KR101507929B1 - 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 - Google Patents

자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저크 및 주파수 분석을 통해서 노이즈 신호를 제거하고 허브 베어링의 고장을 정확하게 모니터링하고 진단할 수 있게 하는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것으로서, 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템에 있어서, 자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 설치될 수 있는 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부;를 포함하고, 상기 고장 진단 제어부는, 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단부; 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출부; 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단부; 및 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력부;를 포함할 수 있다.

Description

자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법{Monitoring system for hub bearing of vehicle and monitoring method}
본 발명은 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저크 및 주파수 분석을 통해서 노이즈 신호를 제거하고 허브 베어링의 고장을 정확하게 모니터링하고 진단할 수 있게 하는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 허브 베어링은, 차량의 바퀴를 회전이 자유롭게 지지하는 것으로서, 만약 허브 베어링이 고장나서 정상적인 기능을 하지 못하면 고속 회전이나 정숙한 회전이 불가능하고, 소음 및 진동 증가, 연비 저하는 물론, 허브 베어링이 소착되거나 구동축이 분리되는 등 나머지 부품들이 연쇄적으로 파손되어 운행이 불가능하거나 자칫 대형 사고를 유발할 수 있다.
이러한 허브 베어링의 고장을 판단하기 위해서, 종래에는 허브 베어링에 가속도 센서를 설치하고, 단순히 측정된 가속도 신호의 크기나 특정 주파수 성분만을 근거로 허브 베어링의 고장을 판단하여 이를 운전자나 관계자에게 자동으로 알려줄 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 장치들이 개발되었다.
그러나, 이러한 종래의 자동차 허브 베어링 모니터링 장치들은, 단순히 측정된 가속도 신호의 크기나 특정 주파수 성분만을 근거로 판단하는 등 노면의 상태나 운전 환경이나 운전 성향 등에 따라 발생될 수 있는 노이즈 신호를 충분히 제거할 수 없어서, 정확한 진단이 어렵고, 판단 결과에 대한 신뢰도가 매우 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함하여, 야기되어지는 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저크 및 주파수 분석을 통해서 각종 노이즈 신호를 제거하고 허브 베어링의 고장을 정확하게 모니터링하고 진단할 수 있으며, 다양한 노면 상태나 운전 환경에서도 판단 결과가 정확하여 제품의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있게 하는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템 및 모니터링 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템은, 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템에 있어서, 자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 설치될 수 있는 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부;를 포함하고, 상기 고장 진단 제어부는, 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단부; 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출부; 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단부; 및 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 가속도 신호 판단부는, 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 회로부; 및 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 회로부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 특성값 산출부는, 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 회로부; 상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 회로부; 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 회로부; 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 회로부; 및 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 고장 판단부는, 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 회로부; 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 회로부; 및 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 회로부;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템은, 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템에 있어서, 자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 설치될 수 있는 가속도 센서; 및 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부;를 포함하고, 상기 고장 진단 제어부는, 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 회로부; 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 회로부; 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 회로부; 상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 회로부; 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 회로부; 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 회로부; 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부; 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 회로부; 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 회로부; 및 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 회로부;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법은, 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 방법에 있어서, 자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 가속도 센서를 설치하는 단계; 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단 단계; 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출 단계; 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단 단계; 및 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 가속도 신호 판단 단계는, 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 단계; 및 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 특성값 산출 단계는, 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 단계; 상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 단계; 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 단계; 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 단계; 및 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 사상에 따르면, 상기 고장 판단 단계는, 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 단계; 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 단계; 및 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법은, 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 방법에 있어서, 자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 가속도 센서를 설치하는 단계; 상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 단계; 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 단계; 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 단계; 상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 단계; 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 단계; 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 단계; 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 단계; 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 단계; 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 단계; 및 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 각종 노이즈 신호를 제거하고 허브 베어링의 고장을 정확하게 모니터링하고 진단할 수 있으며, 다양한 노면 상태나 운전 환경에서도 판단 결과가 정확하여 제품의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템의 고장 진단 제어부를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 가속도 신호 판단부를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 2의 특성값 산출부를 나타내는 블록도이다.
