KR20210114314A - 차량에 설치하여 차축의 하중을 측정하는 장치 및 그 방법 - Google Patents

차량에 설치하여 차축의 하중을 측정하는 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

차량에 설치하여 차축의 하중을 측정하는 장치 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 측정장치는 차량의 차축에 설치하여, 적재하중에 의해 차축이 변형될 때 차축의 두 지점 사이의 미세한 변형량의 차이를 측정하여 차축의 하중을 측정할 수 있다. 부가적으로 본 발명의 측정장치는 적재하중이 기준 크기 이상이 되면, 차량의 가변축을 제어하는 제어장치에게 제어신호를 제공하여 가변축을 내리도록 제어할 수도 있다.

Description

차량에 설치하여 차축의 하중을 측정하는 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Measuring Load Weight of Axises of a Car}
본 발명은 완성차에 설치하는 장치로서, 적재하중에 의해 차축이 변형될 때 차축의 두 지점 사이의 미세한 변형량의 차이를 측정하여 차축의 하중을 측정하는 장치에 관한 것이다.
운행 중인 차량, 특히 화물 차량의 차축에 부과된 하중은 과적 방지 및 가변축 제어 등 여러 가지 이유로 측정이 필요하다. 축당 하중에는 정해진 규격이 있는데 정격을 넘겨 적재하게 되면, 차량 파손과 도로 파손의 원인이 되기도 한다. 그래서 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 부가되는 하중을 줄이기 위한 방법으로 널리 사용되는 것 중 하나가, 가변 축을 사용하는 것이다. '가변 축'이란 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 내려지고 올려진다. 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 분산 지지한다. 리프트 에어벨로우즈와 로드 에어벨로우즈는 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. 그러나 가변축 자체가 완성차에 부가장착하는 형태로 일부 국가에서만 허용되는 것이기 때문에, 차축에 작용하는 하중을 측정하는 장치도 완성차에 부가장착하는 형태로 개발된다. 대한민국 공개특허 제10-2009-0073976호는 현가장치의 스프링의 처짐량을 측정하여 하중을 계산하는 방법을 제시하고, 대한민국 공개특허 제10-1999-0004089호는 차대와 스프링 연결부분에 로드셀(Load Cell)을 설치하는 방법을 제시한다. 스프링의 처짐을 인식하는 장치는 대형 장치로서 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.
한편, 정적인 상태에서 차축에 작용하는 하중은 판스프링에서 전달되는 적재 하중과 타이어에서 발생하는 지면 반력을 포함한다. 이 두 하중과 하중에 따른 모멘트 성분에 의해 차축은 미세하게 변형된다. 차축은 고강성 소재로 변형되지 않도록 제작되기 때문에, 차축의 변형은 대단히 작아서 일반적으로는 육안으로 확인할 수 없다. 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 변형된다고 할 수 있다.
다판 스프링 구조의 현가장치를 구비한 화물차량의 차축에 작용하는 수직방향 힘은 적재하중이다. 적재 하중이 판스프링 결합 부분을 통해 차축으로 전달되면, 직선이던 차축은 미세하게 변형되어 곡선이 된다. 실험해 보면, 5톤 중형화물차량에 18톤 중량을 적재할 때 구동 차축의 수직방향으로의 변형은 약 200 마이크로미터(㎛) 정도이며, 차축의 변형은 적재하중에 비례한다. 화물을 적재하는 중이거나 차량을 운행하는 중에 차축에 발생하는 미소 변형량을 측정할 수 있다면, 하중과 변형량의 관계에서 차축에 가해지는 하중을 측정할 수 있다.
