로써, 상호 간섭을 더욱 적게 할 수 있다.
도 2에는, 로드 셀(9), 즉 다분력 계측 센서가 도시되어 있다.
본 실시 형태의 로드 셀(9)은, 외관이 원반 형상이고, 중앙에 배치된 링 형상의 착력체(10)를 갖고 있다. 착력체(10)의 중심에 형성된 개구(11)에는 스핀들축(4)이 헐겁게 끼워진 상태로 관통하는 것으로 되어 있다. 착력체(10)의 직경 방향 외측에는, 링 형상의 고정체(12)가 배치되어 있다. 착력체(10)와 고정체(12)는 동일 중심으로 되도록 배치되어 있고, 착력체(10)와 고정체(12)는 직경 방향으로 방사상으로 신장되는 복수(4개)의 빔 부재(13)[기왜체(起歪體)]에 의해 연결되어 있다.
이 착력체(10)와 이너 슬리브(7)가 볼트 등의 체결구에 의해 견고하게 결합되어 있어, 스핀들축(4)→베어링부(6)→이너 슬리브(7)→착력체(10)로 힘이 전해지도록 되어 있다. 또한, 고정체(12)와 아우터 슬리브(8)도 볼트 등의 체결구에 의해 견고하게 결합되어 있어, 결과적으로 스핀들축(4), 이너 슬리브(7), 아우터 슬리브(8), 로드 셀(9)이 일체로 된 구조가 되고, 다분력 계측 스핀들 유닛(1)이 구성되어 있다.
도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 기왜체(13)에는 변형 게이지(51 내지 82)가 부여되어, 검지부(14)로 되어 있다. 또한, 변형 게이지(51 내지 66)가 병진 하중을 계측하기 위한 것이고, 변형 게이지(67 내지 82)가 모멘트를 계측하기 위한 것이다.
예를 들어, 착력체(10)에 x축 방향의 하중 fx가 작용한 경우에는, 상하 방향으로 신장되는 기왜체(13)에 도 2의 (a)의 지면(紙面) 내에서의 굽힘 변형이 발생하고, 그 굽힘 변형이 변형 게이지(51 내지 54)에 의해 검지되어 계측 하중 fx로 환산된다. 계측 하중 fz의 경우에는, 좌우 방향으로 신장되는 기왜체(13)에 굽힘이 발생한다. 계측 하중 fy의 작용 시에는 4개의 기왜체(13)가 도 2의 (b)의 지면 관통 방향으로 굽힘 변형된다. 한편, 착력체(1O)에 모멘트 mx가 작용한 경우에는, 좌우 방향으로 신장되는 기왜체(13)는 뒤틀리고, 상하 방향으로 신장되는 기왜체(13)가 지면 관통 방향으로 굽힘 변형된다. 상하 방향으로 신장되는 기왜체(13)에 부여된 변형 게이지(67 내지 70)에 의해, 이 굽힘 모멘트를 검지한다. 모멘트 mz가 작용한 경우에는, 좌우 방향으로 신장되는 기왜체(13)에 굽힘이 발생한다. 모멘트 my가 작용한 경우에는, 4개 전체의 기왜체(13)가 지면 면 내 방향으로 변형된다.
도 2의 (b)로부터 명백한 바와 같이, 본 실시 형태의 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에 있어서는, 스핀들축(4)의 축심 방향을 따라 이격된 위치에, 2개의 로드 셀(9)[로드 셀(9)]이 배치되어 있으므로, 로드 셀(9)은, x, y, x 방향의 병진 하중을 계측할 수 있는 3분력계인 동시에, x, z축 주위의 모멘트를 계측할 수 있는 5분력계, 혹은 y축 주위의 모멘트도 계측할 수 있는 6분력계로 되어 있다. 그로 인해, 본 실시 형태의 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에 있어서는, 스핀들축(4)에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중 fx, fy, fz 및 적어도 타이어(T) 진행 방향(x축) mx, 타이어(T) 하중 방향(z축) 주위의 모멘트 mz를, 각각 2세트 계측할 수 있다.
이상의 구성을 갖는 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에서는, 전술한 바와 같이, 계측용 타이어(T)에서 발생한 하중이나 모멘트는, 타이어(T)가 설치된 스핀들축(4)으로 전해지고, 스핀들축(4)→베어링부(6)→이너 슬리브(7)→로드 셀(9)의 착력체(10)로 힘이 전해진 후, 로드 셀(9)의 검지부(14)에 의해, 계측 하중이 계측된다(계측 공정).
