KR102211870B1 - 차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 하중 측정장치는 가변축이 설치된 화물차량의 차축이 적재하중에 의해 변형되면서 차축의 두 지점 사이가 인장될 때의 미세한 변형량을 측정할 수 있다. 또한, 차축의 변형량과 차축 하중 사이의 비례상수 K를 구하는 오토 캘리브레이션 방법을 제시한다.

Description

차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Measuring Load Weight of Axises of a Car}

본 발명은 완성차에 설치하는 장치로서, 가변축이 설치된 화물차량의 차축이 적재하중에 의해 변형되면서 차축의 두 지점 사이가 인장될 때의 미세한 변형량을 측정하여 차축의 하중을 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

운행 중인 차량, 특히 화물 차량의 차축에 부과된 하중을 측정하는 것은 과적 방지 및 가변축 제어 등 여러 가지 이유로 필요하다. 축당 지지할 수 있는 하중에는 정해진 규격이 있어서, 정격을 넘겨 적재하게 되면 차량 파손이나 도로 파손의 원인이 되기도 한다. 대한민국 도로법 77조 및 동법 시행령 79조와 도로교통법 39조 및 동법 시행령 22조에서는 도로파괴 및 안전을 감안하여 총중량 40톤 및 축 당 10톤으로 하중을 제한하고 있다. 하지만, 현실적으로 화물 차량의 운전자가 차량에 적재되어 있는 하중을 가늠하기 어렵기 때문에 총중량이나 축당 허용하중을 위반하는 일이 빈번하다.

축당 하중을 줄이기 위한 방법으로 널리 사용되는 것 중 하나가, 가변축을 사용하는 것이다. 가변축이란 중형 화물차에 주로 사용되는 차축의 한 종류로서, 차대(Chassis)에 고정된 축이 아니라 필요에 따라 내리고 들어올릴 수 있는 차축으로서, 과적 문제를 해결하기 위한 방법으로 사용한다. 가변축은 리프트 에어 벨로우즈(Lift Air Bellows)와 로드 에어 벨로우즈(Load Air Bellows)의 동작에 의해 내리고 올린다. 에어 벨로우즈는 '에어 스프링' 또는 '에어백'이라고도 한다. 리프트 에어 벨로우즈가 소정의 공기압으로 팽창하면 가변축이 올라가고, 반대로 로드 에어 벨로우즈가 팽창하면 가변축이 내려와 적재된 하중을 나누어 지지한다. 리프트 에어벨로우즈(401)와 로드 에어벨로우즈(401)는 공기압 회로에 의해 동작하며, 운전자가 직접 제어할 수도 있고 자동으로 제어할 수도 있다.

차축에 작용하는 하중을 측정하는 것은 다양한 이유로 필요하지만 가변축 제어를 위해서도 필수적이며, 다양한 방법들이 제시되고 있다. 그 방법들은 적재물의 하중이 지면으로 전달되는 경로 상에 배치된 다양한 차량 구성품을 대상으로 이루어진다. 적재물에 의해 차량이 하중이 실리면, 판 스프링과 타이어의 압력이 바뀌고, 판 스프링의 변형에 의해 프레임과 차축간의 거리가 바뀌고, 적재물에 의한 프레임과 스프링의 결합 부위에 발생하는 집중하중과 스프링과 차축 결합부위에 발생하는 하중 등이 바뀌게 되는데, 그 변화를 측정하는 측정함으로써 적재하중을 측정할 수 있다.

이 중에서 변형량이 큰 구성은 여러 방향으로 전달되는 내부력과 마찰력 등에 의해 쉽게 변형을 일으키는 것들이다. 대표적인 것이 판 스프링이다. 변형이 크기 때문에 적재하중의 측정을 위해 많이 이용되었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2009-0073976호는 적재하중에 의한 현가장치 스프링의 기울기를 측정하여 하중을 계산하는 방법을 제시하고, 대한민국 공개특허 제10-1999-0004089호는 차대와 스프링 연결부분에 로드셀(Load Cell)을 설치하는 방법을 제시한다.

그러나 변형량이 큰 구성품은 하중과 변형량 사이의 히스테리시스 현상이 많이 발생할 수 있어서, 적재하중에 의한 변화가 선형적이지 않다는 문제가 있다. 판스프링도 마찰에 의한 히스테리시스 현상이 있으며, 스토퍼가 있는 경우에 일정한 크기 이상의 하중에서는 변형이 더 이상 발생하지 않기 때문에 측정 오차가 크게 발생한다. 또한, 화물차량 스프링의 처짐을 인식하는 장치는 일반적으로 크기가 커서 차대의 아래에 설치하는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 기계적인 방법으로 인식하는 것이어서 내구성을 담보하기 어렵다. 스프링에 로드셀을 직접 설치하는 방법도 고가의 대용량 로드셀이 필요하고 진동과 충격에 대한 내구성을 보장하기 어렵다.