종래에 스트레인 게이지를 사용하여 차축의 변형량 측정하는 방법(대한민국 공개특허 제10-2019-0080183호)이 제시되었다. 스트레인 게이지를 차축에 고정한 상태에서 차축의 변형이 스트레인 게이지의 변형으로 전달되면, 변형량을 측정할 수 있다. 다만, 스트레인 게이지는 워낙 미세하고 민감한 센서이기 때문에 차축의 변형만을 인식할 수 있도록 차축에 충분한 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)
본 발명의 목적은 차량에 설치하여 축의 하중을 측정할 수 있는 장치를 제공함에 있다. 특히, 본 발명은 완성차에 설치하는 장치로서, 적재하중에 의해 차축이 변형될 때 차축의 두 지점 사이의 미세한 변형량의 차이를 측정하여 차축의 하중을 계산하는 장치를 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 차량에 가변축이 설치된 경우에 그 가변축 제어장치와 연결되어, 적재하중이 기설정된 기준값 이상이 되면 가변축을 내리도록 제어하는 제어신호를 가변축 제어장치에게 제공할 수 있는 장치를 제공하는 것이 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차축 하중 측정장치는 차량에 설치되어 차축의 하중을 측정할 수 있다. 측정장치는 차축에 설치되는 측정단말과, 상기 측정단말과 통신하는 계산모듈을 포함한다. 측정단말은 차축이 적재하중에 의해 변형될 때, 상기 차축 상에 기설정된 고정점에서 측정방향으로의 변형량과 상기 고정점에서 이격된 측정점에서 상기 측정방향의 변형량의 차이를 측정하여, 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 계산모듈로 전송한다. 상기 계산모듈은 상기 측정단말이 제공하는 전기신호를 이용하여 상기 측정방향의 변형량의 차이로부터 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이를 계산하고, 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이에 비례하는 하중을 계산한다.
상기 측정단말은 측정부와 회로부를 포함한다. 실시 예에 따라, 상기 측정부는 접촉식 또는 비접촉식으로 구현될 수 있다. 접촉식에서, 상기 측정부는 상기 측정점에 일단이 접촉한 컨틸레버 형태의 측정단과 상기 측정단의 타단을 지지하며 상기 고정점에 고정된 몸체를 구비한다. 측정부는 상기 측정단의 일단이 상기 측정방향으로 움직인 변위에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 생성한다. 이때, 상기 측정단의 일단은 적재하중에 의해 상기 차축의 수직방향 변형이 생길 때 상기 측정방향으로 움직이도록 구현된다. 접촉식에서, 상기 측정부는 상기 측정점을 향해 상기 측정방향으로 광선을 조사하여 상기 측정점까지의 거리를 측정하는 센서와 상기 센서를 수용하며 상기 고정점에 고정된 몸체를 구비하고, 상기 측정방향에서 상기 측정점까지의 거리에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 생성한다.
회로부는 상기 측정부가 생성하는 전기신호를 증폭하여 상기 계산모듈로 전송한다.
실시 예에 따라, 상기 측정단말은 상기 측정방향을 인식하는 방향센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 계산모듈은 상기 방향센서의 측정값을 이용하여 상기 측정방향을 계산하여, 상기 측정방향의 변형량으로부터 상기 차축의 수직방향 변형량을 계산할 수 있다. 상기 측정방향이 수직방향으로 설정되면 측정부의 측정값이 차축의 수직방향 변형 자체이므로 바람직하다.
다른 실시 예에 따라, 상기 계산모듈은, 차량이 평지에 주차한 상태에서 상기 방향센서가 인식한 방향을 측정방향으로 설정하고, 차량이 경사면에 위치하여 상기 방향센서가 인식한 방향이 상기 측정방향과 일정한 크기 이상 달라지면 상기 측정단말이 제공하는 신호를 무시하고 하중을 계산하지 않을 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 고정점은 상기 차축과 상기 차축을 지지하는 판스프링이 결합되는 부분으로 설정되는 것이 좋다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 회로부는, 상기 차축 부근의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하여 상기 측정부의 전기 신호를 상기 검출온도에 따라 보상할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 측정단말은 개별 식별번호로 구분되며 상기 차량의 차축마다 적어도 하나가 설치될 수 있고, 상기 계산모듈은 표시부를 포함할 수 있다. 계산모듈은 상기 식별번호로 상기 측정단말이 제공하는 신호를 구분하여 개별적으로 하중을 계산하여 상기 표시부에 표시할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 측정단말은 상기 차축의 고정점에 부착되어 상기 측정부의 몸체를 지지함으로써 상기 몸체를 상기 고정점에 고정하는 고정부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시 예에 따라, 상기 계산모듈은, 상기 측정단말을 통해 계산한 차축의 하중이 기설정된 기준값 이상이 경우에 상기 차량에 설치된 가변축을 제어하는 가변축 제어장치에게 제어신호를 제공하여 상기 가변축이 하강되도록 제어할 수 있다.