도 5는 도 2의 고장 판단부를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 자동차 허브 베어링 모니터링 방법을 보다 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 1의 가속도 센서에서 측정된 정상 가속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1의 가속도 센서에서 측정된 고장 가속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
도 10은 휠 속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 8의 정상 가속도 신호와, 도 9의 고장 가속도 신호를 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호로 각각 변환하여 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 11의 저크 신호의 절대값을 산출하고, 옵셋을 제거하여 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 12의 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 주파수에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템(100)을 나타내는 개념도이고, 도 2는 도 1의 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템(100)의 고장 진단 제어부(10)를 나타내는 블록도이고, 도 3은 도 2의 가속도 신호 판단부(11)를 나타내는 블록도이고, 도 4는 도 2의 특성값 산출부(12)를 나타내는 블록도이고, 도 5는 도 2의 고장 판단부(13)를 나타내는 블록도이다.
먼저, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템(100)은, 자동차 허브 베어링(1)의 고장을 진단할 수 있는 시스템으로서, 크게 자동차의 허브 베어링(1)의 외륜(1-1) 또는 너클(2)에 설치될 수 있는 가속도 센서(S) 및 상기 가속도 센서(S)에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부(10)를 포함할 수 있다.
여기서, 자동차의 상기 허브 베어링(1)은, 매우 다양한 형태의 차축에 설치될 수 있으나, 예를 들어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 차축(5)에 킹핀(4)으로 연결된 너클(2)의 일부분에 회전 지지될 수 있도록 설치될 수 있다.
이외에도 상기 자동차의 허브 베어링(1)은 매우 다양한 형태의 조향 장치 또는 현가 장치에 연결되어 설치되는 것이 가능하다.
또한, 상기 가속도 센서(S)는 상기 허브 베어링(1)의 고장시, 그 영향력이 가장 크게 미칠 수 있는 상기 허브 베어링(1) 또는 상기 허브 베어링(1)의 주변에 설치될 수 있는 것이다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고장 진단 제어부(10)는, 예를 들어서, 상기 가속도 센서(S)에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단부(11)와, 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출부(12)와, 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단부(13) 및 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고등(21), 경고 스피커(22), 경고 표시부(23) 등의 경고 장치(20)에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력부(14)를 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템(100)은, 상기 고장 진단 제어부(10)를 이용하여, 상기 가속도 센서(S)에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하고, 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하며, 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하고, 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고등(21), 경고 스피커(22), 경고 표시부(23) 등의 경고 장치(20)에 경고 신호를 출력하는 일련의 과정을 수행할 수 있다.
더욱 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 가속도 신호 판단부(11)는, 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 회로부(11-1) 및 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 회로부(11-2)를 포함할 수 있다.
또한, 더욱 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 특성값 산출부(12)는, 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 회로부(12-1)와, 상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 회로부(12-2)와, 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 회로부(12-3)와, 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 회로부(12-4) 및 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부(12-5)를 포함할 수 있다.
또한, 더욱 구체적으로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 고장 판단부(13)는, 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 회로부(13-1)와, 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 회로부(13-2) 및 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 회로부(13-3)를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 도 6의 자동차 허브 베어링 모니터링 방법을 보다 상세하게 나타내는 순서도이고, 도 8은 도 1의 가속도 센서(S)에서 측정된 정상 가속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이고, 도 9는 도 1의 가속도 센서(S)에서 측정된 고장 가속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이고, 도 10은 휠 속도 신호를 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이고, 도 11은 도 8의 정상 가속도 신호와, 도 9의 고장 가속도 신호를 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호로 각각 변환하여 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이고, 도 12는 도 11의 저크 신호의 절대값을 산출하고, 옵셋을 제거하여 시간에 따라 예시하여 나타내는 그래프이고, 도 13은 도 12의 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 주파수에 따라 예시하여 나타내는 그래프이다.
상술된 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템(100)을 이용하여 자동차 허브 베어링(1)의 고장을 모니터링 하는 방법을 보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 자동차의 허브 베어링(1)의 외륜(1-1) 또는 너클(2)에 가속도 센서(S)를 설치하는 단계(S1)와, 상기 가속도 센서(S)에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단 단계(S2)와, 선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출 단계(S3)와, 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단 단계(S4) 및 산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력 단계(S5)를 포함할 수 있다.
이러한 본 발명의 일부 실시예들에 따른 자동차 허브 베어링 모니터링 방법을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 도 7에 도시된 바와 같이, 자동차의 도 1의 허브 베어링(1)의 외륜(1-1) 또는 너클(2)에 가속도 센서(S)를 설치할 수 있고(S1), 이어서, 측정된 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)을 구하고, 그 값이 기준치 보다 작은 지를 판단할 수 있다(S21).
예를 들어서, 측정된 가속도 신호의 RMS가 기준치인 1g(중력가속도) 보다 작으면 포장된 노면으로 판단하고 다음 단계로 넘어 갈 수 있다.