다음에, 로드 셀(9)의 검지부(14)에 의해 계측된 계측 하중(계측 하중 벡터)으로부터, 타이어(T)에 작용하고 있는 실하중(실하중 벡터)을 산출하는 방법에 대해 서술한다(산출 공정).
우선, 시험용 타이어(T)가 설치된 스핀들축(4)에, 병진 하중이나 모멘트가 작용하면, 로드 셀(9)의 기왜체(13)에서 굽힘이나 전단, 비틀림 변형이 발생하고, 그 변형량(왜곡량)이 기왜체(13)에 설치된 로드 셀(9)에서 검지되고, 계측 하중으로서 출력된다.
편의적으로, 도 3에 도시하는 「x―y 평면 내의 간략화 모델」을 이용하여 설명을 진행한다.
스핀들축(4)을 따른 방향에서, 타이어(T)에 가까운 측에 설치된 로드 셀(9)로 계측되는 하중을 fx1, fy1, mx1로 하고, 타이어(T)로부터 먼 측에 설치된 로드 셀(9)로 계측되는 하중을 fx2, fy2, mx2로 한다. 그 경우, 타이어(T)에 작용하는 실하중 Fx, Fy, Mz는, 수학식 1로 나타낼 수 있다.
이 관계를 확장하고, Fz, Mx, My에 관하여 모두 정리하면, 수학식 2와 같이 된다.
로드 셀(9) 단일 부재의 교정이 확실하게 행해지고 있으면, 수학식 2를 사용함으로써, 정확하게 타이어(T)에 작용하는 하중을 산출할 수 있다. 수학식 2를 사용하는 경우, 각 로드 셀(9)은, 모멘트를 계측할 수 있는 다분력 계측계인 것이 필요 조건이다. 또한, y축 주위의 모멘트 My는 베어링의 회전 마찰력에 상당하기 때문에, 반드시 필요로 하지 않으므로, 각 로드 셀(9)은, my1, my2의 출력을 반드시 필요로 하지 않는다.
그런데 본 발명의 다분력 계측 스핀들 유닛(1)과 같이, 스핀들축(4)의 축심 방향의 이격된 위치에 2개의 로드 셀(9)을 구비한 구조에 있어서는, 가공 정밀도나 조립 오차, 결합부의 특성에 의해, 수학식 2의 로드 셀(9) 단일 부재의 교정만으로는 충분한 정밀도를 확보할 수 없는 경우가 있다.
상세하게는, 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에서는, 2개의 로드 셀(9)이 강성이 높은 부재[이너 슬리브(7) 및 아우터 슬리브(8)]로 결합됨으로써, 2개의 로드 셀(9) 사이에서 병진과 회전이 구속된 부정정, 즉 과구속 상태로 되고, 그 결과 타이어(T) 하중이 작용했을 때에, 2개의 로드 셀(9)에서 관측되는 하중이나 모멘트는, 단순하게 외력의 균형 조건으로부터는 구해지지 않고, 슬리브 및 다축 로드 셀(9)의 강성의 관계에 의해 결정되는 휨이나 휨 각의 조건도 로드 셀(9)의 계측값에 영향을 미치게 된다.
로드 셀(9) 단일 부재에 있어서 계측 하중의 상호 간섭(크로스 토크)을 최대한 피하는 구조로 해도, 스핀들 유닛(1)으로서 형상 오차나 조립 오차, 또한 결합부의 상태에 의해, 하중의 상호 간섭이 발생하여 계측 오차가 발생하기 쉽다고 하는 과제가 남게 된다.
또한, 강성이 높은 과잉의 구속 상태로 되어 있으므로, 열의 영향을 받기 쉽다고 하는 문제가 있다. 약간의 열변형이 발생해도, 스핀들 유닛(1) 내부에는 큰 내력이 발생한다. 스핀들축(4)을 지지하는 베어링부(6)가 열원으로 되고, 그 열은 유닛 전체에 전해져 온도 분포가 발생한다. 이 결과, 스핀들 유닛(1)에 변형이 발생하고, 그 열변형이 로드 셀(9)에 강제 변형력으로서 작용하여, 타이어(T) 하중과는 관계없는 하중이 계측되어 오차가 되어 나타난다. 게다가, 로드 셀(9)이 모멘트 출력이 없는 3분력계인 경우에는, 수학식 2는 적용할 수 없다.
