KR101396133B1 - Pressure measurement apparatus for whee, that using film type piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
본 발명은 필름형 압전소자를 사용하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 필름형 압전소자를 차륜의 측면에 연속적으로 부착시켜 차륜이 레일에 접촉된 상태로 회전될 때 각각의 필름형 압전소자에서 출력되는 전압에 근거하여 차륜에 작용하는 힘을 측정할 수 있도록 함으로써 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있도록 한다.
본 발명의 장치는, 차륜의 측면에 부착되는 복수 개의 필름형 압전소자; 차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압을 수신하여 저장하는 전압데이터수신기; 압전소자에서 발생되는 전압을 전압데이터수신기로 전달하는 전압전달수단을 갖는다.
본 발명의 방법은, 필름형 압전소자를 차륜의 측면에 연속적으로 부착시켜 차륜이 레일에 접촉된 상태로 회전될 때 각각의 필름형 압전소자에서 출력되는 전압에 근거하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 방법인데 필름형 압전소자는 또 다른 필름형 압전소자에 매우 근접되게 부착시킬 수 있는 것이어서 차륜의 여러 지점에 작용하는 힘을 연속적 측정할 수 있으므로 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a force acting on a wheel using a film-type piezoelectric element.
In the present invention, the film-type piezoelectric element is continuously attached to the side surface of the wheel so that the force acting on the wheel based on the voltage output from each film-type piezoelectric element when the wheel is rotated in contact with the rail can be measured So that more accurate measurement data can be obtained.
An apparatus of the present invention includes: a plurality of film-type piezoelectric elements attached to a side surface of a wheel; A voltage data receiver for receiving and storing a voltage generated in each of the piezoelectric elements when the wheel is rotated; And voltage transmitting means for transmitting a voltage generated in the piezoelectric element to a voltage data receiver.
The method of the present invention measures the force acting on the wheel based on the voltage output from each film-type piezoelectric element when the film-type piezoelectric element is continuously attached to the side surface of the wheel and the wheel is rotated in contact with the rail The film-type piezoelectric element can be closely attached to another film-type piezoelectric element, so that the force acting on various points of the wheel can be continuously measured, so that more accurate measurement data can be obtained.
Description
본 발명은 레일 위를 회전하면서 주행하는 차륜에 작용하는 횡력과 수직력 등을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a lateral force and a vertical force acting on a wheel running on a rail while rotating.
철도차량과 같이 레일 위를 회전하면서 이동하는 차륜에 대한 안전성 평가 등을 위해 차륜에 작용하는 힘을 측정할 필요성이 있다.It is necessary to measure the force acting on the wheel in order to evaluate the safety of the wheel moving on the rail like a railway vehicle.
즉, 차륜의 탈선 등을 방지하는 구조의 안출, 차륜의 성능 측정 및 향상 등을 위해 레일과 접촉상태에 있는 차륜에 작용하는 힘을 측정할 필요성이 있는 것이다. That is, it is necessary to measure the force acting on the wheels in contact with the rails for the purpose of preventing the derailment of the wheels, measuring and improving the performance of the wheels, and the like.
종래에는 차륜의 측면에 소정의 간격으로 스트레인 게이지를 위치시켜 놓고 차륜을 회전시켜 이동시킴으로써 차륜에 작용하는 힘을 측정하고 있었다.Conventionally, a strain gauge is placed at a predetermined interval on the side of a wheel, and the force acting on the wheel is measured by rotating the wheel and moving the wheel.
일본 공개특허공보 특개 2007-331492호 및 일본 공개특허공보 특개 2008-233062호 등에는 스트레인 게이지를 사용하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 기술에 대하여 제시되어 있다.Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-331492 and Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-233062 disclose a technique for measuring a force acting on a wheel using a strain gauge.
그런데 종래와 같이 스트레인 게이지를 사용하는 방식은 차륜의 측면에 스트레인 게이지를 위치시킴에 있어 4개 내지 8개 정도를 위치시킬 수 밖에 없는 구조이기 때문에 연속적인 측정데이터를 얻기 어려운 문제점이 있었다.However, the conventional method using strain gauges has a problem in that it is difficult to obtain continuous measurement data since the strain gauges are located at four or eight positions on the side of the wheel.
즉, 4개의 스트레인 게이지를 위치시키는 경우에는 스트레인 게이지 간에 90°의 간격이 존재하고, 8개의 스트레인 게이지를 위치시키는 경우에는 45°의 간격이 존재한다.That is, when four strain gauges are placed, there is an interval of 90 ° between the strain gauges, and when there are eight strain gauges, there is an interval of 45 °.