본 발명은 차량의 차축의 하중을 측정하는 방법에도 미친다. 본 발명의 방법은, 차축이 적재하중에 의해 변형될 때, 상기 차축에 설치된 측정단말이 상기 차축 상에 기설정된 고정점에서 측정방향으로의 변형량과 상기 고정점에서 이격된 상기 차축 상의 측정점에서 상기 측정방향의 변형량의 차이를 측정하는 단계와; 상기 측정단말이 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 계산모듈로 제공하는 단계와; 상기 계산모듈이 상기 측정단말로부터 제공되는 전기신호를 이용하여 상기 측정방향의 변형량의 차이로부터 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이를 계산하고, 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이에 비례하는 하중을 계산하는 단계를 포함한다.
실시 예에 따라, 상기 측정하는 단계는 접촉방식 또는 비접촉방식으로 구현될 수 있다. 접촉방식에서 상기 측정하는 단계는, 상기 고정점에 고정된 본체와 상기 측정점에 일단이 접촉하고 타단이 상기 본체에 고정된 캔틸레버 형태의 측정단을 구비한 상기 측정단말이, 상기 차축이 적재하중에 의해 변형될 때 상기 측정단이 측정방향으로 움직인 변위에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 생성할 수 있다.
비접촉 방식에서, 상기 측정하는 단계는, 상기 고정점에 고정된 몸체에 수용된 센서가 상기 측정점을 향해 상기 측정방향으로 광선을 조사하여 상기 측정점까지의 거리를 측정하고 상기 측정점까지의 거리에 대응하는 전기신호를 생성함으로써 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 측정장치는 차량의 차축에 설치하여 차축에 부가된 하중을 일반적인 센서를 이용하여 비교적 간단한 방법으로 측정할 수 있다.
본 발명은 차축의 임의의 두 점 사이의 수직방향 변형을 측정하는데, 본 발명의 측정장치의 설치과정에서 수직방향과 비틀어진 상태에서 측정되더라도 그 설치 방향을 인식하여 측정값을 보정할 수 있다. 따라서 측정장치를 차량에 설치할 때의 오류를 자동으로 보정할 수 있다. 다시 말해, 완성차에 본 발명의 측정장치를 장착하는데 있어서 과도한 노력이 필요없다.
또한, 본 발명의 측정장치는 차량이 운행 중에 경사면에 위치함에 따라 적재하중이 차축에 미치는 영향이 왜곡되는 상황을 인식하여 자동으로 하중을 측정하지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 차량용 차축 하중 측정장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 차량용 차축 하중 측정장치를 도시한 도면,
도 3은 도 2의 측정장치가 차축에 설치된 예를 도시한 도면,
도 4는 차량에 복수 개의 측정장치가 설치된 예를 도시한 도면, 그리고
도 5는 적재하중에 의해 차축의 처짐이 발생한 상태를 모델링한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 차량용 차축 하중 측정장치(100)는 복수 개의 측정단말(110, 110b, 110c, 110d)과, 계산모듈(190)을 포함하여 차축에 가해지는 하중을 측정한다.
복수 개의 측정단말(110, 110b, 110c, 110d)은 유선 또는 무선 네트워크 수단을 통해 계산모듈(190)에 연결되는데 종래에 알려진 어떠한 네트워크 수단이어도 무방하다. 유선 네트워크라면, 차량용 통신수단으로 널리 사용되는 캔(CAN: Controller Area Network) 통신 또는 RS-485와 같은 방식을 이용할 수 있다. 도 1은 캔 통신이 적용된 예이다.