이상의 것을 감안하면, 로드 셀(9), 나아가서는 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 교정 시험(교정 작업)이 필요해진다.
이하, 본 발명의 특징적인 기술인 「다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법」에 대해 서술한다.
[교정 시험 (1)]
우선, 로드 셀(9)로 계측되는 계측값과, 타이어(T)에 작용하는 작용력의 관계가, 수학식 3과 같이, 변환 행렬 E에 의해 변환되는 것으로 한다. 이 변환 행렬 E의 각 성분을 교정 시험에 의해 구한다.
수학식 3에 있어서는, 타이어 실하중으로서, 적어도 1차 독립된 5종류의 이미 알려진 하중을 부여함으로써, 변환 행렬 E를 구할 수 있다. 환언하면, 각 시험 조건에서의 타이어 실하중 벡터로 이루어지는 행렬을 F, 그 시험 조건 하에 있어서 로드 셀(9)로 검출된 계측 하중 벡터로 이루어지는 행렬을 X로 하면, 변환 행렬 E는 수학식 4에 의해 산출할 수 있다.
또한, 정밀도가 높은 변환 행렬 E를 산출하기 위해서는, 하중 조건을 많게 하는 최소 제곱법이 유효하다. 그 경우, 행렬 F 및 X는 열 수가 5 이상으로 된다. 행렬 X의 역행렬이 구해지지 않으므로, 다음 수학식의 유사 행렬을 사용하여 계산을 행한다. 이 수학식은 최소 제곱법과 등가로 된다.
또한, 이 계산의 하중 조건에는 적어도 1차 독립된 5종류의 데이터가 포함되어 있을 필요가 있다. 그런데 1차 독립된 실험 데이터가 5종류 있는지 여부는, 실험 데이터 행렬 X의 랭크(계수)의 계산으로부터 구해진다. 랭크는 행렬 x의 특이값 분해 등에 의해 계산할 수 있다.
다음에, 로드 셀(9) 하중의 fy를 fy1+fy2로서 취급한 이유를 설명한다.
도 3으로부터 추정되는 바와 같이, 로드 셀(9)의 출력 fy1과 fy2는 독립된 관계는 아니다[스핀들축(4)의 축심을 따른 하중으로, 서로 분리할 수 없는 값]. 타이어 실하중 Fy는 로드 셀(9)의 y 방향의 하중 및 이너 슬리브(7)의 세로 강성에 의해 구해지는 비이고, 하중 분배된다. 수학식 4 및 수학식 5의 변환 행렬의 산출 시에, fy1과 fy2를 분리하여 취급하면, 로드 셀(9)의 하중 행렬 X가 1차 독립으로 되지 않아, 역행렬이나 유사 역행렬이 구해지지 않는다. 수학식 2로부터 명백한 바와 같이, 타이어 실하중 Fy는 로드 셀(9)의 계측 하중 fy1+fy2로 나타내므로, 수학식 3에서도 합의 형태로 취급할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태의 교정 시험 (1)에 있어서, 수학식 2에는 존재하는 모멘트 하중을 제외한 이유를 설명한다.
본 실시 형태의 다분력 계측 스핀들 유닛(1)은, 로드 셀(9)의 x, z 방향의 하중에 대해 부정정 구조로 되어 있는 것은 전술한 바와 같다. 그로 인해, 2개의 로드 셀(9)의 하중은 단순한 외력의 균형 조건으로부터는 구해지지 않고, 외력과 로드 셀(9)이나 각 부의 강성에 의해 구해지는 휨이나 휨 각의 관계를 사용하여 하중을 계산할 필요가 있다.
도 4는 그 모델도를 도시한 것이다. 간단화를 위해, x―y 평면에서 발생하는 하중에 관한 도면으로 하고 있다. 여기서, 간단화를 위해 빔의 굽힘 강성을 무한대로 하면, 각 로드 셀(9)의 변위와 회전각의 관계는, 수학식 6으로 나타난다.
또한, 변위와 하중 및 모멘트의 관계는, 로드 셀(9)의 스프링 강성을 사용하여, 수학식 7로 나타낼 수 있다.