적재하중에 의해 변형되는 차량 구성품 중에 차축(또는 차축 하우징)이 있다. 차축은 다른 구성품과 대비해 가장 고강성체이며 변형량이 가장 적고 대략 마이크로미터(㎛) 단위로 미세하게 휜다. 따라서 적재물의 하중에 대한 차축 하우징의 횡방향에서의 하중과 변형량 사이의 특성곡선에서 히스테리시스 현상이 매우 적고 차축의 설계 허용하중의 최소 130% 안에서는 탄성변형 구간으로 변형량이 포화되지 않으며 1차 선형식으로 근사할 수 있다. 따라서 차축 하우징의 미세한 변형량을 측정한다면 매우 정확한 하중을 계산할 수 있다.

보의 해석에 사용되는 이론을 차축에 적용하면, 차축은 수직방향(중력 방향) 힘과 수평방향 힘에 의해 변형된다. 수직방향 힘과 비교할 때 수평 방향 힘에 의한 변형은 무시할 정도이기 때문에, 차축은 수직방향 힘에 의해 휜다고 할 수 있으며, 매우 미세한 변화이지만 적재하중에 선형적으로 변하는 특징이 있다.

다판 스프링 구조의 현가장치를 구비한 화물차량의 차축에 작용하는 수직방향 힘은 적재하중이다. 도 1을 참조하면, 차량의 하중(W)이 판스프링 결합 부분을 통해 차축으로 전달되면, 직관형태의 차축은 미세하게 휘어 차축의 위쪽은 압축되고 아랫쪽은 마이크로미터 단위로 인장된다. 실험해 보면, 5톤 중형화물차량에 10톤 중량을 적재할 때 구동 차축의 수직방향으로의 변형은 약 200 마이크로미터 정도이며, 이때 차축의 변형은 적재하중에 비례하여 선형적인 특징이 있다. 화물을 적재하는 중이거나 차량을 운행하는 중에 차축에 발생하는 미소 변형량을 측정할 수 있다면, 하중과 변형량의 관계에서 차축에 가해지는 하중을 측정할 수 있다.

한편, 종래에 차축의 변형량을 측정하는 방법들이 있었다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2019-0080183호는 스트레인 게이지를 사용하여 차축의 변형을 측정하는 방식이다. 다만, 스트레인 게이지는 워낙 미세하고 민감한 센서이기 때문에 차축에 충분히 안정된 상태로 고정되어야 한다. 따라서 이미 제작되어 운행 중인 차량에는 스트레인 게이지를 직접 설치하기가 매우 어렵기 때문에, 스트레인 게이지를 장착할 수 있도록 차축 자체의 설계를 변경해야 한다. 그것은 차축의 형태가 센서 부착에 적합하지 않은 것도 있고, 센서를 설치하는 과정에서 차축이 손상될 위험도 있기 때문이다. 대한민국 공개특허 제10-2019-0080183호는 센서 부착을 위해 특별한 형태의 차축을 제안하고 있다.

[관련 기술 문헌]

1. 대한민국 공개특허 제10-2019-0080183호 (차축 부착형 차량 축하중 센서모듈)

2. 대한민국 공개특허 제10-2009-0073976호 (차량의 하중 측정 장치 및 측정 방법)

3. 대한민국 공개특허 제10-1999-0004089호 (트럭의 화물적재량 측정 및 확인장치)

4. 대한민국 공개특허 제10-2013-0061904호 (상용차량 축하중 모니터링용 센서 조립 장치)

5. 대한민국 등록특허 제10-0884233호 (차량의 적재중량 측정장치)

본 발명의 목적은 가변축이 설치된 화물차량의 차축이 적재하중에 의해 변형되면서 차축의 두 지점 사이가 인장될 때의 미세한 변형량을 측정하여 차축의 하중을 측정하는 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 차축의 변화량을 측정하는 방법으로 차량의 하중을 계산함에 있어서 차량의 하중과 차축의 미세한 변형량 사이의 1차 선형 근사식의 비례상수 K를 구하는 방법을 제시하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차축 하중 측정장치의 하중 측정방법을 제시한다. 본 발명의 방법은 공차상태에서 가변축의 가변축 하중을 바꾸어 상기 가변축에 인접한 인접축이 지지하는 인접축 하중을 바꾸고, 하중이 바뀐 상기 인접축에 설치된 측정단말이 차축 변형량을 측정하는 단계와; 계산부가 상기 가변축의 에어밸로우즈에 설치된 공기압 센서를 이용하여 상기 가변축 하중을 계산하고 상기 측정단말로부터 상기 차축 변형량을 읽어와, 상기 차축 변형량과 인접축 하중의 변화량 사이의 비례상수 K를 다음의 수학식을 이용하여 계산하는 단계를 포함한다.

상기 L2는 공차 상태에서 전축과 상기 인접축간의 거리, L4는 상기 전축과 상기 가변축간 거리, ΔX은 차축 변형량, 그리고 ΔWa은 가변축 하중의 변화량이고, 상기 차축 변형량은 상기 인접축이 하중에 의해 휠 때 생기는 변형 중에서 크기를 측정할 수 있는 것이다.

실시 예에 따라, 본 발명의 방법은 상기 가변축 하중을 반복적으로 바꾸면서, 상기 차축 변형량을 측정하는 단계를 n차 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 계산부는 상기 n차 반복하는 단계마다 구한, n쌍의 상기 가변축 하중과 차축 변형량 결과를 기초로 상기 비례상수 K를 계산한다.