따라서 스트레인 게이지 간의 간격이 크고 이와 같이 스트레인 게이지와 스트레인 게이지 사이의 지점에 작용하는 힘은 측정할 수 없었던 것이다.Therefore, the gap between the strain gauges was large, and thus the force acting at the point between the strain gauges and the strain gauges could not be measured.
결과적으로 스트레인 게이지가 부착된 지점이 레일에 수직에 가깝게 위치되는 경우에 스트레인 게이지가 부착된 지점에 작용하는 힘만을 측정할 수 있으므로 연속적인 측정데이터를 얻는 것이 아니라 소정의 간격으로 측정데이터를 얻을 수 있었던 것이다.As a result, when the point where the strain gauge is attached is located close to the vertical to the rail, only the force acting on the point where the strain gauge is attached can be measured. Therefore, instead of obtaining continuous measurement data, It was.
이러한 측정방식은 차륜에 작용하는 힘을 정확하게 측정할 수 없는 문제점을 발생시켰던 것이다.
Such a measurement method has caused a problem that the force acting on the wheel can not be accurately measured.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 회전되는 차륜에 작용하는 힘을 연속적으로 측정하여 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있는 장치 및 방법을 제공하려는데 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide an apparatus and method for continuously measuring a force acting on a wheel to be rotated to obtain more accurate measurement data.
본 발명에서는 필름형 압전소자를 차륜의 측면에 연속적으로 부착시켜 차륜이 레일에 접촉된 상태로 회전될 때 각각의 필름형 압전소자에서 출력되는 전압에 근거하여 차륜에 작용하는 힘을 측정할 수 있도록 함으로써 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있도록 한다.In the present invention, the film-type piezoelectric element is continuously attached to the side surface of the wheel so that the force acting on the wheel based on the voltage output from each film-type piezoelectric element when the wheel is rotated in contact with the rail can be measured So that more accurate measurement data can be obtained.
즉, 본 발명의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 방법은, 필름형 압전소자를 차륜의 측면에 복수 개 부착하고, 차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압 데이터에 근거하여 각각의 필름형 압전소자가 부착된 위치에 작용하는 힘을 산출하여 차륜에 작용하는 힘의 측정데이터를 얻는 방법인 것이다.That is, in the method of measuring the force acting on the wheel of the present invention, a plurality of film type piezoelectric elements are attached to the side surface of the wheel, and based on the voltage data generated by the respective piezoelectric elements upon rotation of the wheels, Type piezoelectric element is calculated, and measurement data of a force acting on the wheel is obtained.
이를 위한 본 발명의 장치는, 차륜의 측면에 부착되는 복수 개의 필름형 압전소자를 갖는다.The apparatus of the present invention for this purpose has a plurality of film-like piezoelectric elements attached to the side surface of the wheel.
또, 차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압을 수신하여 저장하는 전압데이터수신기를 갖는다.In addition, it has a voltage data receiver for receiving and storing a voltage generated in each of the piezoelectric elements when the wheel rotates.
또, 압전소자에서 발생되는 전압을 전압데이터수신기로 전달하는 전압전달수단을 갖는다.
It also has a voltage transmitting means for transmitting a voltage generated in the piezoelectric element to a voltage data receiver.
레일 위를 구르는 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 본 발명의 방법은, 필름형 압전소자를 차륜의 측면에 연속적으로 부착시켜 차륜이 레일에 접촉된 상태로 회전될 때 각각의 필름형 압전소자에서 출력되는 전압에 근거하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 방법인데 필름형 압전소자는 또 다른 필름형 압전소자에 매우 근접되게 부착시킬 수 있는 것이어서 차륜의 여러 지점에 작용하는 힘을 연속적 측정할 수 있으므로 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있다.The method of the present invention for measuring the force acting on a wheel rolling on a rail is characterized in that when the film-type piezoelectric element is continuously attached to the side surface of the wheel and the wheel is rotated in contact with the rail, The film-type piezoelectric element can be attached very close to another film-type piezoelectric element, so that the force acting on various points of the wheel can be continuously measured. Accurate measurement data can be obtained.
이를 위한 본 발명의 장치는 차륜의 측면에 부착되는 복수 개의 필름형 압전소자; 차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압을 수신하여 저장하는 전압데이터수신기; 압전소자에서 발생되는 전압을 전압데이터수신기로 전달하는 전압전달수단;을 포함하여 구성된 형태이어서 차륜에 작용하는 힘을 비교적 정확하게 측정하는데 매우 효과적인 특징이 있다.
To this end, an apparatus of the present invention comprises: a plurality of film-type piezoelectric elements attached to a side surface of a wheel; A voltage data receiver for receiving and storing a voltage generated in each of the piezoelectric elements when the wheel is rotated; And a voltage transmitting means for transmitting a voltage generated in the piezoelectric element to a voltage data receiver. Therefore, there is a very effective feature for relatively accurately measuring the force acting on the wheel.