수학식 4와 수학식 5로부터, 모멘트 mz1, mz2는, 수학식 8과 같이 나타낼 수 있고, fx1과 fx2의 선형 결합의 관계에 있는 것을 알 수 있다. 즉, 1차 독립이 아니다.
따라서 전술한 fy와 마찬가지로, 로드 셀(9)의 하중 행렬 X에 하중 f와 모멘트 m의 양 성분을 더하면, 행렬 X가 1차 독립이 아닌 것으로 되어, 역행렬이 구해지지 않는다. 또한, 로드 셀(9)의 fx, fz 대신에, mx, mz 성분만을 수학식 3에 더해도, 이론상 변환 행렬은 구해지게 된다. 그러나 모멘트 강성을 높이기 위해, 2개의 로드 셀(9)을 사용한 본 유닛 구조에서는, 각 로드 셀(9) 자체에 발생하는 모멘트는 병진 하중에 비해 상대적으로 작아진다(변형 게이지의 출력이 작다). 정밀도를 높이기 위해서는, f성분을 사용하는 것이 유효하다.
또한, 실제로는 스핀들축(4), 이너 슬리브(7), 아우터 슬리브(8)[도 4에서는, 로드 셀(9)의 스프링의 기초부의 강성에 상당]는 강체가 아니므로, 수학식 6에는 그들의 굽힘 강성 EI가 포함되는 형태로 된다. 로드 셀(9) 강성과 슬리브의 굽힘 강성의 대소 관계에 의해, 로드 셀(9)의 f성분과 m성분의 관계는 변화되지만, 선형 결합의 특성은 변화되지 않게 된다.
[교정 시험 (2)]
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 다른 교정 시험에 대해 서술한다.
이 교정 시험에서는, 로드 셀(9)로 계측되는 계측값과, 타이어(T)에 작용하는 작용력의 관계가, 수학식 9와 같이, 5×9의 변환 행렬 E에 의해 변환되는 것으로 한다. 이 변환 행렬 E의 각 성분을 교정 시험에 의해 구한다.
수학식 9에 있어서의 변환 행렬 E를 구하기 위해서는, 적어도 9종류의 하중 조건이 필요하다. 변환 행렬 E의 산출은 다음 수학식의 유사 역행렬의 방법으로 구해진다.
도 5에 도시한 바와 같이, 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에서는, 유닛의 온도 분포에 의한 열변형에 의해 발생하는 내력에 대해서는, 로드 셀(9)에 의한 계측 하중 f와 m은, 교정 시험 (1)의 경우와는 다른 관계식으로 된다. 도 5에 도시한 바와 같은 내력 상태는, 타이어(T) 하중으로는 발생할 수 없으므로, 내력 상태에 따라 관계식이 다르다고 하는 것은, 내력 변화에 대해서는 m과 f는 1차 독립으로 되는 것이 된다. 이 로드 셀(9)의 모멘트 출력을 더한 교정식(수학식 9)에 의해, 온도 분포 등에 의한 계측 오차의 영향을 저감시킬 수 있다. 교정 시험 데이터, 타이어(T) 위치에 병진 3자유도, 모멘트 2자유도의 독립된 하중을, 다양한 온도 분포 상태에서 계측하고, 그들을 교정 데이터군으로서 취급함으로써, 변환 행렬을 산출할 수 있다.
본 교정 시험에 있어서, 9개의 1차 독립의 실험 데이터로 되어 있는지는, 전술한 바와 같이 실험 데이터 행렬 X의 랭크 계산(계수 계산)에 의해 평가할 수 있다.
[교정 시험 (3)]
또한, 본 실시 형태에 있어서의 다른 교정 시험에 대해 서술한다.
본 교정 시험에서는, 로드 셀(9)로 계측되는 계측값과, 타이어(T)에 작용하는 작용력의 관계가, 수학식 11과 같이, 5×10의 변환 행렬 E에 의해 변환되는 것으로 한다. 이 변환 행렬 E의 각 성분을 교정 시험에 의해 구한다.
본 교정 시험에서는, 로드 셀(9)로 계측되는 계측값으로서, 10종류의 1차 독립된 로드 셀(9) 하중이 출력되는, 외력, 내력(온도 영향) 조건을 부여하는 것으로 한다. fy1과 fy2에 독립으로 하중을 발생시키기 위해서는, 내부 온도의 발생 등의 내력을 발생시킬 필요가 있다. 이너 슬리브(7)와 아우터 슬리브(8)에 온도차를 부여함으로써 실현 가능하다.