본 발명의 차축 하중인식은 적재하중에 의한 차축의 수직방향 변형을 센서를 이용하여 인식한 다음, 그 변형량을 이용하여 하중을 계산하는 방식을 사용한다. 이때, 본 발명이 특정하는 '수직방향'은 차량이 수평면에 위치한 상태의 중력방향으로 고정되며, 경사면에 위치한 상태에서 중력방향을 포함하는 것이 아니다. 본 발명은 차축의 특정 지점의 처짐량을 직접 측정하는 것이 아니라, 차축의 두 개 지점 사이의 처짐량의 차이를 인식하는데 있다. 이를 위해, 센서를 차축의 일 지점(이하, '고정점'이라 함)에 고정한 상태에서 고정점과 이격된 '측정점'의 변형을 측정한다. 따라서 고정점은 차축(10)의 어느 위치에 적용해도 무방하며 측정점과 이격되어 있으면 족하다.
차축(10)의 수직방향으로의 처짐은 차축 전체에 걸쳐 발생한다. 차축(10)은 현가장치의 좌우 두 개 판스프링과 연결되어 하중을 받기 때문에 차축(10)의 좌/우에 각각 하중점이 생긴다. 따라서 하중점은 현가장치 판스프링과 차축(10)이 결합된 부분으로 적재물의 하중이 프레임과 판스프링을 거쳐 전달되는 부분이다. 도 5를 참조하면, 차축(10)을 단일 탄성 빔으로 모델링할 때, 적재물의 하중(W)이 고르게 분배된다고 가정하면 하중점마다 전체 하중의 1/2이 가해진다. 이런 상황을 종합적으로 고려하면, 고정점은 차축(10)과 판스프링(미도시)이 결합되는 하중점에 설정하는 것이 좋다. 측정점은 고정점을 기준으로 차축(10)상의 좌측 또는 우측 어느 한쪽에 지정된다. 따라서 측정단말(110)은 차축(10)에 설치되어야 하며, 차량에는 복수 개의 차축(10)이 있기 때문에 차축(10)마다 적어도 하나의 측정단말(110)을 설치할 수 있다.
측정단말(110)은 차량의 차축마다 설치될 수 있기 때문에, 계산모듈(190)에는 복수 개의 측정단말(110, 110b, 110c, 110d)이 연결될 수 있다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 측정단말(110)은 고정부(111), 측정부(130), 방향센서(150) 및 회로부(170)를 포함하여, 고정점에서 기설정된 측정방향의 차축의 변형량과 측정점에서 측정방향의 차축의 변형량의 차이를 측정하고 그 측정한 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 계산모듈(190)로 제공한다. 여기서 '측정방향'은 측정점을 수직으로 지나는 방향 중 하나로서, 측정부(130)의 측정방향으로 하드웨어적으로 고정된 방향이다. 차축(10)의 수직방향 변형량을 측정하는 것이 목적이므로, 측정단말(110)이 차축(10)에 설치될 때 측정방향이 차축(10)의 수직방향이 되도록 설치하는 것이 바람직하다. 측정단말(110)은 고정점에 고정된 상태에서 측정점의 변위를 측정함으로써, 고정점과 측정점에서 측정방향의 차축의 변형량의 차이를 측정한다.
고정부(111)는 측정부(130)를 차축(10)의 고정점에 고정하는 장치로서 본 발명의 필수 구성이 아니다. 측정부(130) 자체를 차축(10)에 고정할 수 있으면 고정부(111)가 필요없다. 고정부(111)는 측정부(130)를 차축(10)의 고정점에 고정하기 위한 것이므로, 차축(10)에 완전히 고정되어야 한다. 고정부(111)를 고정하는 방법은 다양하며, 예를 들어 도 3에 도시된 것처럼 고정부(111)를 차축(10)에 용접할 수 있다. 한편, 도 2의 예에서 고정부(111)는 측정부(130)가 부착되는 평평한 부착면을 가지는데 측정단말(110)의 '측정방향'과 관련되어 있어서 측정방향에 수직한 면이다.
