KR102067197B1 - 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법 - Google Patents

주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타이어 패턴소음 예측 방법에 관한 것으로, 타이어에 형성될 피치의 형상을 생성하는 제10단계(S10)와; 상기 피치의 배열을 생성하는 제20단계(S20)와; 상기 배열된 피치를 통하여 패턴 전체의 형상을 생성하는 제30단계(S30)와; 타이어 패턴의 깊이를 표현하는 그레이 스캐일(Gray Scale)을 적용하는 제40단계(S40)와; 접지 선단부 형상을 이용하여 패턴 전체의 형상을 스캐닝하는 제50단계(S50)와; 스캐닝 데이터를 이용하여 패턴 리브별 소음파형을 생성하는 제60단계(S60)와; 패턴 리브별 소음파형을 FFT 변환을 통하여 주파수 해석하는 제70단계(S70)와; 패턴 리브별 주파수 데이터를 합성하는 제80단계(S80)와; 합성된 전체 리브 주파수 결과를 이용하여 소음의 크기를 평가 및 예측하는 제90단계(S90)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 개발 초기 타이어 패턴소음 평가를 통해 개발 시간 단축 및 신호정보 합성하는 과정에서 발생하게 되는 정보 소실현상 개선되는 것은 물론 각 리브를 각각 스캐닝 작업을 하고 주파수 분석을 한 다음 각 리브 소음파형을 합성하기 때문에 신호가 왜곡되고 소실되는 현상을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법{Tire Pattern Noise Prediction Method Using Frequency Domain Analysis}
본 발명은 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패턴정보(피치형상, 피치 배열)를 이용하여 패턴 전체의 형상을 생성하고 스캐닝을 통해 소음파형을 도출한다. 소음파형의 신호왜곡 및 소실을 줄이기 위하여 패턴 리브별 소음파형에 대해 FFT 변환 후 패턴 리브별 주파수 데이터를 합성함으로써 보다 정확하고 신뢰성 높은 타이어 패턴소음 예측 방법에 관한 것이다.
일반적으로 타이어는 도로 노면과 직접 접촉하는 부분인 트레드 부와 차량의 하중을 지지하는 부분인 사이드월 부로 이루어져 있다.
이 중 트레드는 접지력, 견인력, 배수 등 타이어 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 타이어 성능을 향상시키기 위하여 트레드 표면에 요철을 적용하여 트레드 무늬를 만들게 되는데 이것을 타이어 패턴이라고 한다. 이 패턴에서 지면과 접촉하는 볼록한 부분을 타이어 블럭이라고 하고 지면과 닿지 않는 오목한 부분을 타이어 그루브라고 한다.
타이어 성능을 향상시키기 위해 트레드에 요철을 적용하여 패턴을 형성하게 되나 이 패턴 형상에 의하여 패턴소음이 만들어 지게 된다. 타이어 블럭이 차량 주행중 지면과 접지하게 되면 충격력이 발생하게 되고 그 충격력에 의해 소음이 발생하게 된다. 타이어 블럭의 갯수, 크기, 배열 등에 의해 타이어 패턴소음은 달라지게 된다.
따라서 저소음 타이어 개발을 위하여 타이어 트레드 패턴 형상을 이용한 패턴소음 예측에 관한 연구는 지속적으로 추진되고 있는 중이다.
상기한 바와 같이 저소음 타이어를 개발하기 위해 소음을 예측하기 위한 선행문헌으로 한국 등록특허 제10-1694905호(2017.01.10. 공고)의 "타이어 소음 예측 방법"은 타이어에 형성될 피치의 형상을 생성하는 단계; 상기 피치의 배열을 생성하는 단계; 상기 배열된 피치를 통하여 패턴 전체의 형상을 생성하는 단계; 상기 패턴이 형성된 타이어와 지면의 접지된 부분 중 선단부를 스캐닝하는 단계; 실제로 형성되는 단일 피치를 형성하는 단계; 상기 스캐닝된 선단부의 소음 파형과, 실제로 형성되는 단일 피치의 소음 파형을 합성하는 단계; 및 상기 합성된 각 소음들의 주파수를 해석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 선행문헌은 패턴 전체의 형상에서 발생되는 소음과, 단일 피치에서 발생되는 소음을 합성하게 되면, 실제 타이어에서 발생되는 소음을 더 정확하게 예측할 수 있어 양질의 타이어 생산에 기여할 수 있는 효과가 있다.
그러나 실제 소음 측정시 타이어 패턴 피치 수와 1차 오더(또는 차수)는 동일하고 1차 오더의 소음 레벨이 2차, 3차에 비하여 더 크다. 하지만 패턴소음 시뮬레이션 중 소음신호 합성과정에서 신호간 역위상으로 인하여 소음신호가 왜곡되고 1차 오더가 소실하는 현상이 발생하여 정확한 소음을 예측하기가 곤란한 문제점이 있다.
