KR20220076276A - 차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치와 그 방법, 그리고 하중 측정장치를 구비한 가변축제어시스템 - Google Patents

차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치와 그 방법, 그리고 하중 측정장치를 구비한 가변축제어시스템 Download PDF

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Abstract

차축이 지지하는 하중을 측정하는 차량용 하중 측정장치와 그 방법, 그리고 하중 측정장치를 구비한 가변축제어시스템이 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 측정장치와 그 방법, 그리고 하중 측정장치를 구비한 가변축제어시스템{Arpparatus and Method for Measuring Load Weight of Axises of a Car, and Lift Axle Control System Comprising the Measuring Apparatus}
본 발명은 완성차에 설치하는 장치로서, 차축이 적재하중에 의해 인장되는 변위를 힘을 측정하는 소형 로드셀을 사용하여 계측한 다음 차량의 적재하중으로 계산하는 하중 측정장치와 그 방법, 그리고 하중 측정장치를 구비한 가변축제어시스템에 관한 것이다.
본 발명에서 설명하는 차축은 엄밀하게는 차축을 수용하는 차축 하우징을 포함하는 의미로 이해되어야 한다. 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 축 당 허용하중을 위반하는 일이 빈번하다.
축 당 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 하중(이하, '차축 하중'이라 함)을 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.
로드셀을 이용한 측정
한편, 힘을 측정하는 일반적인 방법으로 로드셀이 있다. 로드셀은 다양한 힘을 측정할 수 있으며, 로드셀을 차량의 상판과 현가장치(예를 들어 스프링) 사이에 설치하여 차량의 적재하중을 직접 측정할 수 있다. 다만, 적재하중의 범위가 수 톤에서 수십 톤에 이르고, 차축 당 하중으로 나누어도 십 톤에 이르기 때문에 측정범위가 넓은 고가의 대형 로드셀이 필요하다. 대형 로드셀은 가격의 부담으로 일반적으로 채택하기 어렵기도 하지만, 차량에 설치할 공간을 확보하는 것부터 진동과 충격에 대한 내구성의 문제도 있어서 거의 사용되지 않는 방법이다.
차축의 변형
적재하중에 의해 변형되는 차량 구성품 중에 차축이 있다. 자동차의 차축은 부착되어 있는 바퀴를 통해 차의 무게를 지지하는 부분으로서, 엔진에서 발생하는 동력을 전달하는 구동륜 차축과, 구동력을 전달하지 않는 종동륜 차축으로 구분 된다. 또한, 현가방식에 따라 좌/우 바퀴를 1개의 차축으로 결합한 일체식 차축과, 좌/우 바퀴가 각각 별개로 움직일 수 있게 되어 있는 분할식 차축으로 나누어진다.
차축은 다른 구성품과 대비해 가장 고강성체이며 변형량이 가장 적고 대략 마이크로미터(㎛) 단위로 미세하게 휜다. 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.
[관련 기술 문헌]
1. 대한민국 공개특허 제10-2009-0073976호 (차량의 하중 측정 장치 및 측정 방법)
2. 대한민국 공개특허 제10-1999-0004089호 (트럭의 화물적재량 측정 및 확인장치)
3. 대한민국 공개특허 제10-2013-0061904호 (상용차량 축하중 모니터링용 센서 조립 장치)
4. 대한민국 등록특허 제10-0884233호 (차량의 적재중량 측정장치)
본 발명의 목적은 차축이 적재하중에 의해 인장되는 변위를 소형 로드셀을 사용하여 계측한 다음 차량의 적재하중으로 계산하는 하중 측정장치 및 그 측정방법을 제공함에 있다. 이를 통해, 종래에 적재하중이 차축 또는 현가장치에 직접 작용하는 힘을 측정하는 방식으로 로드셀을 이용함에 따라 차량의 적재하중 계산에 측정범위가 넓은 대형 로드셀을 이용해야 하는 문제를 해결함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 차축 조립체에 소형 로드셀을 설치할 때 차축 조립체로부터 이격시켜 설치함으로써 차축의 미세한 변형을 증폭하여 측정값의 신뢰성을 높일 수 있고 동시에 진동에 의한 로드셀의 탈락이나 파손의 문제를 해결한 하중 측정장치 및 그 측정방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 하중 측정장치를 이용한 가변축제어시스템을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 차축 하중 측정장치는 차축이 축당 정격 허용하중 범위 내에서 선형적으로 변형되는데 착안하여 차량의 차축하중을 측정할 수 있다. 적재물의 하중에 대한 차축 하우징의 길이방향에서의 변형량 사이의 특성곡선을 측정하면, 히스테리시스 현상이 매우 적고 차축의 설계 허용하중의 최소 130% 안에서는 탄성변형 구간으로 변형량이 포화되지 않으며 1차 선형식으로 근사할 수 있다는 점을 발견했다. 따라서 차축 하우징의 미세한 변형량을 측정한다면 매우 정확한 하중을 계산할 수 있다.