도 1은 본 발명의 필름형 압전소자를 사용하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치의 전체적인 개략도
도 2는 본 발명의 구성요소인 필름형 압전소자의 부착상태를 설명하기 위한 개략도
도 3은 본 발명의 필름형 압전소자를 사용하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치의 개략적 사시도
도 4는 본 발명의 필름형 압전소자를 사용하여 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치를 설명하기 위한 부분 단면도BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is an overall schematic diagram of an apparatus for measuring the force acting on a wheel using the film-
2 is a schematic view for explaining an attachment state of a film-type piezoelectric element which is a component of the present invention
3 is a schematic perspective view of an apparatus for measuring a force acting on a wheel using the film-type piezoelectric element of the present invention
4 is a partial cross-sectional view for explaining an apparatus for measuring a force acting on a wheel using the film-type piezoelectric element of the present invention
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the technical idea of the present invention will be described more specifically with reference to the accompanying drawings.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.It is to be understood, however, that the appended drawings illustrate only typical embodiments of the present invention and are not to be considered as limiting the scope of the invention.
본 발명은 레일(1) 위에서 회전되는 차륜(2)에 작용하는 힘을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring a force acting on a wheel (2) rotated on a rail (1).
그런데 본 발명은 차륜(2)에 작용하는 힘을 연속적으로 측정하여 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있는 장치 및 방법을 제공하려는 목적을 갖는다.However, the present invention has an object to provide an apparatus and method for continuously measuring the force acting on the
종래기술에서 차륜에 작용하는 힘을 연속적으로 측정하지 못했던 이유는 차륜에 설치되는 스트레인 게이지 간에 상당한 간격이 존재하기 때문에 스트레인 게이지 사이에 작용하는 힘은 측정되지 못하기 때문이었다.The reason why the force acting on the wheel was not continuously measured in the prior art was that the force acting between the strain gauges could not be measured because there was a considerable gap between the strain gauges installed on the wheel.
이러한 문제점 해소를 위해 본 발명에서는, 필름형 압전소자(10)를 차륜의 측면에 복수 개 부착하고, 차륜의 회전시 상기 각각의 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압 데이터에 근거하여 각각의 필름형 압전소자(10)가 부착된 위치에 작용하는 힘을 산출하여 차륜(2)에 작용하는 힘의 측정데이터를 얻는다.In order to solve such a problem, in the present invention, a plurality of film-type
즉, 필름형 압전소자(10)는 또 다른 필름형 압전소자(10)에 매우 근접되게 부착시킬 수 있는 것이므로 차륜의 측면에 필름형 압전소자(10)를 부착시켰을 때 필름형 압전소자(10)가 부착되지 않은 지점이 거의 발생되지 않도록 할 수 있다.That is, since the film-type
이것은 차륜(2)의 여러 지점에 작용하는 힘을 연속적 측정할 수 있는 근거가 되어 더욱 정확한 측정데이터를 얻을 수 있는 것이다.This provides a basis for continuously measuring the force acting on various points of the
필름형 압전소자(10)에서 출력되는 신호가 소정의 전압일 때 이 전압이 어느 정도의 힘에 해당하는지 여부는 보정시험을 통해 얻은 데이터에 근거한다.Whether or not the voltage outputted from the film-type
즉, 보정력부가수단(40)을 통해 차륜에 수직력을 가하되 수직력을 점차 증가시킴으로써 어느 정도의 수직력(뉴튼)을 가했을 때 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압(볼트)의 수치가 얼마인지를 파악하고, 차륜에 횡력을 가하되 횡력(뉴튼)을 서서히 증가시켜 어느 정도의 횡력을 가했을 때 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압(볼트)의 수치가 얼마인지 파악해서 보정데이터를 만드는 것이다.That is, when the normal force is applied to the wheel through the correction
그래프를 통해 설명하면 수직력에 대한 보정계수(Kp)를 얻는 그래프는 다음과 같다. The graph to obtain the correction coefficient (Kp) for the vertical force is as follows.
P(V)= 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압(볼트)P (V) = voltage (volt) output from the film-type
P(N)= 보정력부가수단(40)을 통해 차륜에 가해지는 수직력(뉴튼)
P (N) = normal force applied to the wheel through the correction force adding means 40 (Newton)
또, 횡력에 대한 보정계수(Kq)를 얻는 그래프는 다음과 같다.The graph for obtaining the correction coefficient Kq for the lateral force is as follows.
