KR102255677B1 - 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치 및 이를 이용한 타이어 마모 측정 방법 - Google Patents

타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치 및 이를 이용한 타이어 마모 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 타이어의 가속도의 극 값의 경향성을 이용하여 타이어 트래드의 마모율을 측정하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치는, 차량에 설치되는 타이어 내부의 가속도를 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정하는 신호수신부; 신호수신부로부터 신호 정보를 전달받고, 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 신호분석부; 신호분석부로부터 타이어의 트래드 마모율에 대한 정보인 분석 정보를 전달받아 송신하는 송신부; 및 송신부로부터 분석 정보를 전달 받아 타이어가 설치된 차량에 대한 제어 신호를 생성하는 제어모듈;을 포함한다. 한편 이의 물리적 변화를 수학적 모델(Flexible Ring Tire Model)을 이용하여 이를 증명하였다.

Description

타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치 및 이를 이용한 타이어 마모 측정 방법 {TIRE WEAR MEASUREMENT DEVICE USING ACCELERATION PEAK VALUE OF TIRE AND TIRE WEAR MEASUREMENT METHOD USING SAME}
본 발명은 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치 및 이를 이용한 타이어 마모 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 타이어의 가속도의 극 값의 경향성을 이용하여 타이어 트래드의 마모율을 측정하는 기술에 관한 것이다.
차량의 구성요소 중 유일하게 노면과 접촉하고 있는 타이어는 차량의 선회와 제동 성능과 직접적으로 관련이 있으며, 타이어의 마모가 발생 했을 경우 제동과 선회 성능을 제대로 발휘하지 못하는 경우가 발생하는 문제가 있어, 마모된 타이어는 차량의 안전과 직결될 수 있다. 구체적으로, 타이어의 마모에 따라 젖은 노면에 제동 거리가 증가함으로써 차량 사고와 직결될 수 있다.
이에 따라, 타이어의 트래드 등에 대한 마모율을 실시간으로 측정하고, 타이어의 마모율에 따라 자동으로 타이어의 교체 시기 등을 알려주는 시스템에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
미국 공개특허 제2017-0113495호(발명의 명칭: Indirect tire wear state estimation system)에서는, 차량의 하중을 유추한 후 이를 기반으로 주행거리에 따른 마모율을 추정 하고 있으나, 마모율 추정을 위하여 너무 많은 인자에 대한 정보가 필요함으로써 비효율적이라는 한계를 갖고 있다. 또한, 미국 등록특허 제8,483,976호(발명의 명칭: Method for estimating tire wear and apparatus for estimating tire wear)와 미국 등록특허 제8,061,191호(발명의 명칭: Method and apparatus for detecting wear of tire)에서는, 타이어에 대한 센싱을 이용한 방법으로 타이어의 마모율을 측정하고 있으나, 일관된 결과를 기대하기 어려우며 실제 차량 운행 조건을 고려하지 못한 한계를 갖고 있어, 실제 조건에서 정확한 타이어 마모 판단에 한계를 갖고 있다.
미국 공개특허 제2017-0113495호 미국 등록특허 제8,483,976호 미국 등록특허 제8,061,191호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가속도 센서를 이용하여 타이어의 가속도 신호를 측정하고, 이와 같은 가속도 신호를 분석하여 타이어 트래드의 마모량을 측정하도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 차량에 설치되는 타이어 내부의 가속도를 상기 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정하는 신호수신부; 상기 신호수신부로부터 신호 정보를 전달받고, 상기 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 상기 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 상기 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 신호분석부; 상기 신호분석 부로부터 상기 타이어의 트래드 마모율에 대한 정보인 분석 정보를 전달받아 송신하는 송신부; 및 상기 송신부로부터 상기 분석 정보를 전달 받아 상기 타이어가 설치된 차량에 대한 제어 신호를 생성하는 제어모듈; 을 포함하고, 가속도의 극 값은 상기 신호수신부가 상기 타이어와 노면의 접지 부위에 대한 가속도 측정 시 획득되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 신호분석부는, 상기 타이어의 속도, 하중 및 공기압의 영향도를 배제시키는 정규화를 통해 획득된 아래의 식에 가속도의 극 값을 대입하여 상기 타이어의 트래드의 두께를 도출함으로써, 상기 타이어의 트래드 마모율을 연산 추정할 수 있다.