본 발명은 보의 해석에 사용되는 이론을 차축에 적용하였다. 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 수직방향의 힘인 적재하중에 의해 선형적으로 변하는 특징이 있다. 출원인은 실험을 통해, 5톤 중형화물차량에 10톤 중량을 적재할 때 구동 차축의 수직방향으로의 변형은 약 200 마이크로미터 정도이며, 이때 차축의 변형은 적재하중에 비례하여 선형적인 특징이 있임을 확인했다.
하중측정장치
본 발명의 하중측정장치는 측정단말과 제어장치를 포함하고, 측정단말은 로드셀, 제1 고정구와 제2 고정구 및 통신부를 구비한다.
로드셀은 상기 차축 조립체의 제1 지점과 제2 지점 사이에 배치되어 상기 적재하중에 의해 상기 차량의 차축이 휠 때 상기 차축의 길이방향 인장에 의해 상기 제1 지점과 제2 지점이 벌어지는 변위를 측정한다. 제1 연결구와 제2 연결구는 상기 로드셀의 양단을 상기 제1 지점과 상기 제2 지점에 연결하되 상기 로드셀을 상기 차축 조립체로부터 이격시켜 상기 제1 지점과 제2 지점에 고정함으로써 상기 차축의 길이방향 인장을 증폭하여 상기 로드셀에게 제공한다. 통신부는 상기 로드셀의 측정값을 제어장치에게 제공한다.
상기 제어장치는 상기 측정단말의 측정값을 이용하여 상기 차축이 지지하는 차축 하중을 계산한다.
실시 예에 따라, 상기 로드셀은, 상기 차축이 하중에 의해 휘면서 상기 제1 지점과 제2 지점 사이를 벌리는 힘에 의해 변형되는 스테레인 게이지를 구비할 수 있다.
실시 예에 따라, 상기 제어장치는 차량에 적재물이 적재된 상태에서 상기 측정단말이 측정한 차축 변형량에 비례상수를 곱한 다음 공차 상태의 상기 차축이 지지하는 공차 하중을 더함으로써, 상기 차축하중을 계산한다.
다른 실시 예에 따라, 상기 비례상수는 다음의 수학식으로 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 상기 Wm은 최대 하중상태에서 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Wo는 공차상태에서 상기 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Lm은 최대 하중상태에서 상기 측정단말의 측정값이고, 상기 Lo는 공차상태에서 상기 측정단말의 측정값이다. 한편, 상기 제어장치는 상기 저울과 연결되어 상기 저울로부터 상기 Wm 과 Wo를 제공받을 수 있다.
다른 실시 예에 따라, 본 발명의 하중측정장치는 상기 차량의 가변축을 구동하는 에어탱크의 공기압을 측정하는 공기압 센서를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제어장치는 차축하중이 기설정된 값 이상이 되면 상기 가변축이 내려오도록 제어하는 제어신호를 별도의 가변축구동부에게 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 의하면, 상기의 하중측정장치를 이용하여 가변축을 구비한 차량에 설치되는 가변축 제어시스템을 구성할 수 있다. 가변축 제어시스템은 상기 하중측정장치와, 상기 가변축을 구동하는 가변축구동부를 구비한다. 이때, 상기 제어장치는 차축하중이 기설정된 값 이상이 되면 상기 가변축구동부를 제어하여 가변축이 내려오도록 제어한다.