또한, 상기의 선행문헌은 타이어 패턴소음 예측을 위하여 타이어 형상과 타이어 노면 접지형상의 리딩 엣지부 이용하여 소음파형을 생성하고, 생성한 파형을 이용하여 주파수 분석을 통해 패턴소음을 예측하게 되는데, 전체 리브를 동시에 스캐닝 작업을 통해 소음파형을 생성하므로 각 리브간 역위상이 발생하여 신호가 소실 혹은 왜곡되는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제10-1694905호(2017.01.10. 공고)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 패턴정보(피치형상, 피치 배열)를 이용하여 패턴 전체의 형상을 생성하고 스캐닝을 통해 소음파형을 도출하고, 소음파형의 신호왜곡 및 소실을 줄이기 위하여 패턴 리브별 소음파형에 대해 FFT 변환 후 패턴 리브별 주파수 데이터를 합성함으로써 보다 정확하고 신뢰성 높은 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로,
타이어에 형성될 피치의 형상을 생성하는 제10단계(S10)와; 상기 피치의 배열을 생성하는 제20단계(S20)와; 상기 배열된 피치를 통하여 패턴 전체의 형상을 생성하는 제30단계(S30)와; 타이어 패턴의 깊이를 표현하는 그레이 스캐일(Gray Scale)을 적용하는 제40단계(S40)와; 접지 선단부 형상을 이용하여 패턴 전체의 형상을 스캐닝하는 제50단계(S50)와; 스캐닝 데이터를 이용하여 패턴 리브별 소음파형을 생성하는 제60단계(S60)와; 패턴 리브별 소음파형을 FFT 변환을 통하여 주파수 해석하는 제70단계(S70)와; 패턴 리브별 주파수 데이터를 합성하는 제80단계(S80)와; 합성된 전체 리브 주파수 결과를 이용하여 소음의 크기를 평가 및 예측하는 제90단계(S90)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법을 제공한다.
본 발명의 제60단계(S60)는, 타이어의 패턴 리브(20)별 소음파형을 생성하기 위하여 타이어 접지부의 리딩 엣지를 이용하여 타이어(10) 전체 패턴을 스캐닝한 데이터를 가공하여 각 타이어의 패턴 리브(20)별 소음파형을 만드는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제70단계(S70)는, 타이어의 패턴 리브별 소음파형에 대한 소음 주기 신호 분석을 위해 FFT를 통해 주파수 해석하고, 상기 FFT의 분석을 통하여 각 리브별 소음파형의 위상정보를 제거하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제80단계(S80)는, 타이어 패턴소음의 전체 주파수 도출을 위하여 제70단계에서 도출한 각 리브별 주파수를 합성하고, 각 리브별 주파수들의 합을 통하여 전체 타이어의 패턴 주파수를 도출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 개발 초기 타이어 패턴소음 평가를 통해 개발 시간 단축 및 신호정보 합성하는 과정에서 발생하게 되는 정보 소실현상 개선되는 효과가 있다.
본 발명은 각 리브를 각각 스캐닝 작업을 하고 주파수 분석을 한 다음 각 리브 소음파형을 합성하기 때문에 신호가 왜곡되고 소실되는 현상을 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실제 타이어에서 발생되는 소음을 신뢰성 높게 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법의 과정을 나타낸 순서도이고,
도 2는 타이어 패턴 접지 형상 및 리딩 엣지를 나타낸 도면이며,
도 3은 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법에 의해 신호처리가 개선된 상태를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법에 의해 패턴소음 예측 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양하게 응용할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려고 하는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법을 첨부된 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 발명의 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법은 기존에 전체 타이어(10) 패턴을 동시에 스캐닝 작업을 통해 소음파형을 생성하여 각 리브(20) 간 역위상으로 인해 신호가 소실 혹은 왜곡되는 문제점에 대하여 각 리브(20)의 소음파형을 생성한 후 FFT(Fast Fourier Transform)를 통한 주파수 분석을 하고, 각 리브(20)의 주파수 결과를 다시 합해 주는 합성을 통하여 패턴소음을 예측하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 패턴정보(피치형상, 피치 배열)를 이용하여 패턴 전체의 형상을 생성하고 스캐닝을 통해 소음파형을 도출하고, 소음파형의 신호왜곡 및 소실을 줄이기 위하여 패턴 리브(20)별 소음파형에 대해 FFT(Fast Fourier Transform) 변환 후 패턴 리브(20)별 주파수 데이터를 합성함으로써 보다 정확하고 신뢰성 높일 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 특징으로 이루어지는 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법을 도 1 내지 4를 참조하여 설명한다.