Figure 112019101055444-pat00001
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 타이어에 대한 고유 상수 값인 α에 대한 데이터는 상기 신호분석부에 사전에 설정되어 저장될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어모듈은, 상기 차량에 대한 제어를 수행하는 차량제어부, 및 상기 송신부로부터 상기 분석 정보를 전달받아 상기 차량제어부로 전달하는 정보전달부를 포함하고, 상기 차량제어부는, 상기 분석 정보를 이용하여 상기 타이어의 교체 시기를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제어모듈은, 상기 타이어의 교체 시점 또는 상기 타이어의 교체 서비스 정보를 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 축 방향에 대한 상기 타이어 내부의 가속도가 상기 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정되는 제1단계; 상기 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 상기 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 상기 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 제2단계; 상기 타이어의 트래드 마모율 정보를 이용하여 상기 타이어의 교체 시기가 판단되는 제3단계; 및 상기 타이어의 교체 시기에 대한 정보가 상기 차량의 사용자 및 상기 차량과 연결된 외부의 통합 통제 시스템으로 전달되는 제4단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 가속도 센서를 이용하여 타이어의 가속도 신호를 측정하고, 이로부터 타이어의 가속도의 극 값을 추출하며, 이에 대한 분석으로 타이어의 트래드 마모율을 추정하므로, 실시간으로 타이어의 마모량을 측정할 수 있다는 것이다.
그리고, 타이어의 마모량에 대한 정보를 차량의 사용자 뿐만 아니라 통합 통제 시스템과도 공유하여, 타이어의 교체에 대한 자동 서비스가 구현되도록 할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어 마모 측정 장치의 구성에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 노면 접촉 시 형상에 대한 개략도와 가속도 신호에 대한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 트래드 마모량(mm)에 따른 타이어의 가속도 신호 극 값 변화를 비교한 그래프이다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 속도, 하중 및 공기압 변화에 따른 타이어 가속도의 극 값 변화를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 커브 피팅한 결과에 대한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 마모량에 따른 가속도의 극 값을 비교한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가속도 센서로부터 획득된 실제 신호에 의한 가속도의 극 값을 커브 피팅한 결과에 대한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어 트래드의 마모에 따른 정규화된 가속도의 극 값의 경향성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가속도의 극 값의 경향성과 타이어의 실제 마모량을 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어 마모 측정 장치의 구성에 대한 개략도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 차량에 설치되는 타이어 내부의 가속도를 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정하는 신호수신부(110); 신호수신부(110)로부터 신호 정보를 전달받고, 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 신호분석부(120); 신호분석부(120)로부터 타이어의 트래드 마모율에 대한 정보인 분석 정보를 전달받아 송신하는 송신부(130); 및 송신부(130)로부터 분석 정보를 전달 받아 타이어가 설치된 차량에 대한 제어 신호를 생성하는 제어모듈(200);을 포함하고, 가속도의 극 값은 신호수신부(110)가 타이어와 노면의 접지 부위에 대한 가속도 측정 시 획득될 수 있다.
여기서, 신호수신부(110)와 신호분석부(120) 및 송신부(130)의 결합으로 하나의 모듈인 계측모듈(100)이 형성될 수 있으며, 이와 같은 계측모듈(100)은 차량에 설치된 각각의 타이어에 연결되어 형성되거나, 차량에 설치된 모든 타이어에 연결되어 형성될 수도 있다.
그리고, 제어모듈(200)은, 차량에 대한 제어를 수행하는 차량제어부(210), 및 송신부(130)로부터 분석 정보를 전달받아 차량제어부(210)로 전달하는 정보전달부(220)를 포함하고, 차량제어부(210)는, 분석 정보를 이용하여 타이어의 교체 시기를 판단할 수 있다. 또한, 제어모듈(200)은, 타이어의 교체 시점 또는 타이어의 교체 서비스 정보를 표시하는 디스플레이부(230)를 더 포함할 수 있다.
신호수신부(110)는 복수 개의 가속도 센서를 포함하며, 복수 개의 가속도 센서 각각은 타이어 트래드의 내부 복수 개의 지점 각각에 대한 축 방향 가속도를 측정할 수 있다. 그리고, 각각의 가속도 센서에는 번호가 순차적으로 부여될 수 있으며, 이에 따라, 각각의 가속도 센서에서 측정된 측정 신호는 순차적으로 수집되어 데이터화될 수 있다. 그리고, 분석 정보를 전달받은 송신부(130)는, 분석 정보를 제어모듈(200)의 정보전달부(220)로 무선 또는 유선으로 전달할 수 있으며, 이를 위해 정보전달부(220)는 송신부(130)와 무선 또는 유선으로 연결될 수 있다.