Q(V)= 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압(볼트)Q (V) = voltage (volt) output from the film-type
Q(N)= 보정력부가수단(40)을 통해 차륜에 가해지는 횡력(뉴튼)
Q (N) = lateral force applied to the wheel through the correction force adding means 40 (Newton)
상기와 같은 절차를 통해 보정데이터가 만들어지면 소정의 차륜에 대한 시험과정에서 소정의 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압(볼트)의 수치를 보정데이터에 대비하여 차륜에 어느 정도의 힘(뉴튼)이 작용하는지를 파악하는 것이다.
When the correction data is generated through the above procedure, the numerical value of the voltage (bolt) outputted from the predetermined film type
본 발명의 측정방법을 실시하기 위한 장치는, 차륜의 측면에 부착되는 복수 개의 필름형 압전소자(10)를 갖는다.An apparatus for carrying out the measuring method of the present invention has a plurality of film-like piezoelectric elements (10) attached to a side surface of a wheel.
또, 차륜의 회전시 각각의 압전소자에서 발생되는 전압을 수신하여 저장하는 전압데이터수신기(20)를 갖는다.Further, it has a
또, 필름형 압전소자(10)에서 발생되는 전압을 전압데이터수신기(20)로 전달하는 전압전달수단(30)을 갖는다.And a voltage transmitting means 30 for transmitting the voltage generated in the film-type piezoelectric transducing
상기 필름형 압전소자(10)는 납, 지르코늄, 티탄산염으로 이루어진 PZT필름을 사용할 수 있다.(현재 개발되고 있는 필름형의 고성능 압전소자는 물론 추후 개발될 수 있는 압전소자도 필름형이라면 적용 가능할 것이다.)The film-type
본 발명에 사용되는 필름형 압전소자(10)는 단위 변형률당 높은 전압을 발생시키는 것이 바람직하다.The film-type
또, 전압의 출력 값이 노이즈 레벨에 비하여 높은 값을 가져야 효과적이다.In addition, it is effective that the output value of the voltage has a higher value than the noise level.
일반적으로는 본 발명의 필름형 압전소자(10)를 차륜(2)의 측면에 부착함에 있어서는 차륜(2)의 측면 중에서도 변형률이 높게 발생되는 지점에 부착하는 바람직하다.In general, when the film-type
이러한 지점을 찾아내는 것은 공지기술 등을 통해서도 가능하다.It is also possible to find such a point through known technologies.
물론, 차륜(2)에 부착되는 필름형 압전소자(10)의 부착 위치는 다양한 목적에 맞게 결정될 수도 있다.Of course, the attachment position of the film-like
본 발명의 구성요소인 전압데이터수신기(20)는 송신되는 전압 등의 신호를 수신 가능한 공지의 다양한 형태로 구현될 수 있다.The
구체적인 예로 설명하면 컴퓨터의 중앙처리장치와 같은 형태 등으로 구현 가능하다.As a concrete example, it can be implemented in the form of a central processing unit of a computer or the like.
전압전달수단(30)은 무선방식과 유선방식으로 구현 가능하다.The voltage transmitting means 30 can be implemented in a wireless manner and a wire method.
무선방식은 출력되는 전압에 대한 데이터를 무선으로 송신하는 무선전송기가 차륜의 측면에 고정되어 있는 형태 등으로 구현 가능하다. The wireless system can be implemented in a form in which a wireless transmitter for wirelessly transmitting data on an output voltage is fixed to a side of a wheel.
그러나 이러한 방식은 차륜(2)의 직경이 작은 경우에는 적용이 어려운 단점이 있다. However, this method is disadvantageous in that it is difficult to apply it when the diameter of the
유선방식의 전압전달수단(30)은 차륜의 회전중심에 위치된 회전축(2a)에 끼워진 슬립링(32)(slip ring) 및 각각의 필름형 압전소자(10)와 슬립링(32)(slip ring)을 연결하는 전선(31)을 갖는 형태로 구현 가능하다. The wire type voltage transmission means 30 includes a
필름형 압전소자(10)가 도 1과 같이 차륜(2)의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 모두 부착된 형태라면 차륜의 한쪽에만 위치된 슬립링(32)에 전선(32)을 연결하기 위해 차륜(2)에 홀(2b)을 형성할 수도 있다.
If the film-type
필름형 압전소자(10)를 차륜(2)에 부착하는 위치에 따라서도 측정데이터의 신뢰성에 차이가 있으나 필름형 압전소자(10)의 부착 형태에 따라서도 측정데이터의 신뢰성에 차이가 있다.There is a difference in reliability of measurement data depending on the position where the film-type
전술한 설명에서 차륜의 변형률이 최대가 되는 지점의 산출은 공지기술을 통해서도 얻을 수 있다고 설명한바 있다.In the above description, it has been described that the calculation of the point at which the strain of the wheel becomes the maximum can be obtained by a known technique.