이어서, 자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단할 수 있다(S22).
예를 들어서, 별도의 자동차 속도 센서나 휠 속도 센서에서 측정된 값이 최저 기준치인 시속 40 km 보다 크고, 최고 기준치인 시속 120 km 보다 작으면 다음 단계로 넘어 갈 수 있다.
이어서, 허브 베어링의 고장에 의한 임팩트 신호를 노이즈 신호 보다 증폭하기 위해서 측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출할 수 있다(S31).
예를 들어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 허브 베어링이 정상일 경우, 시간에 따라 중력 가속도(g) 단위로 정상 가속도 신호를 그래프로 나타내고, 도 9에 도시된 바와 같이, 허브 베어링의 외륜에 의도적으로 흠집을 내서 시간에 따라 중력 가속도 단위로 고장 가속도 신호를 그래프로 나타내고, 각각의 저크 신호를 산출하여 그래프로 중복하여 도 11에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.
이어서, 음의 신호를 양의 값으로 바꾸어 임팩트 신호 주변의 에너지 밀도를 높이기 위해서 상기 저크 신호의 절대값을 산출할 수 있다(S32).
이어서, 계산의 편의를 위해서 상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출할 수 있다(S33).
예를 들어서, 도 11의 저크 신호의 절대값을 산출하고, 옵셋을 제거하면 도 12에 도시된 바와 같은 그래프로 나타낼 수 있다.
이어서, 상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼(power spectrum)을 산출할 수 있다(S34).
예를 들어서, 도 12의 절대값 및 옵셋 제거값의 주파수별 특성을 나타내는 파워 스펙트럼 값을 산출하면, 도 13에 도시된 바와 같은 그래프를 얻을 수 있다.
이어서, 상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출할 수 있다(S35).
예를 들어서, 도 13에 도시된 바와 같이, 이론적인 허브 베어링 고장 주파수 영역에서 3 헤르쯔 이하 내지 이상의 영역에서 파워스펙트럼의 최대값은, 고장 가속도 신호인 경우에, 점선으로 표시된 바와 같이, 47 헤르쯔(Hz) 부근에서 최대치를 형성하는 것을 알 수 있다.
결과적으로, 이미 알려진 이론적인 허브 베어링의 고장 주파수를 구하면, 시속 80 km로 주행할 때, 허브 베어링의 외륜이 47 헤르쯔이고, 내륜이 71 헤르쯔로 계산되고, 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 알고리즘을 이용한 신호 처리 결과도 47 헤르쯔에서 최대값이 추출되는 것으로 일치하여 본 발명의 알고리즘의 정확도가 증명되는 것을 확인할 수 있었다.
여기서, 이론적인 허브 베어링의 고장 주파수는 다음 식으로 계산할 수 있다.
Figure 112013080298814-pat00001
,
Figure 112013080298814-pat00002
n은 고장수, z는 볼수, fr은 회전주파수, 도5와 같이 d는 볼직경, D는 볼피치, α는 접촉각을 나타낼 수 있다.
이어서, 이렇게 산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출할 수 있다(S41).
이어서, 정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단할 수 있다(S42).
예를 들어서, 기준 단위인 10초만큼의 이동 평균값을 계산하여 계산된 평균값이 정상 이동 평균값인 100g2 대비 비교 기준치인 2배 이상이면 다음 단계로 넘어갈 수 있다.
이어서, 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단할 수 있다(S43).
예를 들어서, 비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간인 20초 이상 연속되었을 경우에 이어서, 상술된 경고 장치(20)에 경고 신호를 출력할 수 있다(S5).