차량제어부(210)는 차량에 대한 제어를 수행함과 동시에 차량 외부의 통합 통제 시스템과 무선 연결될 수 있다. 차량제어부(210)에는 타이어의 마모율에 따라 예정된 타이어의 교체 시기에 대한 정보인 교체 시기 정보가 사전에 저장되어 있으며, 차량제어부(210)는 교체 시기 정보와 실시간의 타이어 마모율을 비교 판단하여 타이어의 교체를 위한 잔여 시간, 타이어 교체 시점 등에 대한 정보를 생성할 수 있다. 그리고, 차량제어부(210)는, 타이어의 교체를 위한 잔여 시간, 타이어 교체 시점 등에 대한 정보를 통합 통제 시스템은 차량제어부(210)로부터 전달받은 정보를 이용하여 해당 차량에 설치된 타이어의 교체 시점에 재고로 남아있는 타이어의 수량, 타이어의 교체 가능 수리센터 등에 대한 타이어 교체 서비스에 대한 정보를 차량제어부(210)에 전달할 수 있고, 차량제어부(210)는 타이어 교체 서비스에 대한 정보를 디스플레이부(230)로 전달하여 이와 같은 정보가 디스플레이부(230)에 표시될 수 있다. 그리고, 차량제어부(210)에서 생성된 타이어의 교체를 위한 잔여 시간, 타이어 교체 시점 등에 대한 정보도 디스플레이부(230)에 표시되어 사용자에게 전달될 수 있다.
이하, 신호분석부(120)가 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 수학식의 도출 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 노면 접촉 시 형상에 대한 개략도와 가속도 신호에 대한 그래프이다. 구체적으로, 도 2에서, 상부의 개략도가 형상 변형된 타이어를 나타내고, 하부의 그래프가 타이어의 회전에 의해 생성된 가속도 신호의 그래프이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 노면에 접지되는 타이어의 접지 부위 양 끝단에서 종 방향 가속도 신호는 극 값을 형성할 수 있다. 즉, 이와 같은 종 방향 가속도의 극 값은, 타이어와 노면의 접지 특성과 접지 인근에서의 타이어의 성질 특성을 잘 반영한다고 할 수 있다.
상기와 같이 타이어의 트래드 내부 각 지점에 가속도 센서가 형성되어 타이어의 가속도 신호를 측정할 수 있는데, 본 발명의 타이어 마모 측정 장치에서는, 가속도의 극 값을 이용하는 것이므로, 신호분석부(120)는 신호수신부(110)로부터 전달되는 가속도 신호 중 노면에 대한 타이어의 접지 부위에 인접하게 형성된 가속도 센서로부터 전달되는 가속도 신호를 이용하거나, 노면에 대한 타이어의 접지 부위에 인접하게 형성된 가속도 센서 중 가장 큰 신호를 생성하는 가속도 센서로부터 전달되는 가속도 신호를 이용할 수 있다.
타이어의 마모에 따라 나타나는 두 가지 타이어의 상태 변화를 토대로 타이어의 마모율 증가에 따른 타이어의 종 방향 가속도의 극 값의 경향성 변화를 분석할 수 있다. 타이어의 마모에 따른 첫 번째 타이어 상태의 변화는 타이어의 굽힘 강성의 변화일 수 있다. 타이어의 마모가 증가함에 따라 타이어의 트래드 두께가 감소하며, 이로 인하여 타이어의 굽힘 강성도 감소할 수 있다. 이러한 타이어의 마모에 따른 타이어의 트래드 굽힘 강성 감소는 타이어의 접지 부위(영역)에서 더 큰 타이어의 변형을 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 트래드 마모량(mm)에 따른 타이어의 가속도 신호 극 값 변화를 비교한 그래프이다. 도 3에서, 가로축은 타이어의 회전각(rotation(deg))을 나타내고, 세로축은 종 방향 가속도(longitudinal acceleration)를 나타낸다. 구체적으로, 도 3은, Flexible Ring 타이어 모델을 통해 타이어의 회전 시 발생하는 가속도 신호에 대한 그래프이며, 이를 이용하여 각각의 타이어의 트래드 마모량에 따른 가속도 신호 극 값 변화를 비교할 수 있다. 이 때, Flexible Ring 타이어 모델 분석은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 수행될 수 있으며, 이에 이용되는 컴퓨터 프로그램은 프로그램은 Python이나 Matlab 등이 이용하여 수학식을 계산할 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램을 이용한 시뮬레이션으로 Flexible Ring 타이어 모델 분석이 수행될 수 있다 또한 ANSYS, NASTRAN, ABAQUS와 같은 FEM 프로그램을 이용하여 수학적 모델의 경향성을 검증 할 수 있다. 이하, 동일하다.