다른 실시 예에 따라, 본 발명의 측정방법은 상기 계산부가 상기 적재물이 적재된 상태의 인접축 하중을 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 계산부는 차량에 적재물이 적재된 상태에서 상기 측정단말이 측정한 차축 변형량에 상기 비례상수 K를 곱한 다음 상기 인접축의 공차 하중을 더하여 인접축 하중을 계산한다.

또 다른 실시 예에 따라, 본 발명의 측정방법은, 상기 차축의 좌측에 상기 측정단말인 제1 측정단말을 설치하고 상기 차축의 우측에 상기 측정단말인 제2 측정단말을 설치한 경우에, 상기 계산부가 공차상태에서 상기 제1 측정단말을 이용하여 비례상수 Ka를 계산하고 상기 제2 측정단말을 이용하여 비례상수 Kb를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 인접축 하중을 계산하는 단계는, 상기 제1 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Ka를 곱한 값과 상기 제2 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Kb를 곱한 값의 평균에 상기 인접축의 공차 하중을 더하여 상기 인접축 하중을 계산한다.

또 다른 실시 예에 따라, 상기 측정단말은 상기 차축이 하중에 의해 휠 때 축방향으로 인장되는 크기를 측정하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 측정단말은 일단이 상기 차축의 일 지점에 고정된 제1 고정부와, 일단이 상기 차축의 다른 지점에 고정된 제2 고정부와, 상기 차축의 아래에 상기 차축과 이격된 상태로 상기 제1 고정부와 제2 고정부 사이에 연결되어 상기 차축이 축방향으로 인장되는 크기를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.

본 발명은 차량용 하중 측정장치에도 미친다. 본 발명의 하중 측정장치는 가변축의 에어 밸로우즈에 설치된 공기압 센서와, 상기 가변축에 인접한 인접축에 설치되는 측정단말(상기 인접축이 하중에 의해 휠 때 생기는 변형 중에서 크기를 측정할 수 있는 차축 변형량 중 하나를 측정함)과, 비례상수 K를 계산하는 계산부를 포함한다. 계산부는 공차상태에서 상기 공기압 센서를 이용하여 상기 가변축 하중을 계산하고 상기 측정단말로부터 상기 차축 변형량을 읽어와, 상기 차축 변형량과 인접축 하중의 변화량 사이의 비례상수 K를 상기의 수학식을 이용하여 계산한다.

본 발명의 하중 측정장치는 가변축이 설치된 화물차량의 차축이 적재하중에 의해 변형되면서 차축의 두 지점 사이가 인장될 때의 미세한 변형량을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 가변축을 제어함으로써, 차축의 변형량과 차축 하중 사이의 비례상수 K를 간단한 방법으로 구할 수 있다. 동종차량이라면, 차량의 하중과 차축의 미세 변형량 사이의 1차 선형근사식의 기울기에 해당하는 비례상수는 유사할 것이므로, 동종 차량 대략 3대 이상에 대해 하중을 변화시키면서 미세 변형량을 측정하는 방법으로, 각 차량별 비례상수 K를 구할 수 있다.

반대로, 동일한 차량 모델이라도, 화물 차량은 특장차량으로 변경되면서(윙바디, 탱크로리, 집게차 등) 상부 구조가 변경될 수 있고, 변경된 상부 구조는 차축의 강성에 영향을 준다. 따라서, 구조변경 후에 차축 변형량 대비 하중 특성 곡선이 달라질 수 있다. 이런 경우에도, 본 발명을 적용하여, 차량의 상부 구조의 변화로 인한 변형량-하중 사이의 비례상수 K를 용이하게 구하여 보정할 수 있다.

도 1은 적재하중에 의한 화물차량의 차축의 변화를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 차량용 차축 하중 측정장치의 블록도,
도 3은 비례상수 K의 설명에 제공되는 차량의 개략적인 구조도,
도 4는 본 발명의 오토 캘리브레이션에 따른 비례상수 K의 계산방법의 설명에 제공되는 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정단말을 도시한 도면, 그리고
도 6은 도 5의 측정단말을 차축에 설치한 상태를 도시한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 차량 하중 측정장치(200)는 차량에 설치되는 가변축(201), 가변축(201)을 제어하는 가변축 제어기(203), 공기압 센서(205), 적어도 하나의 측정단말(207a, 207b, 207c) 및 계산부(210)를 포함한다.

가변축(201)은 가변축 제어기(203)에 의해 제어된다. 가변축(201)은 종래의 어떠한 것이어도 무방하며, 가변축 제어기(203)의 제어에 따라 가변축(201)이 지지하는 하중의 크기가 복수 개의 단계로 제어될 수 있는 것이면 수동 제어방식이든 자동 제어방식이든 무방하다. 공기압 센서(205)는 가변축(201)의 에어벨로우즈(Air Bellows)(도 4, 401)의 공기압을 측정하여 계산부(210)에게 제공하며, 계산부(210)는 공기압 센서(205)의 측정값으로 가변축(201)이 지지하는 하중을 계산한다.

측정단말(207a, 207b, 207c)은 설치 위치가 다를 뿐 동일한 구성이다. 이하에서는 개별 측정단말(207a, 207b, 207c)을 구분하여 사용하는 경우를 제외하고는 '측정단말(207)'로 대표로 표시하고 설명한다.