차륜의 변형률이 최대가 되는 지점에 필름형 압전소자(10)를 부착하더라도 필름형 압전소자(10)를 어떠한 형태로 부착하는지 여부에 따라 출력되는 전압의 수치가 달라지는 것이며, 바람직한 것은 출력되는 전압이 최대가 되도록 하는 것이다.Even if the film-
본 출원의 발명자는 다양한 실험을 통해 필름형 압전소자(10)의 바람직한 부착형태가 도 2의 A와 같은 방사형과 도 2의 B와 같은 경사형이고, 도 2의 C 및 D와 같은 복열방사형도 비교적 바람직하다는 결론을 얻었다.The inventors of the present application have found through various experiments that the preferable mounting form of the film type
도 2의 A에 도시된 방사형 부착상태는 필름형 압전소자(10)의 좌, 우측 끝단면이 차륜(2)의 회전중심에서 외측을 향해 소정의 각도로 연장된 직선(L1)과 일치하도록 연속적으로 부착된 형태이다. The radial attachment state shown in Fig. 2A is such that the left and right end surfaces of the film-like
도 2의 B에 도시된 경사형 부착상태는 필름형 압전소자(10)의 좌, 우측 끝단면이 차륜(2)의 회전중심에서 외측을 향해 소정의 각도로 연장된 직선(L1)에 대해 소정의 각도(θ)로 기울어진 형태를 이루며 연속적으로 부착된 형태이다.The inclined attachment state shown in Fig. 2B is a state in which the left and right end surfaces of the film-like
이때 필름형 압전소자(10)의 좌, 우측 끝단면은 직선이 아니라 첨부도면에서와 같이 곡선일 수 있다.At this time, the left and right end surfaces of the film-
도 2의 C와 D는 도 2의 A와 같이 방사형으로 부착된 필름형 압전소자가 여러 개의 열(크기가 다른 각각의 원주)을 형성하면서 부착된 형태이되 필름형 압전소자의 끝단면이 일치되지 않도록 부착시킨 복열방사형 구조이다.2C and 2D show that the film-type piezoelectric elements attached in a radial fashion as shown in FIG. 2A are attached while forming a plurality of rows (circumferences having different sizes), but the end faces of the film- So that it is a double radial structure.
이러한 구조는 필름형 압전소자의 상단부에서 하단부까지의 높이를 짧게 구현하는 경우에 적합하다. Such a structure is suitable for a case where the height from the upper end portion to the lower end portion of the film type piezoelectric element is shortened.
복열방사형 구조에서 필름형 압전소자 간의 각도는 도 2에서와 같이 30°나 45°가 되도록 하여 원주를 균등하게 분할한 형태가 되도록 하는 것이 좋다.It is preferable that the angle between the film type piezoelectric elements in the double radial type structure is 30 ° or 45 ° as shown in FIG. 2 so that the circumference is evenly divided.
복열방사형 구조는 방사형 구조의 한 종류라 할 수 있다.The double radial structure is a kind of radial structure.
도 2와 같은 구조에서도 필름형 압전소자(10)의 폭이 차륜의 변형률이 최대가 되는 곳의 폭과 일치되도록 하는 것이 바람직하다.2, it is preferable that the width of the film-like
필름형 압전소자(10)의 폭이 너무 크면 전압이 필름형 압전소자(10)의 표면에 고르게 분포하면서 전압의 크기가 줄어들 수 있고, 폭이 너무 작으면 변형률이 큰 부분에 전체적으로 대응하지 못하기 때문이다.
If the width of the film-
전술한 설명에서 보정데이터를 얻기 위해 차륜에 수직력과 횡력을 가하는 것에 대하여 설명하였다. In the above description, the application of the normal force and the lateral force to the wheel for obtaining the correction data has been described.
이를 위한 장치를 본 발명의 장치에 부가할 수 있다.An apparatus for this purpose can be added to the apparatus of the present invention.
즉, 유압실린더 장치 등을 사용하여 차륜에 힘을 작용시키되 차륜 답면에 수직방향으로 작용시켜 차륜에 레일(1)방향으로의 수직력이 작용하는 상태를 구현할 수도 있고, 차륜에 힘을 작용시키되 차륜 플랜지에 횡방향 힘을 작용시켜 레일(1)에 대한 횡방향으로 힘이 작용하는 상태를 구현할 수도 있는 보정력부가수단(40)을 더 구비할 수도 있는 것이다. That is, a force is applied to the wheel by using a hydraulic cylinder device or the like, and a vertical force is exerted on the wheel face in a direction perpendicular to the wheel so that a normal force in the direction of the
수직력이나 횡력의 부가를 위해 힘을 가하는 부분은 유압실린더 등을 갖는 형태로 구현 가능하다.
The portion applying the force for adding the vertical force or the lateral force can be implemented in the form of a hydraulic cylinder or the like.