측정부(130)는 고정부(111)에 고정된 상태에서 차축(10)의 측정점에서의 측정방향으로의 차축(10)의 변형을 인식함으로써 고정점과 측정점에서의 차축(10)의 변형량의 차이를 측정한다. 앞서 설명한 것처럼, 하중 계산에 사용되는 것은 차축(10)의 수직방향(중력방향) 변형이므로, 측정방향도 수직방향(중력방향)인 것이 바람직하다. 다만, 차량의 차축(10)에 설치하는 과정에서 측정방향을 수직방향으로 설치하지 못할 수도 있다. 이처럼, 측정방향이 수직방향이 아니면, 계산모듈(190)에서 그 오차를 보정해야 한다. 오차 보정에는 측정방향이 수직방향을 기준으로 벌어진 각도를 인식할 필요가 있으며, 수직방향을 기준으로 벌어진 각도를 인식하기 위해 방향센서(150)를 사용한다. 방향센서(150)는 예를 들어 자이로 센서를 사용할 수 있으며, 계산모듈(190)은 방향센서(150)가 제공하는 값을 이용하여 측정단말(110)의 측정방향을 인식하고 수직방향에서 벌어진 각도를 계산한다.
측정부(130)는 고정점에 고정된 상태에서 측정점이 측정방향으로 변형된 양을 접촉 또는 비접촉 방식으로 측정한다. 다시 말해, 측정부(130)는 측정방향의 고정된 일 지점(고정점이 아님)에서 측정점까지의 거리변화를 접촉 또는 비접촉으로 측정한다.
도 2 및 도 3은 접촉방식의 예로서, 측정부(130)는 일단이 측정점에 접촉하는 측정단(131)과, 측정단(131)의 타단을 지지하며 측정단(131)의 변형을 인식하는 몸체(133)를 포함한다. 측정단(131)은 일종의 캔틸레버(Cantilever) 구조로, 외력, 즉 차축(10)의 변형에 의해 가압되는 부분으로서, 일단은 자유단으로서 차축(10)에 밀착된 상태로 설치되고 타단은 내부에 고정된다. 측정단(131)의 일단은 측정점에 접촉됨으로써 고정점을 기준으로 측정방향으로 움직이도록 구현된다. 적재하중에 의해 차축(10)에 수직방향의 변형이 생기면, 측정단(131)도 가압되면서 측정방향으로 움직인다. 몸체(133)는 측정단(131)의 타단이 측정방향으로 움직인 변위를 전기신호로 변환한다.
예를 들어, 측정부(130)는 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(130)로 로드셀을 사용할 경우에, 측정단(131)의 움직임은 스트레인 게이지에 의해 전기 신호로 바뀐다.
종래의 다양한 센서기술에 의하면, 비접촉 방식으로는, 예를 들어 고주파 초음파 센서와 같은 비접촉 센서를 사용할 수 있다. 고주파 초음파 센서는 측정방향의 일 지점에서 측정점을 향해 광선을 조사하고 반사되는 광선을 이용하여 측정점까지의 거리를 인식한다. 적재하중에 의해 차축(10)이 변형되면 측정방향에서의 측정점까지의 거리가 변하게 되는데, 고주파 초음파 센서가 그 변경된 거리를 측정함으로써 고정점과 측정점에서의 차축(10)의 변형량의 차이를 측정할 수 있다. 도 2를 참조할 때, 측정단(131)을 대신하여, 몸체(133)에 초음파 센서와 같은 비접촉 센서가 장착되어 측정방향에서의 측정단까지의 거리를 측정하게 된다.