측정단말(207)은 차량의 차축(10)에 설치되어 적재물 등에 의해 하중에 부가될 때 차축(10)에서 발생하는 변형량을 측정한다. 이때 측정대상이 되는 차축 변형량은 차축(10)이 하중에 의해 휠 때 생기는 변형의 크기를 측정할 수 있는 것이라면 어떠한 것이어도 무방하다.

예를 들어, 도 1에서처럼 차축(10)의 아랫부분의 두 지점(P1, P2) 사이의 거리는 차축(10)의 휨 변형을 직접 반영하는 것으로서 측정 대상이 된다. 다른 방법으로, 차축(10)이 휠 때, 수직방향(중력방향)의 변형을 측정해도 좋고 차축(10)의 윗부분의 압축 정도를 측정하는 것이어도 좋다. 차축(10)의 변형량 측정을 위해 종래에 알려진 로드셀(Load cell) 또는 스트레인 게이지(Strain Guage)를 이용할 수 있다. 측정단말(207)의 구체적인 예는 아래에서 따로 설명한다.

측정단말(207)은 계산부(210)로 측정값을 제공한다. 측정단말(207)과 계산부(210) 사이의 통신은 차량용 통신 수단으로 널리 사용되는 캔(CAN: Controller Area Network)을 사용할 수도 있고, 종래의 다른 통신수단을 사용할 수도 있다.

측정단말(207)의 비례상수 K를 계산하기 위한 오토 캘리브레이션(Calibration)을 위해서 가변축(201)의 인접축(11)에 측정단말(207)이 설치되어야 한다. 예를 들어, 도 3에서처럼 가변축(201)이 후축 뒷편에 설치되었으면, 인접축(11)은 후축이 되고, 측정단말(207)은 후축에 설치되어야 한다. 이하에서는 식별번호 11이 '인접축' 또는 '후축'으로 설명되고 표시된다.

그 밖에도 측정단말(207)은 차량의 여러 개 축중에서 어느 축에라도 설치할 수도 있고, 축마다 설치할 수도 있으며, 동일한 축에도 여러 개가 설치될 수 있다. 만약 차량의 전축(15)의 하중을 측정하려면, 전축(15)에 설치되어야 한다. 이러한 점을 고려하면, 측정단말(207)를 차량의 여러 개 축중에서 어느 한 축에 설치할 경우에는 가변축(201)에 인접한 인접축(11)에 설치하는 것이 바람직하다.

계산부(210)는 공기압 센서(205) 및 측정단말(207)과 연결되며, 가변축 제어를 이용한 차량의 하중 계산에 사용되는 비례상수 K를 계산하는 오토 캘리브레이션을 수행하고, 차량의 차축(10)의 변형을 이용하여 차량의 하중을 계산한다.

한편, 계산부(210)는 가변축 제어기(203)와 연결되어 가변축 제어기(203)를 통해 가변축(201)을 직접 제어할 수도 있지만, 필수적인 사항은 아니다. 만약, 사용자가 수동 가변축 제어기(203)를 직접 제어할 경우에, 계산부(210)는 공기압 센서(205)를 이용하여 가변축(201)의 에어밸로우즈의 공기압을 확인함으로써 가변축 제어 상태를 확인할 수 있다.

오토오토 캘리브레이션 (비례상수 K의 계산)

이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 오토 캘리브레이션을 설명한다. 우선, 도 1을 참조하면, 차축(10)은 차량의 하중이 변함에 따라 휘면서 차축(10)의 윗부분은 압축되고 아랫부분은 인장된다. 차량의 정격 적재하중 범위 내에서, 차축에 부가되는 하중과 차축의 변형이 선형적인 관계에 있으므로, 다음의 수학식 1의 근사식이 성립한다.

여기서, W는 차축이 지지하는 하중, X₀은 휨 변형이 일어나기 전의 차축 상의 두 지점(P1, P2) 간의 거리, X은 하중에 의해 휨 변형이 일어났을 때의 차축의 두 지점(P1, P2)간의 거리다. K는 차축이 지지하는 하중(W)과 차축의 변형(X-X₀) 사이의 비례상수로서, 차축의 탄성계수라 볼 수 있다. 비례상수 K를 알면, 측정단말(207)이 측정한 차축의 변형량으로부터 해당 차축이 지지하는 하중을 계산할 수 있다.

비례상수 K를 계산하기 위해서는, 하중의 변화량과 차축의 변형량을 동시에 측정할 수 있어야 한다. 본 발명은 차축 하우징의 복잡한 형상과 구조 해석을 통한 수학적 방법을 적용하지 않고도, 가변축 제어를 통해 비례상수 K를 구하는 방법을 제시하며, 본 발명에서는 이것을 '오토 캘리브레이션'이라 칭한다.

우선, 이하에서는 설명의 편리를 위해, 가변축이 지지하는 하중을 '가변축 하중', 차량의 전축(15)이 지지하는 하중을 '전축 하중', 그리고 차량의 인접축(11)이 지지하는 하중을 '인접축 하중'이라 한다. 가변축(201)은 에어벨로우즈(401)의 공기 압력에 의해 가변축 하중이 달라진다. 가변축(201)은 통상 차량의 특정 차축(대부분 후축)에 인접하게 설치하기 때문에, 가변축(201)을 제어하여 가변축 하중을 바꾸면 가변축(201)에 인접한 인접축(11)의 하중도 선형적으로 변한다.