본 발명의 구성요소인 필름형 압전소자(10)가 차륜의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 모두 부착되도록 하는 것은 차륜에 작용하는 수직력과 횡력을 알아보는데 효과적이라는 결론을 얻었다.It has been concluded that it is effective to determine the vertical force and the lateral force acting on the wheel so that the film-
즉, 필름형 압전소자(10)가 차륜의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 대칭이 되도록 각각 부착되어 있는 상태에서 차륜의 안쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압과 차륜의 바깥쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압이 동일하지 않을 경우 차륜에 작용하는 수직력 P(전압)=(안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 + 바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 얻을 수 있었다.That is, in the state where the film-
또, 차륜에 작용하는 횡력 Q(전압) = (바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 - 안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 얻을 수 있었다. It was also found that the lateral force Q (voltage) acting on the wheel = (the output voltage of the outer film-type piezoelectric element 10 - the output voltage of the inner film-type piezoelectric element 10) / 2.
구체적으로 설명하면, 차륜에는 마주하는 레일(1)을 향하고 있는 안쪽면과 반대방향에 해당하는 바깥쪽면이 있다.More specifically, the wheel has an outer surface which is opposite to the inner surface facing the
또, 차륜의 안쪽면과 바깥쪽면에는 차륜이 레일(1)과 접촉될 때 힘이 가해져 변형률이 발생되는데 안쪽면에 발생되는 변형률과 바깥쪽면에 발생되는 변형률의 크기는 차이가 있다.In addition, a force is applied to the inner and outer surfaces of the wheel when the wheel is brought into contact with the
차륜의 안쪽에 위치된 필름형 압전소자에서 출력되는 전압 Si(V)는 차륜의 안쪽에 발생되는 수직력 + 차륜의 안쪽에 발생되는 횡력에 해당한다.The voltage Si (V) output from the film type piezoelectric element located inside the wheel corresponds to the normal force generated inside the wheel + the lateral force generated inside the wheel.
또, 차륜의 바깥쪽에 위치된 필름형 압전소자(10)에서 출력되는 전압 So(V)는 차륜의 바깥쪽에 발생되는 수직력 + 차륜의 바깥쪽에 발생되는 횡력에 해당한다. The voltage So (V) output from the film-
즉, 아래의 식이 성립하는 것이다.That is, the following equation holds true.
Si(V) = Pi(V) + Qi(V) ................. 식1Si (V) = Pi (V) + Qi (V)
So(V) = Po(V) + Qo(V) ................. 식2So (V) = Po (V) + Qo (V)
Si = 차륜의 안쪽 필름형 압전소자에서 출력되는 전압Si = voltage output from the inner film-type piezoelectric element of the wheel
So = 차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자에서 출력되는 전압So = Voltage output from the outer film type piezoelectric element of the wheel
Pi = 차륜의 안쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 수직력Pi = vertical force affecting the inner film-type piezoelectric element of the wheel
Po = 차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 수직력Po = vertical force affecting the outer film type piezoelectric element of the wheel
Qi = 차륜의 안쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 횡력Qi = lateral force that affects the inner film-type piezoelectric element of the wheel
Qo = 차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 횡력
Qo = lateral force exerted on the outer film type piezoelectric element of the wheel
차륜이 바깥쪽으로 이동하여 차륜에 횡력이 발생되면 상기 Qo(차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자(10)에 영향을 미치는 횡력)은 플러스(+)가 되고, Qi(차륜의 안쪽 필름형 압전소자(10)에 영향을 미치는 횡력)은 마이너스(-)가 된다.When the wheel moves outward and a lateral force is generated on the wheel, the Qo (the lateral force that affects the outer film type
차륜의 안쪽 필름형 압전소자(10)에 영향을 미치는 횡력과 차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자(10)에 영향을 미치는 횡력 사이에는 아래의 식 3과 같은 관계가 있다.The relationship between the lateral force that affects the inner film-
Qo = -b Qi ............ 식3Qo = -b Qi Equation 3
상기 식3과 관련하여 b는 차륜의 안쪽과 바깥쪽 전압의 절대값의 크기 비이며, 횡압의 안쪽과 바깥쪽 신호의 절대값이 같다면 b=1이 된다.In relation to Equation 3, b is the ratio of magnitudes of the absolute values of the inner and outer voltages of the wheel, and b = 1 if the absolute values of the inner and outer signals of the lateral pressure are equal.
또한 차륜의 안쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 수직력과 차륜의 바깥쪽 필름형 압전소자에 영향을 미치는 수직력 사이에는 아래의 식4와 같은 관계가 있다. The relationship between the normal force affecting the inner film-type piezoelectric element of the wheel and the vertical force affecting the outer film-type piezoelectric element of the wheel is as shown in Equation 4 below.
