KR20210111642A - 휠베어링의 진단방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하기 위한 진단방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 휠베어링의 회전 중심축 또는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 이격된 위치에 장착되어 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 검출하는 가속도 검출 단계와; 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보를 기초로 속도 정보를 산출하는 속도 산출 단계와; 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 기초로 휠베어링을 진단하는 진단 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 검출 단계에서 가속도 센서는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향 및 휠베어링의 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 하나 이상의 방향의 가속도 정보를 수집하도록 구성될 수 있다.

Description

휠베어링의 진단방법{DIAGNOSIS METHOD FOR WHEEL BEARING}
본 발명은 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하기 위한 진단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단순한 방식으로 신뢰성 있게 휠베어링의 고장진단을 수행할 수 있는 진단방법에 관한 것이다.
휠베어링은 차량의 차륜을 차체에 회전 가능하게 장착하여 지지하는 장치로, 차륜(wheel)이 장착되는 회전요소가 차체에 고정되는 비회전요소에 전동체를 통해 연결되어 회전요소에 장착된 차륜을 차체에 대해 회전 가능하게 지지시키는 기능을 수행한다.
그런데, 이러한 휠베어링은 차량의 주행 중에 반경방향 및 축방향으로 큰 하중과 모멘트가 인가되기 때문에 전동체를 지지하는 외륜이나 내륜 등에 박리(flaking)와 같은 손상이 발생해 파손되는 일이 발생할 수 있고, 이러한 파손은 소음, 진동, 발열 등의 원인이 되거나 심할 경우에는 휠베어링이 소착되거나 구동축에서 분리되는 사고의 원인이 될 수 있다.
과거에는 휠베어링 등의 샤시 부품에 부품의 작동 상태를 모니터링하는 진단기능이 구비되어 있지 않았기 때문에 운전자나 정비사는 스스로 소음이나 진동을 감지해 휠베어링 등에 발생한 고장을 직감적으로 판단해야 하였다.
그러나, 이러한 직감적인 판단은 판단자의 숙련도에 따라 판단 결과에 차이가 크고 판단 결과에 대한 신뢰성을 확보할 수 없어 정확한 진단을 보장하기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 최근에는 휠베어링 등에 센서를 부착해 휠베어링을 포함하는 샤시 부품의 작동 상태를 모니터링하고 진단하는 기술이 제시되고 있다.
그러나, 종래에 알려진 휠베어링의 진단/모니터링 기술은 휠베어링의 상태를 진단하기 위해 휠베어링 또는 그 주위에 가속도 센서 및 휠속도 센서를 장착하고, 이들 센서로부터의 신호를 연동시키기 위해 차량 내부에 복잡한 배선 작업(wiring)을 수행해야 하기 때문에, 차체 내부의 하드웨어 및 소프트웨어 구조가 복잡해지고 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 보다 단순한 방식으로 신뢰성 있는 고장진단이 가능한 휠베어링의 진단방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하기 위한 진단방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 휠베어링의 회전 중심축 또는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 이격된 위치에 장착되어 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 검출하는 가속도 검출 단계와; 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보를 기초로 속도 정보를 산출하는 속도 산출 단계와; 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 기초로 휠베어링을 진단하는 진단 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 검출 단계에서 가속도 센서는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향 및 휠베어링의 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 하나 이상의 방향의 가속도 정보를 수집하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 센서는 휠베어링의 회전에 따라 제1 방향과 제2 방향 중 하나 이상의 방향의 가속도 정보를 싸인파형 신호로 출력하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 센서로부터의 가속도 정보를 기초로 산출되는 속도 정보는 가속도 센서에서 출력되는 싸인파형 신호에서 1주기의 신호가 형성되는데 걸리는 시간을 고려해 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 검출 단계와 속도 산출 단계 사이에 검출된 가속도 신호를 베이스 신호와 진동 신호로 분리하는 신호 분리 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 속도 산출 단계에서 속도 정보는 베이스 신호에 기초해 산출되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단 단계에서 휠베어링의 진단은 진동 신호를 기초로 수행되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단 단계에서 휠베어링의 진단은 진동 신호에서 피크 신호가 발생하는 주파수 대역이 베이스 신호로부터 연산된 결함 주파수 대역과 일치하는 경우 휠베어링에 고장 또는 이상 작동이 발생한 것으로 판단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단 단계에서 휠베어링에 고장 또는 이상 작동이 발생한 것으로 판단된 경우 이를 외부로 표시하는 알림 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 센서는 휠베어링에 장착되는 휠의 일측에 탈부착 가능하게 장착되어 가속도 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가속도 센서는 휠베어링에 휠을 장착하는데 이용되는 휠장착 볼트 또는 휠장착 너트에 탈부착 가능하게 장착되어 가속도 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