도 3에서 인접축(11)이 가변축(201)에 인접한 후축으로 도시되었다. 도 3을 참조하면, 인접축 하중(Wr)은 다음의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.

여기서, Wr은 인접축 하중, L1은 전축(15)과 공차상태의 차량의 무게 중심 사이의 거리, L2는 공차 상태의 차량에서 전축(15)과 인접축(11)간의 거리, L3은 인접축(11)과 가변축(201)간 거리, L4는 전축(15)과 가변축(201)간 거리(L4 =L2 + L3), Wf는 전축 하중, Wa는 가변축 하중, We는 공차 상태의 차량의 하중이다. 수학식 2에서, We, L1, L2는 상수이므로, 인접축 하중(Wr)은 가변축 하중(Wa)에 (L4/L2)만큼 반비례 하는 것을 알 수 있다. 수학식 2에 나오는 We, L1, L2, L4는 직접 측정하여 구할 수 있다. 한편, 가변축 하중(Wa)은 에어벨로우즈(401)에 발생하는 공기압력(Wb)에 의해 발생한다. 공기압 센서(205)를 이용하여 에어벨로우즈(401)의 공기압(Wb)을 측정하면, 에어벨로우즈(401) 제작사가 제공하는 (공기압 대비 힘)의 도표를 통해 가변축 하중(Wa)을 얻을 수 있다. 다른 방법으로, 직접 측정하는 방법으로, 에어벨로우즈(401)의 공기압(Wb)으로부터 가변축 하중(Wa)을 얻을 수 있다.

가변축 하중(Wa)을 바꿀 때, 수학식 2를 통해 인접축인 인접축 하중(Wr)의 변화를 계산할 수 있다. 이때 차량의 무게중심은 거의 변하지 않기 때문에 수학식 2로부터 다음의 수학식 3을 구할 수 있다. 여기서, ΔWr은 인접축 하중(Wr)의 변화량이고, ΔWa은 가변축 하중(Wa)의 변화량이다.

수학식 3에 의하면, 가변축 하중(Wa)이 늘어나는 만큼 인접축 하중(Wr)이 줄어들고, 반대로 가변축 하중(Wa)이 줄어드는 만큼 인접축 하중(Wr)이 선형적으로 늘어난다. 가변축 하중(Wa)이 바뀔 때 인접축 하중(Wr)도 바뀌기 때문에, 가변축 하중(Wa)을 바꾸면서 측정단말(207)의 측정값(ΔX) 을 얻으면, 수학식 1과 수학식 3을 이용하여 비례상수 K를 다음의 수학식 4와 같이 구할 수 있다. ΔX는 차축의 변형량이다.

가변축 제어를 통한 비례상수 K의 계산 방법 (도 4)

이하에서는 도 4를 참조하여, 본 발명의 오토 캘리브레이션에 따른 비례상수 K를 구하는 방법에 대하여 설명한다. 차량에 다른 적재물이 없는 공차 상태에서, 계산부(210)는 이상의 수학식 2 내지 수학식 4에 기초하여 인접축 하중의 변화량과 차축의 변형량을 측정하고 비례상수 K를 계산한다. 설명의 편리를 위해, 도 3을 기준으로, 인접축(11)이 후축인 경우를 가정하면, 오토 캘리브레이션을 위한 측정단말(207)은 당연히 인접축(11)인 후축에 설치되어야 한다.

<공차 상태에서 초기 가변축 하중 부가: S401>

차량에 다른 적재물이 없는 공차 상태에서, 계산부(210)는 '초기 가변축 하중' 상태를 확인한다. 실시 예에 따라, 계산부(210)가 공기압 센서(205)가 측정한 에어벨로우즈(401)의 공기압(Wb)을 기초로, 가변축 제어기(203)를 통해 가변축(201)을 하강하면서 초기 가변축 하중을 생성할 수도 있고 사용자 직접 제어를 통해 초기 가변축 하중 상태를 확인할 수도 있다.

가변축(201)이 하강하여 가변축 하중(Wa)이 생기면 인접축 하중은 그만큼 줄어든다. 초기 가변축 하중은 임의로 설정할 수 있는데, 가변축이 작동하지 않는 공차 상태에서의 인접축(예, 후축) 하중과 같거나 작은 값이어야 한다. 초기 가변축 하중이 공차 상태의 인접축 하중을 초과하면 인접축 하중이 제로(0)가 되면서 들리게 되어 상관 관계를 얻을 수 없기 때문이다. 공차 상태의 인접축 하중 또는 초기 가변축 하중은 초기 설정값으로 계산부(210)에 미리 설정할 수 있다.