도 3에서, a그래프는 타이어의 트래드 마모량이 없는 경우에 대한 그래프이고, b그래프는 타이어의 트래드 마모량이 2mm인 경우에 대한 그래프이며, c그래프는 타이어의 트래드 마모량이 4mm인 경우에 대한 그래프이고, d그래프는 타이어의 트래드 마모량이 6mm인 경우에 대한 그래프이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 타이어의 마모가 진행됨에 따라 타이어의 굽힘 강성이 감소되고, 결과적으로 타이어의 접지 부위에서 형상 변형이 증가함을 확인할 수 있다. 그리고, 이는, 타이어의 접지 부위 양 끝단에서의 곡률 변화가 발생한다는 것을 의미할 수 있다.
결론적으로, 타이어의 트래드 마모가 증가할수록, 노면에 대한 타이어의 접지 부위 양 끝단에서 종 방향 가속도 신호 극 값이 증가할 수 있다. 이러한 타이어의 마모에 따른 굽힘 강성의 감소는 타이어의 접지 부위에서 더욱 큰 타이어 변형을 야기할 수 있으며, 이는 타이어의 접지 부위 접촉 양 끝단에서의 곡률 변화가 증가한다는 것을 의미할 수 있다. 타이어의 마모가 증가할수록 접지 부위 양 끝단에서의 종 방향 가속도 신호, 즉, 종 방향 가속도의 극 값이 증가할 수 있다.
또한, 다른 한편으로, 두 번째 타이어의 상태 변화에서, 타이어의 마모가 증가함에 따라, 타이어의 트레드 질량은 감소하고, 타이어의 트레드 강성은 증가할 수 있다. 그리고, 타이어의 트래드 강성의 증가에 따라 타이어의 트래드 고유 진동수가 증가할 수 있다. 또한, 타이어가 회전이 진행되는 경우, 어느 한 시점에서 접촉해 있던 노면과 타이어의 접지 부위 끝단은 순간적으로 접촉 해제(release)될 수 있고, 이 때, 타이어의 트래드를 단순한 형태의 질량-스프링-댐퍼 시스템(mass-spring damper system)이라고 가정하면, 해당 시스템의 고유 진동수가 커질수록 순간적인 가속도가 커지는 경향성을 가지고 있으므로, 타이어의 트래드 마모가 진행됨에 따라, 타이어의 트래드 고유 진동수는 증가하며, 이로 인하여 타이어의 접지 부위 양 끝단의 종 방향 가속도 신호 값은 증가할 수 있다. 이는, 도 3의 결과에서 명확해지며, 도 3에서 보는 바와 같이, Flaxible Ring 타이어 모델을 통해 타이어의 마모에 따른 종 방향 가속도 신호의 극(peak) 값을 비교한 결과, 타이어의 마모가 증가할수록 타이어의 종 방향 가속도의 극 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 상기와 같이 가속도의 극 값이 타이어의 마모 진행에 따라 변화하더라도, 종 방향 가속도의 극 값을 그대로 타이어 마모 추정 인자로 사용하기에는 많은 한계점이 있다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 속도, 하중 및 공기압 변화에 따른 타이어 가속도의 극 값 변화를 비교한 그래프이다. 도 4 내지 도 6에서, 가로축은 타이어의 회전각(rotation(deg))을 나타내고, 세로축은 종 방향 가속도(longitudinal acceleration)를 나타낸다. 구체적으로, 도 4는, 타이어의 속도 변화에 따른 타이어 가속도의 극 값 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4에서, a그래프는 타이어의 속도가 30km/h(kph)인 경우에 대한 그래프이며, b그래프는 타이어의 속도가 65km/h(kph)인 경우에 대한 그래프이고, c그래프는 타이어의 속도가 100km/h(kph)인 경우에 대한 그래프이다.