이 외에도, 본 발명에 따른 휠베어링의 진단방법에는 본 발명의 기술적 사상을 해치지 않는 범위에서 다른 부가적인 구성이 더 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 가속도 센서로부터 검출된 가속도 신호 정보만 전달받아 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단할 수 있도록 구성되어 있기 때문에, 휠베어링 및 차량 내부에 가속도 센서로부터의 가속도 정보와 속도 센서로부터의 속도 정보를 연동시키기 위한 복잡한 배선 작업 등이 요구되지 않고, 이로 인해 휠베어링 및 차량의 구조가 단순해지고 제조비용이 저감될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 휠베어링 또는 휠의 일측에 장착되어 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 싸인파 형상의 가속도 신호를 수집한 다음, 싸인파형 가속도 신호의 신호 형성 주기를 고려해 속도 정보를 산출하고, 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 고려해 휠베어링의 고장진단을 수행하도록 구성되어 있어, 단순한 알고리즘을 이용해 가속도 정보를 기초로 속도 정보를 산출하고 이를 기초로 휠베어링의 고장진단을 수행할 수 있어 진단장치의 소프트웨어 및 하드웨어 구조가 더욱 단순화될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 가속도 센서가 휠베어링과 함께 회전하면서 가속도 정보를 검출하도록 구성되어 있어 가속도 센서 등을 휠의 일측(예컨대, 휠장착 볼트, 휠장착 너트 등)의 임의의 위치에 탈부착하면서 고장진단을 수행하거나 고장진단을 위한 정보(예컨대, 가속도 정보 등)를 수집할 수 있도록 구성될 수 있고, 이로 인해 휠베어링 제조시에 휠베어링에 고장진단을 위한 복잡한 장치를 미리 마련하지 않아도 휠베어링에 대한 고장진단을 수행할 수 있게 되어, 휠베어링의 제조비용이 저감되고 휠베어링의 설계 자유도가 향상될 수 있게 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치가 휠베어링에 장착된 모습을 예시적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치의 기술구성을 개념적으로 나타내는 블록도를 예시적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 휠베어링의 고장진단을 수행하기 위해 휠의 일측에 가속도 센서가 장착되어 가속도 정보를 검출하는 모습을 예시적으로 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 가속도 센서를 통해 검출된 가속도 신호(차량이 등속 직선 주행할 때의 가속도 신호)를 예시적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치를 통해 검출된 가속도 신호를 베이스 신호와 진동 신호로 분리하는 단계를 예시적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 휠베어링을 진단하는데 이용될 수 있는 진단 프로세스를 예시적으로 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명한다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 본 발명과 관계없는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 명세서 전체를 통하여 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙여 설명하도록 한다. 또한, 도면에 도시된 각 구성요소들의 형상 및 크기는 설명의 편의를 위해 임의로 도시된 것이므로, 본 발명이 반드시 도시된 형상 및 크기로 한정되는 것은 아니다. 즉, 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변형되어 구현될 수 있으며, 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.
도 1 내지 도 7를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단장치 및 진단방법과 이를 구비하는 휠베어링 등이 예시적으로 도시되어 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명은 휠베어링의 일측에 장착되어 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 검출한 다음, 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 이용해 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치 및/또는 진단방법이 적용될 수 있는 휠베어링(10)의 구조를 살펴보면, 휠베어링(10)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 휠이 장착되는 회전요소가 차체에 연결된 비회전요소에 전동체를 통해 장착되어 통상의 차량용 휠베어링과 같이 휠을 차체에 대해 회전 가능하게 지지하는 기능을 수행할 수 있다.