[교정 시험 (4)]
또한, 본 실시 형태에 있어서의 다른 교정 시험에 대해 서술한다.
본 교정 시험에서는, 로드 셀(9)로 계측되는 계측값과, 타이어(T)에 작용하는 작용력의 관계가, 수학식 12와 같이, 5×12의 변환 행렬 E에 의해 변환되는 것으로 한다. 이 변환 행렬 E의 각 성분을 교정 시험에 의해 구한다.
이 교정 시험은, my1, my2에 유의한 1차 독립된 하중 출력을 실현할 수 있었던 경우에, 이 변환 행렬 E를 사용한다. 또한, 교정 데이터군에, 상기한 다양한 온도 분포 상태에서 각종 독립한 하중 조건을 부여한 것에 더하여, 수학식 13에서 나타나는 조건을 더함으로써 정밀도가 개선된다.
수학식 13은, y축 방향에 관한 것으로, 외력이 작용하지 않는 상태에서, y 방향의 내력[이너 슬리브(7)의 신축, 비틀림]이 발생해도, 그들 하중은 타이어(T)에 가까운 측의 로드 셀(9)과 타이어(T)로부터 먼 측의 로드 셀(9)에서 작용 반작용으로서 대칭으로 나타나는 것을 의미한다. 이 조건식을 더함으로써, 수학식 11의 변환 행렬 E의 동정 정밀도가 향상되고, 시험 시의 각종 조건에 있어서도, 2개의 로드 셀(9) 출력 하중으로부터, 고정밀도로 타이어(T) 발생 하중을 산출할 수 있다.
[교정 시험을 행한 결과]
마지막으로, 이상 서술한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)의 교정 방법을 실시했을 때의 결과에 대해 설명한다.
우선, 교정 시험 (1)을 행한 결과에 대해 서술한다.
이 교정 시험에서는, 도 6에 도시한 바와 같은 5종류의 시험 조건을 부여하여 시험을 행하였다. 즉, 교정 시험에 있어서의 하중 상태는, 도 6의 (a)에 도시하는 Fx 하중(트랙티브력)을 부여하는 조건, 도 6의 (b)에 도시하는 Fy 하중[타이어(T)축 하중]을 부여하는 조건, 도 6의 (c)에 도시하는 Fz 하중(차체 하중)을 부여하는 조건이 있고, 또한 도 6의 (d)에 도시하는 Mx 모멘트를 부여하는 조건, 도 6의 (d)에 도시하는 Mz 모멘트를 부여하는 조건이 있다.
모멘트 Mx 및 My는, 스핀들축(4)에 설치된 타이어(T)의 중심으로부터 거리 L만큼 이격된 위치에 Fz 및 Fx를 재하(載荷)함으로써 복합 하중으로서 부여하였다. Mx의 값은 L×Fz, Mz는 L×Fx로 된다.
도 7에, 타이어(T)에 작용하는 실하중의 계측 정밀도의 검증 결과로서, Fx 및 Fz에 대한 계측 정밀도를 도시한다.
도 7에 있어서의 ○는, 교정 시험 (1)을 행한 후의 Fx 계측 오차를 나타낸 것으로, 양 하중에 대한 계측 오차가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 5×5의 교정식의 유효성을 확인할 수 있다. 그 후, 타이어 시험을 행하고, 그 직후에 Fx 계측 오차를 계측하였다. 그 결과를 ●으로 나타내고 있다. ●의 그래프로부터 명백한 바와 같이, 타이어 시험 종료 직후에 정밀도 검증 시험을 한 바, 큰 오차가 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 드럼 하중 Fz를 재하한 상태에서, 타이어(T)를 회전시킴으로써, 베어링부(6)에서 열이 발생하고, 스핀들 유닛(1) 내에 온도 분포가 발생하여 내력이 발생하는 영향으로 생각된다.
따라서 도 8에 도시한 바와 같이, 4개의 온도 분포 상태를 만들어, 교정 시험 (2)을 행해 보았다. 온도 분포 상태는, 도 8의 (a)에 도시하는 타이어 시험 직후의 온도 분포 조건, 도 8의 (b)에 도시하는 아우터 슬리브(8) 전체를 가열한 조건, 도 8의 (c)에 도시하는 아우터 슬리브(8)의 상부를 가열하는 동시에 하부를 냉각한 조건, 도 8의 (d)에 도시하는 아우터 슬리브(8)의 좌우측 한쪽을 가열하는 동시에 좌우측 다른 쪽을 냉각한 조건이 있다.