<n차에 걸친 가변축 하중의 감소 또는 인접축 하중의 증가: S403 내지 S407>

가변축 하중(Wa)을 n차에 걸쳐 반복적으로 감소시키면서, 계산부(210)에게 제공하고, 계산부(210)는 공기압 센서(205)를 이용하여 가변축 하중(Wa)을 계산하고 측정단말(207)은 가변축 하중(Wa)가 감소할 때마다 차축의 변형량을 측정하여 계산부(210)에게 제공한다. 여기서, n은 n>0인 자연수이다. 가변축 하중(Wa)을 줄이면, 인접축 하중은 수학식 3에 의해 비례적으로 증가한다. 마찬가지로, 계산부(210)는 가변축 제어기(203)를 제어하면서, 공기압 센서(205)가 측정한 에어벨로우즈(401)의 공기압(Wb)을 기초로 가변축 하중(Wa)을 제어할 수 있다.

예를 들어, 가변축 하중을 전체 3차(n=3)에 걸쳐 줄인다고 할 때, 1차로 가변축 하중(Wa)을 300kg 감소하면 인접축 하중(Wr)은 수학식 3에 의해 300x(L4/L2) 만큼 증가한다. 다시 2차로 가변축 하중(Wa)을 400kg 감소하면, 인접축 하중(Wr)은 400x(L4/L2) 만큼 증가한다. 3차로 가변축 하중(Wa)을 500kg 감소하면, 인접축 하중(Wr)은 500x(L4/L2)만큼 증가한다.

한편, 각 단계의 가변축 하중(Wa)의 감소(인접축 하중의 증가) 크기는 동일해도 무방하지만 서로 다른 크기인 것이 바람직하다. 위의 예는 가변축 하중(Wa)을 점점 큰 값으로 감소하는 것이지만, 반대로 점점 작은 크기로 감소시켜도 무방하다.

<비례상수 K의 계산: S409>

계산부(210)는 n차에 걸친 가변축 하중의 조정(S403 내지 S407 단계)마다 가변축 하중의 변화량과 측정단말()이 측정한 차축 변형량을 구하여, n쌍의 가변축 하중의 변화량과 차축의 변형량 결과를 수학식 4에 적용하여 비례상수 K를 계산한다.

우선, 인접축 하중의 변화량은 수학식 3를 통해 구할 수 있다. 예를 들어, (L4/L2)값이 1.2 일 때, 인접축 하중의 변화량(ΔWr)과 그때 측정한 차축의 변형량이 다음의 표 1과 같다고 가정한다.

단계	인접축 하중의 변화량 (ΔWr= -ΔWa x L4/L2)	차축의 변형량 (거리, ㎛)
S403	-(-300 x 1.2) = 360	203
S405	-(-400 x 1.2) = 480	265
S407	-(-500 x 1.2) = 600	321

계산부(210)는 수학식 4에 표 1의 측정 값들을 도입하여 비례상수 K를 구하며, 통상 최소자승법(Least square method)을 이용해 계산할 수 있다. (L4/L2)가 1.2인 표 1의 경우, 비례상수 K는 2.0321 (Kg/㎛)가 된다.

이상의 방법으로, 차량의 하중의 변화에 대한 차축 변형량 사이의 비례상수 K를 쉽게 구할 수 있다.

동종차량에 대해 하중과 미세 변형량 사이의 1차 선형근사식의 기울기에 해당하는 비례상수는 유사할 것이므로, 동종 차량 3대 이상에 대한 측정을 통해, 각 차량별로 통계적인 비례상수 K를 구할 수 있다.

반대로, 동일한 차량 모델이라도, 화물 차량은 특장차량으로 변경되면서(윙바디, 탱크로리, 집게차 등) 상부 구조가 변경될 수 있고, 변경된 상부 구조는 차축의 강성에 영향을 준다. 따라서, 구조변경 후에 변경 전과 다른 변형량 대비 하중 특성 곡선을 보일 수 있다. 이런 경우에도, 본 발명을 적용하여, 차량의 상부 구조의 변화로 인한 변형량-하중 사이의 비례상수 K를 용이하게 구하여 보정할 수 있다.

또한, 비례상수 K는 동일한 차축에 대해서도 그 위치, 특히 좌우가 다른 값으로 계산될 수 있다. 차축의 하우징은 비대칭 구조로 형상이 복잡하고, 내부에 여러 구동력을 전달하는 부품들이 조립되어 있기 때문에, 동일한 차축에 대해서도 서로 다른 위치에 설치된 측정단말마다 비례상수 K를 다시 계산할 필요가 있다.

차량 하중의 계산

계산부(210)는 다음의 수학식 5를 이용하여 적재물 적재된 상태의 차량의 하중(W)을 계산한다. 여기서, Wro는 인접축의 공차 하중이고 ΔX는 차축의 변형량이다.

예를 들어, 비례상수 K가 2.0321이고 공차시 인접축 축중이 3000kg인 경우에 인접축 하중은 측정단말(207)의 측정값을 이용하여 계산할 수 있다. 측정단말(207)이 측정한 인접축의 변형량(ΔX)이 200㎛이면 인접축 하중은 3000+2.0321(kg/㎛) x 200 = 3406.42kg으로 계산되고, 인접축 변형량(ΔX)이 400㎛로 측정되면 인접축 하중은 3000+2.0321(kg/㎛) x 400 = 3812.84 kg으로 계산된다. 계산부(210)는 오차범위와 사용자의 시안성을 고려해 10자리에서 반올림해서 3410kg, 3810kg으로 표시부(미도시)에 표시할 수 있다.