다만, 도면에 도시된 실시형태는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법을 설명하기 위해 차량용 휠베어링의 구조를 예시적으로 도시한 것일 뿐이며, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치 및 진단방법은 도면에 도시된 구조의 휠베어링 이외에도 다른 다양한 구조의 휠베어링에 적용되어 이용될 수 있다.
그런데, 이러한 휠베어링은 차량의 주행 중에 반경방향 및 축방향으로 큰 하중과 모멘트가 인가되기 때문에 전동체를 지지하는 외륜이나 내륜 등에 파손이 발생할 우려가 있고, 이러한 파손은 소음, 진동, 발열 등의 원인이 되거나 심할 경우에는 휠베어링이 소착되거나 구동축에서 분리되는 사고의 원인이 될 수 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링(10)은 진단장치(100)를 통해 휠베어링(10)의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단장치(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 휠베어링(10) 또는 휠베어링(10)에 결합되는 휠(W)의 일측에 장착되어 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하거나 진단을 위한 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
구체적으로, 진단장치(100)는 휠베어링의 회전 중심축 또는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 이격된 위치에 장착되어 휠베어링 및 이에 장착된 휠과 함께 회전하면서 가속도 정보 검출 및/또는 고장진단을 수행하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 휠(W)을 휠베어링(10)에 장착하는데 이용되는 휠장착 볼트 및/또는 휠장착 너트에 탈부찰 가능하게 장착되어 휠베어링과 함께 회전하면서 가속도 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
다만, 도면에 도시된 실시형태의 경우에는 진단장치(100)를 휠베어링(10)에 결합되는 휠(W)의 일측에 탈부착 가능하게 장착하도록 구성되어 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 이러한 구조로 한정되어야 하는 것은 아니고, 휠베어링(10)의 고장진단에 이용되는 가속도 정보가 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 검출되도록 구성될 수 있으면 도면에 도시된 실시형태와 달리 다양한 구조로 변형되어 구현되어도 무방하다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 휠(W) 대신 휠베어링(10)의 회전요소에 장착되도록 구성될 수도 있고, 휠베어링(10)이나 휠(W)에 고정된 상태로 장착되도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단장치(100)는 휠베어링(10)의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하기 위해 차량의 작동상태(또는 휠베어링의 작동상태)에 관한 정보를 검출하는 센싱부(110)를 구비할 수 있다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)에서 센싱부(110)는 휠베어링 작동시 발생하는 가속도 정보를 검출하는 가속도 센서로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 센싱부(110; 가속도 센서)는 진단장치(100)의 내부에 구비되어 휠베어링(10)의 회전에 따라 함께 회전하면서 휠베어링(10)의 진동 상태를 검출하도록 구성될 수 있으며, 서로 수직한 x, y, z축 방향 중 어느 한 방향의 가속도 측정이 가능한 1축 가속도 센서, 두방향의 가속도 측정이 가능한 2축 가속도 센서, 세방향의 가속도 측정이 가능한 3축 가속도 센서 등으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단장치(100)는 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하는 진단부(120), 센싱부(110)에서 검출된 가속도 신호 정보나 진단부(120)에서 수행된 휠베어링의 진단 결과 등을 저장하는 저장부(130), 진단 결과를 외부로 표시하는 표시부(140) 등을 더 구비할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)의 구성도가 예시적으로 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 센싱부(110)와 진단부(120)가 하나의 디바이스 내에 포함되는 일체형 구조로 형성될 수도 있고, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 센싱부(110)를 포함하는 센싱 디바이스(100a)와 진단부(120)를 포함하는 진단 디바이스(100b)가 별도의 부재로 형성되는 분리형 구조로 형성될 수도 있다.