방향센서(150)는 측정부(130)의 측정방향이 수직방향에서 얼마나 벗어나 있는지를 인식하는데 기여할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 무방하다. 예를 들어, 측정방향의 각도를 인식하는 가속도 센서(Acceleration Sensor) 또는 자이로 센서(Gyro Sensor)를 이용할 경우에, 계산모듈(190)은 방향센서(150)가 제공한 각도를 이용하여 측정방향이 수직방향과 이격된 각도를 인식할 수 있다.
회로부(170)는 측정부(130)가 생성하는 전기신호를 처리하여 계산모듈(190)에게 전송하며, 방향센서(150)가 측정한 측정값도 계산모듈(190)에게 전송한다. 회로부(170)는 제1 통신부(171), 신호처리부(173) 및 온도센서(175)를 포함한다. 한편, 방향센서(150)는 측정부(130)의 일측에 부착될 수도 있지만, 회로부(170)에 내장되어 회로부(170) 전원으로 동작할 수도 있다.
제1 통신부(171)는 신호처리부(173)가 생성한 전기신호를 자신의 식별번호와 함께 계산모듈(190)에게 전송한다. 예를 들어, 제1 통신부(171)는 캔 통신모듈이 될 수 있다. 신호처리부(173)는 측정부(130)로부터 전기신호를 읽어와 계산모듈(190)로 전송할 수 있도록 기본적인 노이즈 제거, 필터링 및 증폭 등을 수행한다. 온도센서(175)는 측정단말(110)이 설치된 부분의 온도를 측정하는 센서로서, 신호처리부(173)는 온도센서(175)가 측정한 온도를 기초로 전기신호에 발생하는 오차를 보상한다. 외부 온도에 따라 측정부(130)의 변형량 인식에 오차가 발생할 수 있기 때문이다.
계산모듈(190)에는 복수 개의 측정단말이 연결될 수 있으며, 각 측정단말은 식별번호로 구분된다. 도 4는 각 축마다 2개의 측정단말이 설치되어 모두 8개의 측정단말(110a, 110b, 110c, 110d, 110e, 110f, 110g, 110h)이 설치된 예로서, 캔 통신을 위한 케이블을 이용하여 계산모듈(190)에 연결되어 있다.
계산모듈(190)은 제2 통신부(191), 표시부(193) 및 제어부(195)를 포함한다. 제2 통신부(191)는 측정단말(110)의 제1 통신부(171)와 통신한다. 한편, 복수 개의 측정단말(110)이 하나의 차량에 설치된 경우에는 제2 통신부(191)는 복수 개의 제1 통신부(171)와 연결된 형태가 되고 통신 마스터(Master)로 동작한다.
표시부(193)는 제어부(195)에 의해 동작하며, 제어부(195)가 각 측정단말(110)별로 계산한 적재하중을 표시하거나, 적재하중이 기설정된 기준값 이상인 경우에 그 이상 여부를 표시할 수 있으며, 그 밖에도 본 발명의 하중 측정장치(100)의 동작 상태 및/또는 제어를 위한 정보가 표시된다.
제어부(195)는 개별 측정단말(110)별로 적재하중을 계산한다. 제어부(195)는 우선 측정단말(110)이 제공하는 전기신호를 이용하여 측정방향의 변형량의 차이를 인식하고, 측정방향의 변형량 차이로부터 차축(10)의 수직방향 변형량의 차이를 계산한다. 차축(10)의 수직방향 변형량의 차이가 계산되면, 제어부(195)는 차축의 수직방향 변형의 차이에 비례하는 적재하중을 계산한다.
차축의 수직방향 변형량의 차이로부터 적재하중의 계산
도 5를 참조하면, 차축(10)의 수직방향으로의 처짐은 차축 전체에 걸쳐 발생한다. 이때 차축(10)을 단일 탄성 빔으로 모델링할 때, 차축(10)의 좌/우에 적재물의 하중(W)이 고르게 분배된다고 가정하면, 하중의 1/2씩 하중점에 가해진다. 하중점은 현가장치 판스프링과 차축(10)이 결합된 부분으로 적재물의 하중이 프레임과 판스프링을 거쳐 전달되는 부분이다.