또한, 도 5는 타이어의 하중 변화에 따른 타이어 가속도의 극 값 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5에서, a그래프는 타이어의 하중이 5000N인 경우에 대한 그래프이며, b그래프는 타이어의 하중이 6000N인 경우에 대한 그래프이고, c그래프는 타이어의 하중이 7000N인 경우에 대한 그래프이며, d그래프는 타이어의 하중이 8000N인 경우에 대한 그래프이다.
그리고, 도 6은 타이어의 공기압 변화에 따른 타이어 가속도의 극 값 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6에서, a그래프는 타이어의 하중이 1.5bar인 경우에 대한 그래프이며, b그래프는 타이어의 하중이 1.7bar 인 경우에 대한 그래프이고, c그래프는 타이어의 하중이 1.9bar 인 경우에 대한 그래프이며, d그래프는 타이어의 하중이 2.1bar 인 경우에 대한 그래프이다.
도 4 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 타이어에서 종 방향 가속도의 극 값은 타이어의 속도, 하중 및 공기압에 크게 영향을 받기 때문에, 가속도의 극 값에 대한 타이어의 마모의 영향만을 확인하기 위하여, 타이어의 속도와 하중 및 공기압에 대한 영향도를 제거할 필요가 있다.
이에 따라, Flaxible Ring 타이어 모델을 기반으로 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 타이어의 속도나 하중 또는 공기압의 영향을 배제하여 타이어의 마모에 따른 신호 특성으로 판단할 수 있다. 하기의 [수학식 1]은 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019101055444-pat00002
여기서,
Figure 112019101055444-pat00003
는 가속도의 극 값이고, h는 타이어의 트래드 두께이며, Ω는 타이어의 각속도이고,
Figure 112019101055444-pat00004
는 타이어의 공기압이며,
Figure 112019101055444-pat00005
는 타이어의 하중이다. 이하, 동일하다.
[수학식 1]에서 동일한 종 방향 가속도의 극 값에 대해서 각속도(속도)에 대한 정규화를 수행할 수 있으며, 이론적으로 Flexible Ring 타이어 모델에 기반한 종 방향 가속도는 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019101055444-pat00006
여기서, ν는 타이어의 종 방향 거리 벡터 변화량일 수 있다.
그리고, Flexible Ring 타이어 모델에서 타이어 내부에 회전저항력에 의한 감쇠 효과가 없다고 가정하면, 타이어의 종 방향 가속도는 타이어의 각속도가 변하더라도 일정한 값을 가질 수 있다. 이에 따라, 타이어의 종 방향 가속도의 극 값은 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112019101055444-pat00007
여기서, 각각의 계수와 문자가 나타내는 바는 상기된 수학식들에서 이용된 계수와 문자가 나타내는 바와 동일하다.
그리고, 3가지의 가정을 통해 [수학식 3]을 더욱 간단하게 정의 가능하며, 여기에서 3가지의 가정(Assumption)은, 하기와 같을 수 있다.
Figure 112019101055444-pat00008
즉, 타이어의 하중(
Figure 112019101055444-pat00009
)과 공기압(
Figure 112019101055444-pat00010
) 및 타이어 트래드의 초기 두께(h0)는 독립 변수로써 정의되고(Assumption 1), 타이어의 하중(
Figure 112019101055444-pat00011
)과 공기압(
Figure 112019101055444-pat00012
)의 함수(
Figure 112019101055444-pat00013
)는 타이어의 각속도(θr)에 대한 함수(
Figure 112019101055444-pat00014
)로 치환되며(Assumption 2), 타이어의 각속도(θr)에 대한 함수(
Figure 112019101055444-pat00015
)는
Figure 112019101055444-pat00016
로 정의될 수 있다. 여기서, α는 타이어에 대한 고유 상수 값이고, C는 상수이다. 이하, 동일하다.