예컨대, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)가 일체형 구조로 형성되는 경우, 센싱부(110), 진단부(120), 저장부(130), 표시부(140) 등의 구성요소들은 하나의 하우징 내에 모두 포함되도록 구성될 수 있다.
반대로, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)가 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 가속도 신호를 검출하는 센싱 디바이스(100a)와 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하는 진단 디바이스(100b)로 분리되어 형성되는 경우, 센싱 디바이스(100a)는 가속도 신호 검출을 위한 센싱부(110; 가속도 센서), 센싱부에서 검출된 가속도 신호를 저장하는 저장부(130), 검출된 가속도 신호를 진단 디바이스(100b)로 전달하는 입출력부[제1 입출력부(150)] 등을 포함하여 구성될 수 있고, 진단 디바이스(100b)는 센싱부를 통해 검출된 가속도 신호를 전달받는 입출력부[제2 입출력부(160)], 입출력부를 통해 전달된 신호 정보(예컨대, 가속도 정보)를 기초로 휠베어링 등을 진단하는 진단부(120), 기준 데이터를 저장하고 있거나 진단/분석 결과 등을 저장할 수 있는 저장부(130), 진단부(120)로부터의 진단 결과를 출력하여 표시하는 표시부(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
다만, 도 3에 도시된 진단장치(100)의 구조는 예시적으로 도시된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 도 3에 도시된 전술한 구성 외에 추가적인 구성을 더 포함하거나, 도 3에 도시된 구성 가운데 일부 구성을 제외한 상태로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단장치(100)는 센싱부(110)의 가속도 센서에서 검출된 가속도 정보를 기초로 속도 정보를 산출한 다음, 가속도 센서를 통해 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 함께 이용해 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하도록 구성될 수 있다.
일반적으로, 휠베어링의 결함 주파수는 속도에 따라 달라지기 때문에 휠베어링 등의 고장 또는 이상 작동 여부를 정확히 진단하기 위해서는 가속도 정보 뿐만 아니라 속도 정보가 함께 고려되어 진단이 수행될 필요가 있다.
예컨대, 휠베어링을 구성하는 내륜, 외륜, 전동체 등의 결함 주파수는 아래와 같이 회전 속도와 연관된 회전 주파수에 따라 달라지게 된다.
내륜:
Figure pat00001
외륜:
Figure pat00002
전동체:
Figure pat00003
[
Figure pat00004
는 내륜의 결함 주파수,
Figure pat00005
는 외륜의 결함 주파수,
Figure pat00006
는 전동체의 결함 주파수,
Figure pat00007
은 축의 회전 주파수,
Figure pat00008
는 전동체의 수,
Figure pat00009
는 전동체의 직경,
Figure pat00010
는 전동체의 피치원 직경,
Figure pat00011
는 전동체의 접촉각을 의미함]
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 보다 신뢰성 있는 진단을 수행하기 위해 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보로부터 속도 정보를 산출한 다음 검출된 가속도 신호와 이로부터 산출된 속도 신호를 함께 고려해 휠베어링을 진단하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 아래와 같은 방식으로 가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보로부터 속도 정보를 산출해 이용하도록 구성될 수 있다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 전술한 바와 같이 휠베어링(10)의 회전 중심축 또는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 이격된 위치에 장착되어, 휠베어링(10)의 회전에 따라 휠베어링(10)과 함께 회전하면서 가속도 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
이와 같이, 센싱부(110; 가속도 센서)가 휠베어링(10)과 함께 회전하면서 가속도 정보를 검출하도록 구성되게 되면, 가속도 센서를 통해 휠베어링의 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향(도 4에 도시된 z 방향), 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향(도 4에 도시된 x 방향), 이러한 제1 방향 및 제2 방향에 수직한 제3 방향(y 방향; 예컨대, 차축방향)의 가속도를 측정한다고 가정할 때, 제1 방향 및 제 2 방향의 가속도 신호는 휠베어링(10)의 회전에 따라 가속도 센서에 인가되는 중력 가속도가 변화되면서 대략 싸인파 형상으로 신호가 출력되게 되고, 제3 방향의 가속도 신호는 중력 가속도에 무관하게 출력되게 된다.