교정 시험 (2)에서는, 변환 행렬 E가 5×9이고, 시험 조건으로서는, 도 6의 하중 5조건과, 도 8의 온도 분포 4조건으로 합계 9조건을 채용하였다.
도 9에 결과를 나타낸다. 도 9에 있어서의 ○는, 교정 시험 (2)을 행한 후의 Fx 계측 오차를 나타낸 것으로, 하중에 대한 계측 오차가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 그 후, 타이어 시험을 행하고, 그 직후에 Fx 계측 오차를 계측하였다. 그 결과를 ●으로 나타내고 있다. ●의 그래프로부터 명백한 바와 같이, 타이어 시험 종료 직후에 정밀도 검증 시험을 한 바, 교정 시험 (2)을 행하고 있으므로, 스핀들 유닛(1) 내에 온도 분포가 존재한 후에도, 하중에 대한 계측 오차가 거의 없는 것을 알 수 있다.
이상 서술한 바와 같이 본 발명에 관한 기술을 사용하면, 스핀들축심 방향을 따라 이격된 위치에 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛(1)에 있어서, 타이어(T)에 작용하는 실하중을 구할 때에 사용하는 변환 행렬 E를 확실하게 교정할 수 있고, 교정된 변환 행렬 E를 사용함으로써, 타이어(T)에 발생하는 병진 하중 및 모멘트를 고정밀도로 산출하는 것이 가능해진다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 나타나고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
예를 들어, 본 실시 형태에서 나타낸 교정식은, 로드 셀(9)로부터의 변형 신호 출력값을 하중이나 모멘트로 환산한 것을 기초로 기술하고 있지만, 실제의 하중 연산에 있어서는, 로드 셀(9)의 변형 신호를 하중이나 모멘트로 변환하는 행렬과, 본 발명에 의한 로드 셀 하중을 타이어 하중으로 변환하는 행렬 E를, 미리 합성하여 하나의 행렬로 해두는 것이 바람직하다. 이에 의해, 로드 셀(9)의 변형 신호로부터 직접 타이어 하중을 계산할 수 있고, 계산 시에 발생하는 자리수 결점 오차를 저감시키는 동시에, 계산 시간의 단축화가 도모된다.
1 : 다분력 계측 스핀들 유닛
2 : 타이어 시험기
3 : 프레임
4 : 스핀들축
5 : 하우징
6 : 베어링부
7 : 이너 슬리브
8 : 아우터 슬리브
9 : 로드 셀
10 : 착력체
11 : 개구
12 : 고정체
13 : 기왜체(빔 부재)
14 : 검지부
51 내지 82 : 변형 게이지
T : 타이어
2 : 타이어 시험기
3 : 프레임
4 : 스핀들축
5 : 하우징
6 : 베어링부
7 : 이너 슬리브
8 : 아우터 슬리브
9 : 로드 셀
10 : 착력체
11 : 개구
12 : 고정체
13 : 기왜체(빔 부재)
14 : 검지부
51 내지 82 : 변형 게이지
T : 타이어
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- 시험용 타이어를 장착 가능한 스핀들축과, 상기 스핀들축이 베어링부를 통해 회전 가능하게 지지되는 하우징과, 상기 스핀들축의 축심 방향을 따라 이격된 위치에 설치되는 동시에 하우징에 고정되고, 또한 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측 가능한 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛을 사용하여, 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬을 사용하여, 상기 타이어에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」을 갖는 타이어 시험 방법에 적용되는 교정 방법이며,
상기 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 상기 변환 행렬을 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있고,
상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능하게 구성되어 있고,
상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 5개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1+fy2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬 E를 작용시킴으로써, 타이어(T)에서 발생하는 실하중(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)으로부터 선정된 n개(n≤5)의 성분의 실하중 벡터를 구하는 것으로 하고,
상기 교정 공정에서는, 5종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터와 온도 변화 중 하나 이상을 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측 하중 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬 E(5×n 행렬 또는 n×5 행렬)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법. - 시험용 타이어를 장착 가능한 스핀들축과, 상기 스핀들축이 베어링부를 통해 회전 가능하게 지지되는 하우징과, 상기 스핀들축의 축심 방향을 따라 이격된 위치에 설치되는 동시에 하우징에 고정되고, 또한 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측 가능한 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛을 사용하여, 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬을 사용하여, 상기 타이어에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」을 갖는 타이어 시험 방법에 적용되는 교정 방법이며,