결과적으로, [수학식 3]은 하기의 [수학식 4]와 같이 표현 가능할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112019101055444-pat00017
상기와 같은 가정에 의해 상대적으로 간단히 표현되는 타이어의 종 방향 가속도에 대한 수학식인 [수학식 4]의 검증을 위하여, Flexible Ring 타이어 모델을 이용한 시뮬레이션을 진행하였다. 이 때, 타이어의 종 방향 가속도의 극 값에 대한 타이어 속도의 영향은 [수학식 4]에서 보는 바와 같이 영향도에서 배제되고, 타이어에 설치된 가속도 센서에 의한 실제 가속도 신호 역시 발견될 수 있으므로, 타이어의 속도는 65km/h로 고정한 후, 타이어의 마모량(wear, 0~6mm), 공기압(1.5bar~2.1bar) 및 하중(5000~8000N)이 변하는 조건에 대해 시뮬레이션을 진행하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 커브 피팅한 결과에 대한 그래프이다. 도 7에서, a그래프는 타이어의 마모량을 0mm로 설정하고, 타이어의 공기압과 하중이 변하는 조건에 대한 그래프이고, b그래프는, 타이어의 마모량을 2mm로 설정하고, 타이어의 공기압과 하중이 변하는 조건에 대한 그래프이며, c그래프는, 타이어의 마모량을 4mm로 설정하고, 타이어의 공기압과 하중이 변하는 조건에 대한 그래프이고, d그래프는, 타이어의 마모량을 6mm로 설정하고, 타이어의 공기압과 하중이 변하는 조건에 대한 그래프이다. 여기서, 가로축(x축)은 타이어의 접지 부위 끝 단의 각도(contact angle)를 나타내며, 세로축(y축)은 타이어종 방향 가속도의 극 값(peak value of longitudinal acceleration)을 나타낸다.
최종적으로, 상기와 같은 시뮬레이션을 통해 구해진 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 [수학식 4]로 커브 피팅한 결과, 도 7과 같은 결과를 얻을 수 있다. 또한, 모든 조건에 대해 종 방향 가속도의 극 값이 양호하게 피팅(fitting) 됨을 확인 할 수 있다. 이의 결과로, 종 방향 가속도의 극 값 표현식인 [수학식 4]가 실제 값을 잘 묘사함을 알 수 있다. 즉, 위에 가정된 식인 [수학식 4]는 Flexible Ring 타이어 모델을 통해 실험적으로 검증되었음을 알 수 있다. [수학식 4]와 같은 종 방향 가속도의 극 값의 표현식은 실제로 타이어의 가속도 센서를 통해 계측한 종 방향 가속도의 극 값을 타이어의 마모 추정 인자로 가공하는데 적극 활용될 수 있다
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어의 마모량에 따른 가속도의 극 값을 비교한 그래프이다. 구체적으로, 도 8은 실제 실험을 통해 타이어의 마모량에 따른 종 방향 가속도의 극 값을 비교한 그래프이다. 도 8에서, 가로축은 타이어의 회전각(rotation(deg))을 나타내고, 세로축은 종 방향 가속도(longitudinal acceleration)를 나타낸다. Flexible Ring 타이어 모델을 통해 분석한 마모에 따른 타이어의 종 방향 가속도의 극 값의 경향성이 실제 타이어의 가속도 신호에서도 관찰되는지 분석하였고, 더 나아가, 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 마모 추정 인자로 사용하기 위한 처리를 수행하였다. 도 8에서 보는 바와 같이, 실제 데이터를 보면 타이어 트래드의 마모에 따라 실제 타이어를 통해 측정한 종 방향 가속도의 극 값이 타이어의 마모와 큰 경향성이 있는 것을 알 수 있다.
도 8에서 보는 바와 같이, 타이어의 종 방향 가속도 극 값은 Flexible Ring 타이어 모델과 마찬가지로 타이어의 속도, 하중 또는 공기압에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 이와 같은 영향을 제거하는 과정이 필요할 수 있다. 이에 필요한 과정인 정규화는 하기의 [수학식 5]를 기반으로 진행될 수 있고, 타이어의 종 방향 가속도의 극 값을 타이어의 각속도(Ω), 접지각(θr) 그리고 두께(h)의 함수로 표현할 수 있다. 즉, 위의 모델로부터 가정했던 식을 통해 [수학식 5]와 같은 식을 유도해 낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112019101055444-pat00018
여기서,
Figure 112019101055444-pat00019
는 타이어의 가속도 신호 함수에서 타이어의 속도, 하중 및 공기압에 대한 인자를 제거한 함수이다. 나머지 각각의 계수와 문자가 나타내는 바는 상기된 수학식들에서 이용된 계수와 문자가 나타내는 바와 동일하다.