예컨대, 차량이 등속 직진 주행하고 있는 상황을 가정해 볼 때, 제1 방향(도 4에 도시된 z 방향)의 가속도를 검출하는 가속도 센서는 도 4의 P1 위치에 위치할 때 - 방향으로 최대의 중력 가속도가 인가되고, P3 위치에 위치할 때 + 방향으로 최대의 중력 가속도가 인가되며, P2 및 P4 위치에 위치할 때에는 0의 중력 가속도가 인가되도록 중력 가속도가 변화하면서 가속도 센서에 인가되어, 도 5의 (a)에 도시된 것과 같은 싸인파 형상으로 가속도 신호를 출력하게 된다.
한편, 제2 방향(도 4에 도시된 x 방향)의 가속도를 검출하는 가속도 센서는 도 4의 P1 및 P3 위치에서는 중력 가속도가 인가되지 않고 P2 위치에서 + 방향으로 P4 위치에서 - 방향으로 최대의 중력 가속도가 인가되도록 중력 가속도가 변화하면서 인가되어, 도 5의 (b)에 도시된 것과 같은 싸인파 형상으로 가속도 신호를 출력하게 되고, 이러한 가속도 신호는 전술한 제1 방향의 가속도 신호와 90°의 위상차를 갖게 된다.
이에 반해, 제3 방향(예컨대, 차축방향)의 가속도를 검출하는 가속도 센서는 어느 위치에서도 중력가속도의 영향을 받지 않기 때문에 등속 직선 주행 상태에서 0의 가속도 신호를 출력하게 된다.
따라서, 진단장치(100)의 센싱부(110)를 구성하는 가속도 센서가 휠베어링의 회전 중심축(휠의 중심축)으로부터 연장하는 제1 방향의 가속도(도 4에 도시된 z방향 가속도) 및/또는 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향의 가속도(도 4에 도시된 x 방향 가속도)를 측정하도록 형성되면, 가속도 센서로부터 도 5의 (a) 및/또는 도 5의 (b)에 도시된 형태의 싸인파형 가속도 신호를 얻을 수 있고, 이러한 가속도 신호에서 1 주기의 싸인파 신호는 휠베어링(10) 및 휠(W)의 1회전을 의미하게 되므로 이러한 1회전에 걸리는 시간(T)과 가속도 센서의 장착 위치(중심축으로부터의 반경방향 거리 등) 등을 고려해 시간당 이동량을 계산하게 되면 휠베어링의 회전속도 및/또는 차량의 주행속도를 산출하는 것이 가능해 지게 된다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 센싱부(110)에 포함되는 가속도 센서가 휠베어링의 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향(도 4에 도시된 z 방향) 및 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향(도 4에 도시된 x 방향) 중 적어도 하나 이상의 방향의 가속도를 검출하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 전술한 제1 방향 및 제2 방향 중 어느 하나의 방향의 가속도 신호를 검출하게 되면 이를 기초로 속도 정보 산출 및 고장진단을 수행할 수 있게 되나, 양측 방향의 신호를 모두 검출해 이용하게 되면 2개의 신호를 상호 대비해 속도 정보를 산출하거나 고장진단을 수행할 수 있게 되어 신뢰성 있는 고장진단에 보다 유리할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 센싱부(110)에 포함되는 가속도 센서를 전술한 제1 방향(휠베어링의 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 방향), 제2 방향(회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 방향), 제3 방향(제1 방향 및 제2 방향에 모두 수직한 방향; 차축방향)의 가속도를 모두 측정할 수 있는 3축 MEMS 가속도 센서 등으로 형성할 수 있다.