Po = a Pi ............ 식4Po = a Pi Equation 4
상기 식4와 관련하여 a는 차륜의 안쪽과 바깥쪽 신호의 절대값의 크기 비이며, 안쪽과 바깥쪽의 수직력 신호의 절대값 크기가 같다면 a=1이 된다.In relation to Equation 4, a is the magnitude ratio of the absolute values of the inner and outer signals of the wheel, and a = 1 if the absolute values of the inner and outer normal force signals are the same.
상기 식3과 식4의 a와 b는 필름형 압전소자(10)의 부착위치의 차이, 변형률 크기의 차이, 신호전달라인에서의 차이 등에 의해 차이가 발생되지만 보정력부가수단(40)에서 동일한 수직력과 횡력을 작용시키고 그 차이를 측정하여 상기 a와 b를 결정할 수 있다.A and b in the equations (3) and (4) vary depending on the difference in the attachment position of the film-
결과적으로 식1, 식2, 식3, 식4에서 a=b=1이고 수직력 Po=Pi=P(V)라고 하며, 횡압을 Q(V)=Qo=Qi라고 하면 안쪽의 필름형 압전소자의 출력(Si(V))와 바깥쪽 필름형 압전소자의 출력(So(V))를 식5와 식6과 같이 계산할 수 있는 것이다.As a result, if a = b = 1 and a vertical force Po = Pi = P (V) and a lateral pressure is Q (V) = Qo = Qi in
P(V) = (Si(V) + So(V))/2 --------- 식5 P (V) = (Si (V) + So (V)) / 2 -
Q(V) = (So(V) - Si(V))/2 --------- 식6Q (V) = (So (V) - Si (V)) / 2 -
상기 식5와 식6의 P(V)와 Q(V)를 수직력에 대한 보정계수(Kp)와 횡력에 대한 보정계수Q(V)를 활용하여 작용하는 힘 P(N)과 Q(N)의 값을 알 수 있는 것이다.(N) and Q (N) acting on the basis of the correction coefficient Kp for the vertical force and the correction coefficient Q (V) for the lateral force, P (V) and Q Can be known.
상기 식5와 식6과 관련하여 전술한 a와 b는 1이 아닌 경우 식3에서 a와 b를 고려할 수 있다.
If a and b are not 1 in relation to Equations 5 and 6, a and b in Equation 3 can be considered.
전술한 설명의 수식 등에서 표시된 V는 전압의 단위인 볼트를 의미하는 것이고, N은 힘의 단위인 뉴튼을 의미하는 것이다.
V shown in the above-mentioned expressions and the like means VOLTS which is a unit of voltage, and N means Newton which is a unit of force.
1. 레일
2. 차륜
2a. 회전축
2b. 홀
10. 필름형압전소자
20. 전압데이터수신기
30. 전압전달수단
31. 전선
32. 슬립링
40. 보정력부가수단1. Rail
2. Wheel
2a. Rotating shaft
2b. hall
10. Film type piezoelectric element
20. Voltage data receiver
30. Voltage delivery means
31. Wires
32. Slip ring
40. The correction force adding means
Claims (8)
차륜의 측면에 부착되는 복수 개의 필름형 압전소자(10);
차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압을 수신하여 저장하는 전압데이터수신기(20);
상기 필름형 압전소자(10)에서 발생되는 전압을 전압데이터수신기(20)로 전달하는 전압전달수단(30);을 포함하여 구성되며,
상기 필름형 압전소자(10)는 차륜의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 모두 부착되며, 상기 필름형 압전소자(10)가 차륜의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 대칭이 되도록 각각 부착되어 있는 상태에서 차륜의 안쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압과 차륜의 바깥쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압이 동일하지 않을 경우 차륜에 작용하는 수직력 P(전압)=(안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 + 바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 얻고, 차륜에 작용하는 횡력 Q(전압) = (바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 - 안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 차륜에 작용하는 힘의 측정데이터를 얻는, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치.
An apparatus for measuring a force acting on a wheel rotated in contact with a rail (1)
A plurality of film type piezoelectric elements (10) attached to side surfaces of the wheel;
A voltage data receiver (20) for receiving and storing a voltage generated in each of the piezoelectric elements when the wheel is rotated;
And a voltage transmitting means (30) for transmitting a voltage generated in the film type piezoelectric transducer (10) to a voltage data receiver (20)
The film-type piezoelectric element 10 is attached to both the inner side surface and the outer side surface of the wheel, and in a state where the film-type piezoelectric element 10 is attached so as to be symmetrical to the inner side surface and the outer side surface of the wheel, The vertical force P (voltage) acting on the wheel when the voltage generated in the piezoelectric element located on the inner side of the wheel is not equal to the voltage generated in the piezoelectric element located on the outer side of the wheel, (The output voltage of the outer film-type piezoelectric element 10) + 2, and the lateral force Q (voltage) acting on the wheel = The output voltage of the inner film-type piezoelectric element 10) / 2, and obtains the measurement data of the force acting on the wheel by using the film-type piezoelectric element.