도 1 내지 4를 참조하여 상세하게 설명하면, 본 발명에 의한 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법은 타이어(10)에 형성될 피치의 형상을 생성하는 제10단계(S10)와, 상기 피치의 배열을 생성하는 제20단계(S20)와, 상기 배열된 피치를 통하여 패턴 전체의 형상을 생성하는 제30단계(S30)와, 타이어 패턴 깊이를 표현하기 위해 적용된 방법인 그래이 스케일(Gray Scale)을 하는 제40단계(S40)와, 패턴 접지 선단부 형상을 이용하여 패턴 전체의 형상을 스캐닝하는 제50단계(S50)와, 스캐닝 데이터를 이용하여 패턴 리브(20)별 소음파형을 생성하는 제60단계(S60)와, 패턴 리브(20)별 소음파형을 FFT 변환을 통하여 주파수 해석하는 제70단계(S70)와, 패턴 리브(20)별 주파수 데이터를 합성하는 제80단계(S80)와, 합성된 전체 리브(20) 주파수 결과를 이용하여 소음의 크기를 평가 및 예측하는 제90단계(S90)를 통해 타이어(10) 패턴 소음을 예측할 수 있도록 한다.
상기 단계별 과정을 통해 실제 타이어(10)를 제작하기에 앞서 타이어(10)의 소음을 예측하기 위한 타이어 패턴에 따른 소음의 시뮬레이션하는 과정을 설명한다.
타이어(10)의 패턴은 하나의 피치 형상을 반복적으로 배열하여 전체 원주에 대한 패턴을 만든다. 타이어(10)의 패턴 피치는 톱니 바퀴와 유사하게 소음을 발생시킨다. 톱니바퀴가 회전할때 톱니가 맞물리면 진동과 소음이 발생하게 되는데 동일하게 타이어(10) 패턴 피치가 지면에 닿으면 진동과 소음이 발생한다.
타이어(10)의 패턴이 70개의 피치로 이루어져 있다면 타이어(10)가 1회전 할 때 피치로 인해 발생하는 소음 및 진동은 총 70회이다. 이와 같은 1회전당 발생하는 이벤트수를 오더(Order(차수))라고 하고 70 오더(Order) 기준으로 140 Order, 210 오더(Order)와 같이 2배, 3배 되는 성분들을 배수 성분이라고 한다.
실제 소음 측정시 타이어(10)의 패턴 피치 수와 1차 오더(Order)는 동일하고 1차 오더(Order)의 소음 레벨이 2차, 3차에 비하여 더 크다. 하지만 패턴소음 시뮬레이션 중 소음신호 합성과정에서 신호간 역위상으로 인하여 소음신호가 왜곡되고 1차 오더(Order)가 소실하는 현상이 발생한다. 이러한 신호 왜곡 및 소실현상을 개선하기 위하여 다음과 같은 과정을 수행한다.
상기 제10단계(S10) 및 상기 제20단계(S20)와 같이 타이어(10)에 형성할 피치를 형성하고, 형성된 피치 배열을 생성하는 과정을 수행한다.
본 발명의 제10단계(S10)는, 타이어(10)의 패턴 전체 형상을 만들기 위해 하나의 기본 형상인 단위 피치 형상을 만드는 작업이다. 타이어(10)의 패턴 전체 형상은 여러개의 단위 피치 형상을 타이어(10) 원주방향으로 연결하여 전체 타이어(10) 패턴 형상을 만든다. 타이어(100 전체 패턴 형상을 만들기 위한 단위 패턴 형상을 타이어 피치 형상이라고 한다.
그리고 제20단계는, 피치 형상을 배열하는 단계이다. 상기 타이어(10)의 패턴 제작시 단위 피치 형상을 일정하게 배열하지 않는다. 에너지 분산을 목적으로 단위 피치 형상 크기를 일정한 비율로 증감하여 단위 피치를 배열한다.
상기 제30단계(S30)는 여러 개의 단위 피치 형상의 배열을 통해 전체 타이어(10) 패턴 형상을 생성한다.
상기 제40단계(S40)은 패턴 깊이를 구현하는 과정으로 이미지 컬러 타입(Color Type)인 그래이 스케일(Gray Scale)을 이용하여 패턴의 그르부 및 사이프의 깊이를 표현한다. 상기 그래이 스케일은 타이어 패턴의 깊이를 픽셀(Pixel) 값 0에서 255 수치로 표현하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제50단계(S50)는 패턴의 접지부 리딩 엣지를 이용하여 타이어 패턴 형상의 정보를 스캐닝하는 과정이다.
타이어(10)가 회전하면 접지부 리딩 엣지(30)에서 타이어(10) 블록과 노면이 부딪치고 소음이 발생한다.
상기의 접지부 리딩 엣지(30)를 이용하여 타이어(10) 패턴 형상의 정보를 스캐닝하면, 타이어(10)와 노면이 부딪쳐 발생하는 소음을 묘사한다.