차축(10)의 임의의 지점에서의 처짐량은 적재하중과 선형적 비례관계에 있기 때문에 차축(10)의 임의 지점의 처짐량을 계산하면 적재하중을 계산할 수 있다. 다만, 차축(10)의 임의의 지점에서의 처짐량은 지점의 차축 선상의 위치에 따라, 즉 여러 조건에 따라 달라진다. 변형전의 차축(10)을 기준으로 처짐량을 직접 측정하기는 차량의 구조상 어렵다. 그러나 차축(10) 상에 두지점을 특정하고, 두 지점중 한 지점을 고정점으로 하고 다른 한 지점을 측정점으로 두 지점간의 처짐량의 차이를 측정할 수 있다.
수학식 1은 적재하중을 계산하기 위한 것으로서, 고정점에서의 차축의 처짐량(y1)과 측정점에서의 차축의 처짐량(y2)의 차이로부터 적재하중(W)을 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, y1은 고정점의 처짐량이고, y2는 측정점의 처짐량이며, K는 비례상수이다. 고정점과 측정점 사이의 수직방향 처짐량의 차이(y1-y2)는 측정단말(110)이 제공하는 전기신호로부터 이론적인 방법 또는 실험적인 방법으로 계산할 수 있으며, 비례상수 K도 마찬가지 방법으로 구할 수 있다.
<측정방향과 수직방향 사이의 오차>
방향센서(150)가 제공하는 측정값을 이용하면, 제어부(195)는 수직방향에서 측정방향이 벌어진 각도를 계산할 수 있다. 이 각도와 삼각함수 방법을 이용하면, 측정방향이 수직방향과 다름에 따른 고정점과 측정점 사이의 처짐량의 차이(y1-y2) 또는 적재하중의 오차를 보정할 수 있다.
경사면의 하중 측정 오차
한편, 차량이 경사면에 위치하면 적재하중이 차축(10)에 미치는 영향이 분산되어 차축의 수직방향 변형이 왜곡될 수 있고, 그 왜곡에 따라 정확한 하중 측정이 불가능해진다.
따라서, 차축별 적재하중의 측정은 차량이 평지에 주차한 상태에서 수행되어야 한다. 제어부(195)는 차량이 평지에 주차한 상태에서 방향센서(150)가 제공한 측정값(설정값)으로 측정방향을 설정한다. 만약, 방향센서(150)가 제공한 측정값이 설정값을 일정 크기 이상으로 차이가 나면, 차량이 평면이 아닌 경사면에 위치해 있는 것으로 판단할 수 있다.
차량이 일정한 범위를 벗어나 경사면에 위치한 것으로 판단되면, 제어부(195)는 측정단말(110)이 제공하는 정보를 무시하고 적재하중을 계산하지 않을 수 있다.
가변축 제어
종래기술에서 설명한 것처럼, 차량에는 축중 하중이 기설정된 기준값 이상인 경우에 차축(10)에 부가된 하중을 분산하기 위해 가변축 시스템(미도시)을 장착할 수 있다. 가변축 시스템은 가변축을 작동하는 리프트 에어 벨로우즈(Lift Air Bellows)와 로드 에어 벨로우즈(Load Air Bellows)를 구동하는 구동부(미도시)와, 구동부를 제어하는 가변축 제어장치(미도시)를 구비한다. 이런 경우에, 본 발명의 하중 측정장치(100)는 가변축 제어장치(미도시)와 연결될 수 있다. 측정장치(100)가 제어신호를 제공하면, 가변축 제어장치는 제어신호에 따라 가변축을 하강하거나 상승시킨다. 이때, 측정장치(100)와 가변축 제어장치는 캔 통신에 함께 연결될 수도 있지만, 가변축 제어장치가 단순히 접점신호의 형태로 제어신호를 수신하여 가변축을 제어할 수 있다.