상기 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 상기 변환 행렬을 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있고,
상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능한 동시에, 적어도 타이어 진행 방향 및 타이어 하중 방향 주위의 모멘트가 계측 가능하게 구성되어 있고,
상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 9개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1+fy2, mx1, mx2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬 E를 작용시킴으로써, 타이어(T)에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고,
상기 교정 공정에서는, 9종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터와 온도 변화 중 하나 이상을 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측 하중 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬 E(9×5 행렬 또는 5×9 행렬)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법. - 시험용 타이어를 장착 가능한 스핀들축과, 상기 스핀들축이 베어링부를 통해 회전 가능하게 지지되는 하우징과, 상기 스핀들축의 축심 방향을 따라 이격된 위치에 설치되는 동시에 하우징에 고정되고, 또한 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측 가능한 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛을 사용하여, 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬을 사용하여, 상기 타이어에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」을 갖는 타이어 시험 방법에 적용되는 교정 방법이며,
상기 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 상기 변환 행렬을 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있고,
상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능한 동시에, 적어도 타이어 진행 방향 및 타이어 하중 방향 주위의 모멘트가 계측 가능하게 구성되어 있고,
상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 10개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1, fy2, mx1, mx2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬 E를 작용시킴으로써, 타이어(T)에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고,
상기 교정 공정에서는, 10종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터와 온도 변화 중 하나 이상을 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측 하중 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬 E(10×5 행렬 또는 5×10 행렬)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법. - 시험용 타이어를 장착 가능한 스핀들축과, 상기 스핀들축이 베어링부를 통해 회전 가능하게 지지되는 하우징과, 상기 스핀들축의 축심 방향을 따라 이격된 위치에 설치되는 동시에 하우징에 고정되고, 또한 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측 가능한 2개의 다분력 계측 센서를 구비한 다분력 계측 스핀들 유닛을 사용하여, 상기 스핀들축에 작용하는 하중을 계측하는 「계측 공정」과, 이 계측 공정에서 얻어진 계측 하중 벡터와 이 계측 하중 벡터에 작용하는 변환 행렬을 사용하여, 상기 타이어에 작용하는 실하중 벡터를 구하는 「산출 공정」을 갖는 타이어 시험 방법에 적용되는 교정 방법이며,
상기 산출 공정에 앞서, 복수의 1차 독립된 시험 조건을 기초로 계측 하중 벡터를 계측하고, 또한 얻어진 계측 하중 벡터를 기초로 상기 변환 행렬을 교정하는 「교정 공정」을 갖고 있고,
상기 2개의 다분력 계측 센서는, 스핀들축에 작용하는 적어도 병진 3자유도의 하중을 계측 가능한 동시에, 적어도 타이어 진행 방향 및 타이어 하중 방향 주위의 모멘트가 계측 가능하게 구성되어 있고,
상기 산출 공정에서는, 2개의 다분력 계측 센서로부터 출력되는 복수의 출력값을 기초로 12개의 성분을 갖는 계측 하중 벡터(fx1, fx2, fz1, fz2, fy1, fy2, mx1, mx2, my1, my2, mz1, mz2)를 선정하고, 선정된 계측 하중 벡터에 변환 행렬 E를 작용시킴으로써, 타이어(T)에서 발생하는 실하중으로부터 선정된 5개의 성분을 갖는 실하중 벡터(Fx, Fy, Fz, Mx, Mz)를 구하는 것으로 하고,
상기 교정 공정에서는, 12종류의 1차 독립된 시험 조건으로 되도록, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터와 온도 변화 중 하나 이상을 다분력 계측 스핀들 유닛에 대해 부여하고, 그 후에 2개의 다분력 계측 센서의 출력값으로부터 상기 계측 하중 벡터를 구하고, 구한 계측 하중 벡터와, 각 성분이 이미 알려진 실하중 벡터를 관계맺는 변환 행렬 E(12×5 행렬 또는 5×12 행렬)를 산출하는 것을 특징으로 하는, 다분력 계측 스핀들 유닛의 교정 방법.
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