한편, 차량의 주행 중에 검출되는 가속도 신호는 휠베어링의 회전 속도에 대응하는 가속도 신호(베이스 신호)와 차량 내외부의 요인에 의해 발생되는 가속도 신호(진동 신호)가 혼합된 상태로 출력될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치 및 진단방법은 보다 간편하고 신뢰성 있는 속도 산출 및 고장 진단을 수행하기 위해 가속도 센서로부터 검출된 가속도 신호를 휠베어링의 회전 속도에 따라 출력되는 베이스 신호와 휠베어링 구성요소나 차량 내외부의 요인에 의해 발생되는 진동 신호로 분리한 다음(도 6 참조), 분리된 신호를 이용해 속도 산출 및/또는 휠베어링의 고장 진단을 수행하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 가속도 신호로부터 추출된 베이스 신호는 앞서 설명한 속도 산출 방법에 따라 휠베어링의 회전속도 및/또는 차량의 주행속도를 산출하는데 이용될 수 있고, 진동 신호는 주파수(FFT) 분석 등을 통해 휠베어링의 각 구성요소(예컨대, 내륜, 외륜, 전동체 등)의 결함 유무를 판단하기 위한 기초 데이터로 이용될 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단장치(100)는 센싱부(110)의 가속도 센서로부터 검출된 가속도 신호 정보를 기초로 속도 정보를 산출한 다음 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 이용해 휠베어링의 고장진단을 수행하도록 구성되어 있기 때문에 휠속도 센서 등으로부터 속도 정보를 별도로 수신 받지 않아도 휠베어링의 상태를 원활하게 진단할 수 있고, 이로 인해 종래와 달리 휠베어링 또는 휠베어링 주변에 복잡한 구조의 진단장치를 형성할 필요가 없어 진단장치 및 휠베어링의 구조를 더욱 단순화하고 제조비용을 저감할 수 있게 된다.
한편, 도 7을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따라 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하는 진단 프로세스가 예시적으로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 휠베어링의 고장을 진단하기 위해서는 먼저 휠베어링 또는 휠의 일측에 장착된 센싱부(가속도 센서)를 통해 가속도 정보가 검출되어야 한다(S100). 이 때, 가속도 센서는 휠베어링의 회전에 따라 휠베어링과 함께 회전하면서 가속도를 측정하도록 구성될 수 있으며, 휠베어링의 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향, 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 적어도 하나 이상의 방향의 가속도를 검출하도록 구성될 수 있다.
이러한 방식으로 가속도 센서를 통해 가속도 정보가 검출되면, 검출된 가속도 신호는 신호 분리 단계(S200)를 통해 베이스 신호와 진동 신호로 분리되어, 베이스 신호는 검출된 가속도 정보에 기초해 속도 정보를 산출하는 등에 이용되고[예컨대, 도 5에 도시된 가속도 신호는 베이스 신호를 의미할 수 있음], 진동 신호는 휠베어링의 고장이나 이상 작동 여부를 진단하는데 이용될 수 있게 된다.
구체적으로, 베이스 신호는 도 4 및 도 5와 관련해 앞서 설명한 방식으로 속도 정보(및/또는 회전 주파수 정보)를 산출하고(S300), 결함 주파수 대역을 연산(S400)하는데 이용될 수 있으며, 진동 신호는 신호 필터링이나 신호 스무딩 등의 데이터 전처리(S500)를 통해 노이즈를 제거한 다음 고장 진단을 위한 주파수 분석(S600)이 수행되도록 구성될 수 있다.
한편, 전술한 단계를 통해 고장진단 수행을 위한 기초 데이터가 수집되면 이들 데이터에 기반해 휠베어링에 고장 또는 이상 작동이 발생하였는지를 판단하는 고장진단(S700)이 수행될 수 있으며, 진단 결과는 표시부 등을 통해 외부로 표시되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고장진단 단계(S700)에서 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부는, 예컨대 진동 신호에서 피크 신호가 발생하는 주파수 대역을 베이스 신호로부터 연산된 결함 주파수 대역과 대비해 양측 주파수 대역이 일치하는 경우에는 고장으로 진단하고 일치하지 않는 경우에는 정상상태로 진단하도록 구성될 수 있다.