나아가, 차축(10)의 좌우에 제1 측정단말(207a)과 제2 측정단말(207b)을 설치하여 차축 변화량을 차축(10)의 좌우에서 각각 측정함으로써 더욱 정확한 하중을 계산할 수도 있다. 이때, 각 측정단말(207)에서의 비례상수는 도 4의 방법을 이용해 개별적으로 구해야 한다. 인접축의 좌측 부분에 제1 측정단말(207a)과 우측 부분에 제2 측정단말(207b)을 설치한 경우에 인접축 하중은 다음의 수학식 6과 같다.

여기서, 제1 측정단말(207a)의 비례상수를 Ka, 제2 측정단말(207b)의 비례상수를 Kb이라 한다. ΔXa는 제1 측정단말(207a)이 측정한 차축의 변형량이고, ΔXb는 제2 측정단말(207b)이 측정한 차축의 변형량이다.

이를 위해, 계산부(210)는 차량 제원정보와, 가변축 제원정보 및 가변축 제어조건 등을 저장하고 관리할 수 있다. 차량 제원정보에는 공차상태의 축별 하중, 축간 거리, 차량 중량, 최대 적재량, 차량 총중량, 가변축의 형태 등을 포함하고, 가변축 제원 정보에는 가변축(201)에 적용된 에어벨로우즈(401)의 사양 정보와 가변축의 구조물 치수 등이 포함된다. 가변축 제어 조건에는 차량 축당 최대 설계하중, 가변축 상승/하강 시점, 인접축과 가변축의 하중 배분 비율 등을 포함한다. 이런 정보 중 일부는 사용자가 입력할 수도 있다.

실시 예: 측정단말 (차축의 두 지점 사이의 거리의 변형량 측정)

측정단말(207)은 차축(10)의 가로 방향의 두 개 지점 사이에 설치되어 횡 방향의 변형량 측정할 수 있으며, 그 횡 방향 변형을 측정하기 할 수 있는 측정단말(500)이 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 측정단말(500)은 측정부(510), 제1 고정부(530) 및 제2 고정부(550)를 포함한다.

측정부(510)는 제1 고정부(530)와 제2 고정부(550) 사이를 연결하도록 배치되어 차축(10)의 가로방향(횡축 방향)으로 인장된 거리를 측정한다. 앞서 설명한 것처럼, 하중 계산에 사용되는 것은 차축(10)의 어떠한 변형이어도 무방하기 때문에, 측정부(510)가 차축(10)이나 수평면에 대해 특정한 방향으로 고정될 필요는 없다.

제1 고정부(530)와 제2 고정부(550)가 차축(10)의 일 측에 고정되는 것과 반대로, 측정부(510)는 차축(10)으로부터 이격되어 설치되는 것이 좋다. 측정부(510)는 차축(10)의 아랫부분이 하중에 의해 인장된 크기를 측정하는 것이므로, 실제로 휘면서 인장되는 차축(10)으로부터 이격될수록 실제 인장 크기를 증폭하는 효과가 있기 때문이다.

측정부(510)의 측정수단으로는 전기 마이크로미터 센서나 로드셀(Load Cell)을 사용할 수 있다. 그 중 로드셀은 물체의 하중이나 외부에서 가해지는 힘 등을 측정하기 위한 센서 조립체로서, 외력에 의해 비례적으로 변형되는 탄성체와 이를 전기적 신호로 바꾸어주는 스트레인 게이지(Strain Guage)를 이용한 하중감지센서(Sensor)이다. 측정부(510)로 로드셀을 사용할 경우에, 내부 측정수단의 움직임은 스트레인 게이지에 의해 전기 신호로 바뀐다.

측정부(510)는 계산부(210)와 연결된 통신수단을 포함하여, 측정된 값을 계산부(210)에 제공한다.

제1 고정부(530)와 제2 고정부(550)는 차축(10)의 비교적 하부에 설정된 제1 지점과 제2 지점(예컨대, 도 1의 P1, P2)에 측정부(510)를 연결하는 역할을 한다. 제1 고정부(530)와 제2 고정부(550)는 설치하는 위치에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 6의 예에서, 제1 지점은 차량 하중의 작용점인 U볼트 플레이트(61)의 하단으로 설정하고, 제2 지점은 차축(10)에 고정되어 있는 쇼크 업쇼버(63) 하단부로 설정된 예이다. 제1 고정부(530)의 일단의 측정부(510)에 연결되고 타단은 제1 지점에 용접 등의 방법으로 고정된다. 마찬가지로, 제2 고정부(550)의 일단의 측정부(510)에 연결되고 타단은 제2 지점에 연결된다. 제2 고정부(550)의 타단(551)은 제2 지점인 쇼크 옵쇼버(63)에 연결하기 위해, 링 형상으로 구현되어 볼트로 고정된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (11)