상기된 [수학식 5]에서 타이어에 따라 결정되는 인자 α의 값을 알고 있다면 이를 통해 타이어의 트레드 두께(h), 즉 타이어 마모에만 관련된 함수(좌변)를 뽑아낼 수 있다. 그리고, 신호분석부(120)는, 타이어의 속도, 하중 및 공기압의 영향도를 배제시키는 정규화를 통해 획득된 [수학식 5]에 가속도의 극 값을 대입하여 타이어의 트래드의 두께를 도출함으로써, 타이어의 트래드 마모율을 연산 추정할 수 있다. 구체적으로, 타이어의 트래드의 두께의 감소량과 타이어의 트래드의 최초 두께를 비교 연산함으로써 타이어의 트래드 마모율을 연산 추정할 수 있다. 또한, 타이어에 대한 고유 상수 값인 α에 대한 데이터는 신호분석부(120)에 사전에 설정되어 저장될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가속도 센서로부터 획득된 실제 신호에 의한 가속도의 극 값을 커브 피팅한 결과에 대한 그래프이다. 실제 타이어의 가속도 센서에 의한 가속도 신호를 기반으로 [수학식 5]를 이용하여 α의 값을 도출해볼 수 있으며, 상기된 바와 같이 α의 값은 타이어의 고유 인자로 설정되어 사전에 신호분석부(120)에 저장되어 이용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 타이어 트래드의 마모에 따른 정규화된 가속도의 극 값의 경향성을 나타낸 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가속도의 극 값의 경향성과 타이어의 실제 마모량을 비교한 그래프이다. 도 10에서, 가로축은 타이어 트래드의 실제 마모량(mm)을 나타내고 세로축은 정규화된 가속도의 극 값(Normalized longitudinal peak)을 나타낼 수 있다. 그리고, 도 11에서, 세로축은 Flexible Ring 타이어 모델을 이용하여 연산된 마모량(mm)을 나타내고, 가로축은 타이어 트래드의 실제 마모량(mm)을 나타낼 수 있다.
도 10과 도 11에서 보는 바와 같이, 새롭게 정의되어 정규화된 종 방향 가속도의 극 값을 여러 조건에 대해 적용/분석하였다. 구체적으로, 타이어의 공기압(Pressure), 하중(Load), 속도(Velocity) 등을 변경하면서 타이어의 마모 단계별로 총 12개의 조건(하중 조건 3가지X공기압 조건 4가지)에 대해 비교 분석을 진행하였다. 여기서, 각 점은 다양한 조건의 결과를 보여주며, 실선은 각각의 마모량에 대한 각 점의 평균 값을 이어 형성된 그래프일 수 있다.
도 6과 도 7의 결과에서 보는 바와 같이, 타이어의 트래드 마모가 증가할수록 정규화된 종 방향 가속도 극 값이 지속적으로 증가하는 경향성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
상기된 과정을 통하여 타이어의 마모에 따른 종 방향 가속도의 극 값을 정규화하였으며, 타이어의 마모에 따른 가속도의 극 값의 경향성을 분석하였다. 그 결과, 타이어의 마모가 진행됨에 따라 정규화된 종 방향 가속도 극 값은 시뮬레이션, 실험에서 모두 값이 작하지는 경향성을 보이는 것으로 확인되었다.
구체적으로, 이러한 정규화된 종 방향 가속도의 극 값을 기반으로 마모 추정을 진행하고, 이에 대한 성능을 평가를 진행하는 경우, 정규화된 종 방향 가속도의 극 값만을 토대로 한 타이어의 마모 추정 결과, 도 10및 도 11과 같은 성능을 갖는 것을 확인하였다. 정규화된 종 방향 가속도의 극 값의 경향성은 타이어 트래드의 마모 레벨에 상관 없이 거의 일정한 기울기를 보였기 때문에, 어느 마모 레벨에서나 비슷한 추정 성능을 보여주는 것을 확인하였다.
상기와 같은 구성에 의하여, 가속도 센서를 이용하여 타이어의 가속도 신호를 측정하고, 이로부터 타이어의 가속도의 극 값을 추출하며, 이에 대한 분석으로 타이어의 트래드 마모율을 추정하므로, 실시간으로 타이어의 마모량을 측정할 수 있다. 그리고, 타이어의 마모량에 대한 정보를 차량의 사용자뿐만 아니라 통합 통제 시스템과도 공유하여, 타이어의 교체에 대한 자동 서비스가 구현되도록 할 수 있다.