제어부(195)는 차축(10)의 하중이 기설정된 기준값 이상이 경우에 가변축 제어장치에게 제어신호를 제공하여 가변축이 하강하도록 제어할 수 있다.
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 (10)

  1. 차량에 설치되어 차축의 하중을 측정하는 측정장치에 있어서,
    차축이 적재하중에 의해 변형될 때, 상기 차축 상에 기설정된 고정점에서 측정방향으로의 변형량과 상기 고정점에서 이격된 측정점에서 상기 측정방향의 변형량의 차이를 측정하여, 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 계산모듈로 제공하며 상기 차축에 설치되는 측정단말; 및
    상기 측정단말이 제공하는 전기신호를 이용하여 상기 측정방향의 변형량의 차이로부터 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이를 계산하고, 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이에 비례하는 하중을 계산하는 상기 계산모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정단말은 상기 측정방향을 인식하는 방향센서를 더 포함하고,
    상기 계산모듈은 상기 방향센서의 측정값을 이용하여 상기 측정방향을 계산하여, 상기 측정방향의 변형량의 차이로부터 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계산모듈은,
    차량이 평지에 주차한 상태에서 상기 방향센서가 인식한 방향을 측정방향으로 설정하고, 차량이 경사면에 위치하여 상기 방향센서가 인식한 방향이 상기 측정방향과 일정한 크기 이상 달라지면 상기 측정단말이 제공하는 신호를 무시하고 하중을 계산하지 않는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측정단말은,
    상기 차축 부근의 온도를 검출하는 온도 센서를 더 포함하여 상기 전기 신호를 상기 검출온도에 따라 보상하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정점은 상기 차축과 상기 차축을 지지하는 판스프링이 결합되는 부분으로 설정되는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정단말은 상기 차량의 차축마다 적어도 하나가 설치되고 개별 식별번호로 구분되며,
    상기 계산모듈은 표시부를 포함하며, 상기 식별번호로 상기 측정단말이 제공하는 신호를 구분하여 개별적으로 하중을 계산하고 상기 표시부에 표시하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 계산모듈은,
    상기 측정단말을 통해 계산한 차축의 하중이 기설정된 기준값 이상이 경우에 상기 차량에 설치된 가변축을 제어하는 가변축 제어장치에게 제어신호를 제공하여 상기 가변축이 하강되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차축 하중 측정장치.
  8. 차량의 차축의 하중을 측정하는 방법에 있어서,
    차축이 적재하중에 의해 변형될 때, 상기 차축에 설치된 측정단말이 상기 차축 상에 기설정된 고정점에서 측정방향으로의 변형량과 상기 고정점에서 이격된 상기 차축 상의 측정점에서 상기 측정방향의 변형량의 차이를 측정하는 단계;
    상기 측정단말이 상기 차축의 측정방향의 변형량의 차이에 대응하는 전기신호를 계산모듈로 제공하는 단계; 및
    상기 계산모듈이 상기 측정단말로부터 제공되는 전기신호를 이용하여 상기 측정방향의 변형량의 차이로부터 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이를 계산하고, 상기 차축의 수직방향 변형량의 차이에 비례하는 하중을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 차축의 하중을 측정하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 측정단말은 방향센서를 이용하여 상기 측정방향을 인식하여 상기 계산모듈에게 제공하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하중을 계산하는 단계는, 상기 방향센서의 측정값을 이용하여 상기 측정방향을 계산하여 상기 측정방향의 변형량으로부터 상기 차축의 수직방향 변형량을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량의 차축의 하중을 측정하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 계산모듈은, 차량이 평지에 주차한 상태에서 상기 방향센서가 인식한 방향을 측정방향으로 설정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하중을 계산하는 단계는, 차량이 경사면에 위치하여 상기 방향센서가 인식한 방향이 상기 측정방향과 일정한 크기 이상 달라지면 상기 측정단말이 제공하는 신호를 무시하고 하중을 계산하지 않는 것을 특징으로 하는 차량의 차축의 하중을 측정하는 방법.
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