상기 전압전달수단(30)은 차륜의 회전중심에 위치된 회전축(2a)에 끼워진 슬립링(32);
상기 각각의 필름형 압전소자(10)와 슬립링(32)을 연결하는 전선;을 갖는, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The voltage transmitting means 30 includes a slip ring 32 fitted to a rotating shaft 2a positioned at a rotational center of the wheel;
And a wire for connecting each of the film-type piezoelectric elements 10 and the slip ring 32. The apparatus for measuring the force acting on the wheel during driving is provided with a film-type piezoelectric element.
상기 필름형 압전소자(10)는 좌, 우측 끝단면이 차륜의 회전중심에서 외측을 향해 소정의 각도로 연장된 직선과 일치하도록 연속적으로 부착되어 방사형의 부착상태를 이루는, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The film-type piezoelectric element 10 is a film-type piezoelectric element that is attached in a radial manner so that the left and right end surfaces thereof are continuously attached so as to coincide with a straight line extending outward at a predetermined angle from the rotation center of the wheel Thereby measuring the force acting on the wheel during running.
상기 필름형 압전소자(10)는 좌, 우측 끝단면이 차륜의 회전중심에서 외측을 향해 소정의 각도로 연장된 직선(L1)에 대해 소정의 각도(θ)로 기울어지면서 곡선을 형성하는 형태를 이루며 연속적으로 부착되어 경사형 부착상태를 이루는, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치.
The method according to claim 1,
The film-type piezoelectric element 10 has a shape in which the left and right end surfaces are curved at a predetermined angle? With respect to a straight line L1 extending at a predetermined angle outward from the center of rotation of the wheel Wherein the film-type piezoelectric element is continuously attached to form an inclined attachment state, and measures the force acting on the wheel during driving.
상기 차륜에 레일(1)방향으로의 수직력이 작용하도록 할 수도 있고, 레일(1)에 대한 횡방향으로의 횡력이 작용하도록 할 수도 있는 보정력부가수단(40)이 더 구비된, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 장치.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
And a correction force applying means (40) which may cause a vertical force in the direction of the rail (1) to act on the wheel and to cause a lateral force in the lateral direction to act on the rail (1) Is used to measure the force acting on the wheel during running.
필름형 압전소자(10)를 차륜의 측면에 복수 개 부착하고, 차륜의 회전시 상기 각각의 압전소자에서 발생되는 전압 데이터에 근거하여 각각의 필름형 압전소자(10)가 부착된 위치에 작용하는 힘을 산출하여 차륜에 작용하는 힘의 측정데이터를 얻되,
상기 필름형 압전소자(10)가 차륜의 안쪽 측면과 바깥쪽 측면에 대칭이 되도록 각각 부착되어 있는 상태에서 차륜의 안쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압과 차륜의 바깥쪽 측면에 위치된 압전소자에서 발생된 전압이 동일하지 않을 경우 차륜에 작용하는 수직력 P(전압)=(안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 + 바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 얻고, 차륜에 작용하는 횡력 Q(전압) = (바깥쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압 - 안쪽 필름형 압전소자(10)의 출력 전압)/2의 계산식을 통해 얻는, 필름형 압전소자를 사용하여 주행중의 차륜에 작용하는 힘을 측정하는 방법.A method of measuring a force acting on a wheel rotated in contact with a rail (1)
A plurality of film-type piezoelectric elements 10 are attached to the side surfaces of the wheels, and on the basis of voltage data generated by the respective piezoelectric elements when the wheels are rotated, they act on positions where the respective film- Calculating a force to obtain measurement data of force acting on the wheel,
The piezoelectric-type piezoelectric transducer 10 is mounted on the inner side surface and the outer side surface of the wheel so as to be symmetrical with respect to each other. The voltage generated in the piezoelectric element located on the inner side surface of the wheel, (The output voltage of the inner film-type piezoelectric element 10 + the output voltage of the outer film-type piezoelectric element 10) / 2 when the voltages generated in the elements are not equal to each other Obtained by the calculation formula of the lateral force Q (voltage) acting on the wheel = (the output voltage of the outer film-type piezoelectric element 10 - the output voltage of the inner film-type piezoelectric element 10) / 2, A method of measuring a force acting on a wheel during driving using a piezoelectric element.
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| JP4549975B2 (en) | 2003-08-19 | 2010-09-22 | 株式会社ブリヂストン | Tire condition estimation method |
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2012
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