그러므로, 상술된 바와 같이, 저크 및 각종 주파수 분석을 통해서 다양한 노이즈 신호를 제거하고 허브 베어링의 고장을 정확하게 모니터링하고 진단할 수 있으며, 다양한 노면 상태나 운전 환경에서도 판단 결과가 정확하여 제품의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 허브 베어링
1-1: 외륜
1-2: 내륜
2: 너클
3: 허브
4: 킹핀
5: 차축
S: 가속도 센서
10: 고장 진단 제어부
11: 가속도 신호 판단부
11-1: 가속도 RMS 판단 회로부
11-2: 차속 판단 회로부
12: 특성값 산출부
12-1: 저크 산출 회로부
12-2: 절대값 산출 회로부
12-3: 옵셋 제거 회로부
12-4: 파워 스펙트럼 산출 회로부
12-5: 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부
13: 고장 판단부
13-1: 이동 평균값 산출 회로부
13-2: 비교 판단 회로부
13-3: 반복 판단 회로부
14: 경고 신호 출력부
20: 경고 장치
21: 경고등
22: 경고 스피커
23: 경고 표시부
100: 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템
S1: 가속도 센서 설치 단계
S2: 가속도 신호 판단 단계
S3: 특성값 산출 단계
S4: 고장 판단 단계
S5: 경고 신호 출력 단계
S21: 가속도 RMS 판단 단계
S22: 차속 판단 단계
S31: 저크 산출 단계
S32: 절대값 산출 단계
S33: 옵셋 제거 단계
S34: 파워 스펙트럼 산출 단계
S35: 파워 스펙트럼 최대값 산출 단계
S41: 이동 평균값 산출 단계
S42: 비교 판단 단계
S43: 반복 판단 단계

Claims (10)

  1. 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템에 있어서,
    자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 설치될 수 있는 가속도 센서; 및
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부;를 포함하고,
    상기 고장 진단 제어부는,
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단부;
    선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출부;
    산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단부; 및
    산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력부;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가속도 신호 판단부는,
    가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 회로부; 및
    자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 회로부;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 특성값 산출부는,
    측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 회로부;
    상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 회로부;
    상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 회로부;
    상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 회로부; 및
    상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고장 판단부는,
    산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 회로부;
    정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 회로부; 및
    비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 회로부;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템.
  5. 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템에 있어서,
    자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 설치될 수 있는 가속도 센서; 및
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 진단하여 경고 신호를 출력하는 고장 진단 제어부;를 포함하고,
    상기 고장 진단 제어부는,
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 회로부;
    자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 회로부;
    측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 회로부;
    상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 회로부;
    상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 회로부;
    상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 회로부;
    상기 파워 스펙트럼의 최대값을 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 회로부;
    산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 회로부;
    정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 회로부; 및
    비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 회로부;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 시스템.
  6. 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 방법에 있어서,
    자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 가속도 센서를 설치하는 단계;
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호가 선택 기준에 맞는 지를 판단하는 가속도 신호 판단 단계;
    선택 기준에 맞는 가속도 신호를 변환하여 고장시 특성을 나타낼 수 있는 특성값을 산출하는 특성값 산출 단계;
    산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 지를 판단하는 고장 판단 단계; 및
    산출된 특성값이 고장 기준에 맞는 경우, 경고 장치에 경고 신호를 출력하는 경고 신호 출력 단계;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가속도 신호 판단 단계는,
    가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 단계; 및
    자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 단계;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 특성값 산출 단계는,
    측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 단계;
    상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 단계;
    상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 단계;
    상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 단계; 및
    상기 파워 스펙트럼의 최대값을 상기 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 단계;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 고장 판단 단계는,
    산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 단계;
    정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 단계; 및
    비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 단계;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 방법.
  10. 자동차 허브 베어링의 고장을 진단할 수 있는 자동차 허브 베어링 모니터링 방법에 있어서,
    자동차의 허브 베어링의 외륜 또는 너클에 가속도 센서를 설치하는 단계;
    상기 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호의 제곱 평균 제곱근(RMS: Root Mean Square)이 기준치 보다 작은 지를 판단하는 가속도 RMS 판단 단계;
    자동차의 속도 또는 휠의 속도가 최저 기준치 보다 크고, 최고 기준치 보다 작은 지를 판단하는 차속 판단 단계;
    측정된 가속도 신호의 시간에 따른 가속도 변화율인 저크 신호를 산출하는 저크 산출 단계;
    상기 저크 신호의 절대값을 산출하는 절대값 산출 단계;
    상기 절대값의 평균값을 낮추는 옵셋 제거값을 산출하는 옵셋 제거 단계;
    상기 옵셋 제거값의 파워 스펙트럼을 산출하는 파워 스펙트럼 산출 단계;
    상기 파워 스펙트럼의 최대값을 특성값으로 산출하는 파워 스펙트럼 최대값 산출 단계;
    산출된 특성값의 기준 단위만큼의 이동 평균값을 산출 이동 평균값으로 산출하는 이동 평균값 산출 단계;
    정상 이동 평균값 대비 상기 산출 이동 평균값이 비교 기준치 이상인 지를 판단하는 비교 판단 단계; 및
    비교 기준치 이상의 신호가 반복기준시간 이상 연속되는 지를 판단하는 반복 판단 단계;
    를 포함하는, 자동차 허브 베어링 모니터링 방법.
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