다만, 도 7에 도시된 전술한 진단 프로세스는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 고장진단 과정을 개략적으로 설명하기 위해 예시적으로 도시된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 진단방법은 반드시 도 7에 도시된 진단 프로세스에 따라 수행되도록 구성되어야 하는 것은 아니며, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠베어링의 진단방법은 도 7과 다른 방식의 진단 프로세스를 통해 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하도록 구성되어도 무방하다.
예컨대, 도 7에 도시된 진단 프로세스에서 각 프로세스 단계들은 시계열적 단계로 도시 및 설명되어 있으나, 도 7에 도시된 일부 프로세스들은 동시에 수행되도록 구성되거나 순서가 변경되어 수행되도록 구성될 수도 있으며, 일부 프로세스가 생략되거나 일부 프로세스가 추가되어 수행되도록 구성될 수도 있다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면을 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐이며, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 사상은 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 차량용 휠베어링
100: 진단장치
100a: 센싱 디바이스
100b: 진단 디바이스
110: 센싱부(가속도 센서)
120: 저장부
130: 진단부
140: 표시부
150: 제1 입출력부
160: 제2 입출력부

Claims (10)

  1. 휠베어링의 고장 또는 이상 작동 여부를 진단하기 위한 진단방법이며,
    휠베어링의 회전 중심축 또는 회전 중심축으로부터 반경방향으로 이격된 위치에 장착되어 휠베어링과 함께 회전하는 가속도 센서를 통해 가속도 정보를 검출하는 가속도 검출 단계와,
    가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보를 기초로 속도 정보를 산출하는 속도 산출 단계와,
    가속도 센서로부터 검출된 가속도 정보와 이로부터 산출된 속도 정보를 기초로 휠베어링을 진단하는 진단 단계를 포함하고,
    상기 가속도 검출 단계에서 가속도 센서는 휠베어링의 회전 중심축으로부터 반경방향으로 연장하는 제1 방향 및 휠베어링의 회전 중심축에 수직한 평면 내에서 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 하나 이상의 방향의 가속도 정보를 수집하도록 구성되는,
    휠베어링의 진단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가속도 센서는 휠베어링의 회전에 따라 상기 제1 방향과 상기 제2 방향 중 하나 이상의 방향의 가속도 정보를 싸인파형 신호로 출력하는,
    휠베어링의 진단방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가속도 센서로부터의 가속도 정보를 기초로 산출되는 속도 정보는 가속도 센서에서 출력되는 싸인파형 신호에서 1주기의 신호가 형성되는데 걸리는 시간을 고려해 산출되도록 구성되는,
    휠베어링의 진단방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가속도 검출 단계와 상기 속도 산출 단계 사이에 검출된 가속도 신호를 베이스 신호와 진동 신호로 분리하는 신호 분리 단계를 더 포함하는,
    휠베어링의 진단방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 속도 산출 단계에서 속도 정보는 상기 베이스 신호에 기초해 산출되는,
    휠베어링의 진단방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진단 단계에서 휠베어링의 진단은 상기 진동 신호를 기초로 수행되는,
    휠베어링의 진단방법.
  7. 제6항에 있어서
    상기 진단 단계에서 휠베어링의 진단은 상기 진동 신호에서 피크 신호가 발생하는 주파수 대역이 상기 베이스 신호로부터 연산된 결함 주파수 대역과 일치하는 경우 휠베어링에 고장 또는 이상 작동이 발생한 것으로 판단하도록 구성되는,
    휠베어링의 진단방법.
  8. 제7항에 있어서
    상기 진단 단계에서 휠베어링에 고장 또는 이상 작동이 발생한 것으로 판단된 경우 이를 외부로 표시하는 알림 단계를 더 포함하는,
    휠베어링의 진단방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가속도 센서는 휠베어링에 장착되는 휠의 일측에 탈부착 가능하게 장착되어 가속도 정보를 검출하도록 구성되는,
    휠베어링의 진단방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 가속도 센서는 휠베어링에 휠을 장착하는데 이용되는 휠장착 볼트 또는 휠장착 너트에 탈부착 가능하게 장착되어 가속도 정보를 검출하도록 구성되는,
    휠베어링의 진단방법.
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