1. 차량용 하중을 측정하는 방법에 있어서,
   공차상태에서 가변축의 가변축 하중을 바꾸어 상기 가변축에 인접한 인접축이 지지하는 인접축 하중을 바꾸고, 하중이 바뀐 상기 인접축에 설치된 측정단말이 차축 변형량을 측정하는 단계. 상기 차축 변형량은 상기 인접축이 하중에 의해 휠 때 생기는 변형 중에서 크기를 측정할 수 있는 것임;
   계산부가 상기 가변축의 에어밸로우즈에 설치된 공기압 센서를 이용하여 상기 가변축 하중을 계산하고 상기 측정단말로부터 상기 차축 변형량을 읽어와, 상기 차축 변형량과 인접축 하중의 변화량 사이의 비례상수 K를 다음의 수학식을 이용하여 계산하는 단계; 및
   

   

   
   상기 계산부가 상기 차축변형량과 상기 계산된 비례상수 K를 곱하여 상기 인접축 하중의 변화량을 계산한 다음 상기 인접축의 공차 하중을 더함으로써 인접축이 지지하는 인접축 하중을 계산하는 단계를 포함하되,
   상기 L2는 공차 상태에서 전축과 상기 인접축간의 거리, L4는 상기 전축과 상기 가변축간 거리, ΔX은 차축 변형량, 그리고 ΔWa은 가변축 하중의 변화량인 것을 특징으로 하는 차량용 하중을 측정하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가변축 하중을 반복적으로 바꾸면서, 상기 차축 변형량을 측정하는 단계를 n차 반복하는 단계를 더 포함하고,
   상기 계산부는 상기 n차 반복하는 단계마다 구한, n쌍의 상기 가변축 하중과 차축 변형량 결과를 기초로 상기 비례상수 K를 계산하는 것을 특징으로 차량용 하중을 측정하는 방법.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 차축의 좌측에 상기 측정단말인 제1 측정단말을 설치하고 상기 차축의 우측에 상기 측정단말인 제2 측정단말을 설치한 경우에, 상기 계산부가 공차상태에서 상기 제1 측정단말을 이용하여 비례상수 Ka를 계산하고 상기 제2 측정단말을 이용하여 비례상수 Kb를 계산하는 단계를 더 포함하고,
   상기 인접축 하중을 계산하는 단계는, 상기 제1 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Ka를 곱한 값과 상기 제2 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Kb를 곱한 값의 평균에 상기 인접축의 공차 하중을 더하여 상기 인접축 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량용 하중을 측정하는 방법.
   
5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측정단말은 상기 차축이 하중에 의해 휠 때 축방향으로 인장되는 크기를 측정하는 것임을 특징으로 하는 차량용 하중을 측정하는 방법.
   
6. 차량용 하중 측정장치에 있어서,
   가변축의 에어 밸로우즈에 설치된 공기압 센서;
   상기 가변축에 인접한 인접축에 설치되어, 상기 인접축이 하중에 의해 휠 때 생기는 변형 중에서 크기를 측정할 수 있는 차축 변형량 중 하나를 측정하는 측정단말; 및
   공차상태에서 상기 공기압 센서를 이용하여 상기 가변축 하중을 계산하고 상기 측정단말로부터 상기 차축 변형량을 읽어와, 상기 차축 변형량과 인접축 하중의 변화량 사이의 비례상수 K를 다음의 수학식을 이용하여 계산하는 계산부를 포함하되,
   

   

   
   상기 L2는 공차 상태에서 전축과 상기 인접축간의 거리, L4는 상기 전축과 상기 가변축간 거리, ΔX은 차축 변형량, 그리고 ΔWa은 가변축 하중의 변화량인 것을 특징으로 하는 차량용 하중 측정장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 계산부는,
   공차상태에서 상기 가변축 하중이 다시 변경될 때 상기 공기압 센서를 이용하여 상기 가변축 하중을 계산하고 상기 측정단말로부터 상기 차축 변형량을 읽어오는 과정을 n차 반복한 다음, n쌍의 상기 가변축 하중과 차축 변형량 결과를 기초로 상기 비례상수 K를 계산하는 것을 특징으로 차량용 하중 측정장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 계산부는,
   차량에 적재물이 적재된 상태에서 상기 측정단말이 측정한 차축 변형량에 상기 비례상수 K를 곱한 다음 상기 인접축의 공차 하중을 더함으로써, 상기 적재물이 적재된 상태의 인접축 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 차축의 좌측에 상기 측정단말인 제1 측정단말을 설치하고, 상기 차축의 우측에 상기 측정단말인 제2 측정단말을 설치한 경우에, 상기 계산부는 상기 계산부가 공차상태에서 상기 제1 측정단말을 이용하여 비례상수 Ka를 계산하고 상기 제2 측정단말을 이용하여 비례상수 Kb를 계산하고,
   상기 적재물이 적재된 상태의 인접축 하중은 상기 제1 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Ka를 곱한 값과 상기 제2 측정단말이 제공하는 차축 변형량에 상기 비례상수 Kb를 곱한 값의 평균에 상기 인접축의 공차 하중을 더하여 상기 인접축 하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
   
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정단말은 상기 차축이 하중에 의해 휠 때 축방향으로 인장되는 크기를 측정하는 것임을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 측정단말은;
    일단이 상기 차축의 일 지점에 고정된 제1 고정부;
    일단이 상기 차축의 다른 지점에 고정된 제2 고정부; 및
    상기 차축의 아래에 상기 차축과 이격된 상태로 상기 제1 고정부와 제2 고정부 사이에 연결되어 상기 차축이 축방향으로 인장되는 크기를 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.

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