상기 제60단계(S60)는 타이어(10)의 패턴 리브(20)별 소음파형을 생성하는 단계이다. 상기 타이어(10) 접지부의 리딩 엣지(30)를 이용하여 타이어(10) 전체 패턴을 스캐닝한 데이터를 가공하여 각 타이어(10)의 패턴 리브(20)별 소음파형을 만든다.
상기 제70단계(S70)는 타이어(10)의 패턴 리브별 소음파형에 대한 소음 주기 신호 분석을 위해 FFT를 통해 주파수 해석을 한다. 상기 FFT의 분석을 통하여 각 리브(20)별 소음파형의 위상정보를 제거한다.
상기 제80단계(S80)는 타이어(10) 패턴소음의 전체 주파수 도출을 위하여 제70단계에서 도출한 각 리브(20)별 주파수를 합성한다. 각 리브(20)별 주파수들의 합을 통하여 전체 타이어(10)의 패턴 주파수를 도출한다.
상기 제90단계(S90)는 합성된 전체 주파수를 통해서 패턴의 소음 크기를 평가 및 예측한다.
상기에서 설명한 바와 같이 타이어(10) 패턴 소음 예측을 위하여 타이어 형상과 타이어(10) 노면 접지 형상의 리딩 엣지(Leading Edge)(30)부를 이용하여 소음파형을 생성하고, 주파수 분석을 통해 패턴 소음을 예측한다.
기존방법으로 소음 예측시, 전체 리브(20)를 동시에 스캐닝 작업을 하여 소음파형을 생성하기 때문에 각 리브들의 위상정보로 인해 신호가 소실되거나 왜곡되는 현상이 발생한다.
이를 개선을 하기 위하여 각 리브(20)에 각각의 스캐닝 작업을 통하여 각 리브(20)의 소음파형을 생성한 후, 각 리브(20)의 소음파형에 대하여 주파수 분석을 하게 되면, 각 리브(20)의 위상정보는 제거된다.
그리고 각각의 리브(20) 주파수 신호들을 수학적으로 전체 합하여 패턴 소음을 예측할 수 있도록 한다. 이때 신호가 왜곡되고 소실되는 현상이 방지되어 패턴소음을 예측할 수 있다.
그리고 개발 초기 타이어(10) 패턴소음 평가를 통해 개발 시간 단축 및 신호정보 합성하는 과정에서 발생하게 되는 정보 소실현상이 개선할 수 있다.
본 발명은 실제 타이어에서 발생되는 소음에 대하여 신뢰성이 높게 예측할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 타이어
20: 리브
30: 리딩 엣지(Leading Edge)

Claims (4)

  1. 타이어(10) 패턴소음 예측 방법에 있어서,
    타이어(10)에 형성될 피치의 형상을 생성하는 제10단계(S10)와;
    피치의 배열을 생성하는 제20단계(S20)와;
    배열된 피치를 통하여 패턴 전체의 형상을 생성하는 제30단계(S30)와;
    타이어(10) 패턴의 깊이를 표현하는 그레이 스캐일(Gray Scale)을 적용하는 제40단계(S40)와;
    접지 선단부 형상을 이용하여 패턴 전체의 형상을 스캐닝하는 제50단계(S50)와;
    스캐닝 데이터를 이용하여 패턴 리브(20)별 소음파형을 생성하는 제60단계(S60)와;
    패턴 리브(20)별 소음파형을 FFT 변환을 통하여 주파수 해석하는 제70단계(S70)와;
    패턴 리브(20)별 주파수 데이터를 합성하는 제80단계(S80)와;
    합성된 전체 리브 주파수 결과를 이용하여 소음의 크기를 평가 및 예측하는 제90단계(S90);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제60단계(S60)는,
    타이어(10)의 패턴 리브(20)별 소음파형을 생성하기 위하여 타이어(10) 접지부의 리딩 엣지(30)를 이용하여 타이어(10) 전체 패턴을 스캐닝한 데이터를 가공하여 각 타이어(10)의 패턴 리브(20)별 소음파형을 만드는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제70단계(S70)는,
    타이어(10)의 패턴 리브별 소음파형에 대한 소음 주기 신호 분석을 위해 FFT를 통해 주파수 해석하고, 상기 FFT의 분석을 통하여 각 리브(20)별 소음파형의 위상정보를 제거하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제80단계(S80)는,
    타이어(10) 패턴소음의 전체 주파수 도출을 위하여 제70단계에서 도출한 각 리브(20)별 주파수를 합성하고, 각 리브(20)별 주파수들의 합을 통하여 전체 타이어(10)의 패턴 주파수를 도출하는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 분석을 이용한 타이어 패턴소음 예측 방법.
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