이하, 본 발명의 타이어 마모 장치를 이용한 타이어 마모 측정 방법에 대해서 설명하기로 한다.
제1단계에서, 축 방향에 대한 타이어 내부의 가속도가 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 타이어의 트래드 마모율을 추정할 수 있다. 다음으로, 제3단계에서, 타이어의 트래드 마모율 정보를 이용하여 타이어의 교체 시기가 판단될 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 타이어의 교체 시기에 대한 정보가 차량의 사용자 및 차량과 연결된 외부의 통합 통제 시스템으로 전달될 수 있다.
본 발명의 타이어 마모 측정 장치를 이용한 타이어 마모 측정 방법에 대한 나머지 사항은, 상기된 본 발명의 타이어 마모 측정 장치에 대한 사항과 동일할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 타이어
100 : 계측모듈
110 : 신호수신부
120 : 신호분석부
130 : 송신부
200 : 제어모듈
210 : 차량제어부
220 : 정보전달부
230 : 디스플레이부

Claims (6)

  1. 차량에 설치되는 타이어 내부의 가속도를 상기 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정하는 신호수신부;
    상기 신호수신부로부터 신호 정보를 전달받고, 상기 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 상기 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 상기 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 신호분석부;
    상기 신호분석부로부터 상기 타이어의 트래드 마모율에 대한 정보인 분석 정보를 전달받아 송신하는 송신부; 및
    상기 송신부로부터 상기 분석 정보를 전달 받아 상기 타이어가 설치된 차량에 대한 제어 신호를 생성하는 제어모듈;을 포함하고,
    가속도의 극 값은 상기 신호수신부가 상기 타이어와 노면의 접지 부위에 대한 가속도 측정 시 획득되며,
    상기 신호분석부는, 상기 타이어의 속도, 하중 및 공기압의 영향도를 배제시키는 정규화를 통해 획득된 아래의 식에 가속도의 극 값을 대입하여 상기 타이어의 트래드의 두께를 도출함으로써, 상기 타이어의 트래드 마모율을 연산 추정하는 것을 특징으로 하는 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치.
    Figure 112021007053451-pat00034

    여기서,
    Figure 112021007053451-pat00035
    는 가속도의 극 값이고, h는 상기 타이어의 트래드 두께이며, Ω는 상기 타이어의 각속도이고, θr은 상기 타이어와 노면의 접지각이며, α는 상기 타이어에 대한 고유 상수 값이다. 그리고,
    Figure 112021007053451-pat00036
    는 상기 타이어의 가속도 신호 함수에서 상기 타이어의 속도, 하중 및 공기압에 대한 인자를 제거한 함수이다.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 타이어에 대한 고유 상수 값인 α에 대한 데이터는 상기 신호분석부에 사전에 설정되어 저장되는 것을 특징으로 하는 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 차량에 대한 제어를 수행하는 차량제어부, 및
    상기 송신부로부터 상기 분석 정보를 전달받아 상기 차량제어부로 전달하는 정보전달부를 포함하고,
    상기 차량제어부는, 상기 분석 정보를 이용하여 상기 타이어의 교체 시기를 판단하는 것을 특징으로 하는 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어모듈은, 상기 타이어의 교체 시점 또는 상기 타이어의 교체 서비스 정보를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치.
  6. 청구항 1의 타이어의 가속도 극 값을 이용한 타이어 마모 측정 장치를 이용한 타이어 마모 측정 방법에 있어서,
    축 방향에 대한 상기 타이어 내부의 가속도가 상기 타이어 내부의 각 지점에 대해서 측정되는 제1단계;
    상기 타이어 내부의 가속도 신호 중에서 상기 타이어의 반경 방향인 축 방향에 수직한 종 방향 가속도의 극 값을 이용하여 상기 타이어의 트래드 마모율을 추정하는 제2단계;
    상기 타이어의 트래드 마모율 정보를 이용하여 상기 타이어의 교체 시기가 판단되는 제3단계; 및
    상기 타이어의 교체 시기에 대한 정보가 상기 차량의 사용자 및 상기 차량과 연결된 외부의 통합 통제 시스템으로 전달되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타이어 마모 측정 방법.
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