본 발명은 하중측정장치의 차량 하중 측정방법에도 미친다. 하중 측정방법은. 적재하중에 의해 상기 차량의 차축이 휠 때 상기 차축의 길이방향 인장에 의해 차축 조립체의 제1 지점과 제2 지점 사이가 벌어지는 변위를 측정단말을 이용하는 측정하는 단계와; 상기 제어장치가 상기 측정단말의 측정값을 이용하여 상기 차축이 지지하는 차축 하중을 계산하는 단계를 포함한다.
상기 측정하는 단계는, 상기 제1 지점과 제2 지점 사이에 상기 측정단말의 로드셀을 배치하는 단계와; 상기 측정단말의 제1 연결구 및 제2 연결구가 상기 로드셀의 양단을 상기 제1 지점과 상기 제2 지점에 연결하되 상기 로드셀을 상기 차축 조립체로부터 이격시켜 상기 제1 지점과 제2 지점 사이에 고정함으로써 상기 차축의 길이방향 인장을 증폭하여 상기 로드셀에게 제공하는 단계와; 상기 측정단말의 통신부가 상기 로드셀의 측정값을 상기 제어장치에게 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명의 하중 측정장치는 차량의 차축(차축 하우징)이 적재하중에 의해 휘면서 차축에 설정된 임의의 두 지점 사이가 인장될 때의 미세한 변형량(힘 또는 변위)을 측정범위가 좁은 소형 로드셀을 이용하여 간단히 측정할 수 있다.
따라서 종래처럼 로드셀을 이용하여 적재하중을 계산하기 위해, 측정범위가 넓은 대형 로드셀을 이용하여 적재하중이 차축 또는 현가장치에 직접 작용하는 힘을 측정할 필요가 없다. 본 발명에 의해 종래에 로드셀을 이용하여 적재하중을 측정할 때 문제가 된, 대형 로드셀을 차체에 설치해야 하는 공간적 부담, 구조적 부담 및 경제적 부담이 거의 사라진다.
한편, 차축의 길이방향 변형은 허용된 적재하중 범위 내에서 매우 미세하고 그에 따라 선형적인 특징이 있음을 실험적으로 확인하였다. 따라서 로드셀 측정값과 적재하중 사이의 비례상수는 몇 번의 측정으로 간단히 계산할 수 있고, 차량마다 간단한 조정과정으로 설치할 수 있다.
다른 측면으로, 본 발명의 측정단말을 차축에 이격시켜 고정하여 차축의 변형량을 그대로 측정하지 않고 증폭한 상태로 측정함으로써, 차축의 미세한 변형량을 유의미한 값으로 변환하는 효과가 있고 그에 따라 상용 제품으로서 동작하도록 구현할 수 있다.
도 1은 적재하중에 의한 화물차량의 차축의 변화를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 차량용 차축 하중 측정장치의 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정단말을 도시한 도면,
도 4는 도 3의 측정단말을 차축에 설치한 상태를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 비례상수 K의 계산방법의 설명에 제공되는 흐름도,
도 6은 본 발명의 가변축 제어시스템이 설치된 차량을 도시한 도면, 그리고
도 7은 본 발명의 가변축 제어시스템의 블록도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
우선 설명의 편리를 위해, 차축에 작용하는 적재하중을 간단히 '차축 하중'이라 한다. 예를 들어, 특정 구동축이 지지하는 하중은 '구동축 하중'이라 하고, 가변축이 지지하는 하중은 '가변축 하중'이라 하며, 조향축이 지지하는 하중은 '조향축 하중'이라 한다. 본 발명의 차량 하중 측정장치(200)가 적용되는 차량은 도 6처럼 가변축(610)을 구비한 것일 수 있지만, 가변축(610)이 필수적으로 구비될 필요는 없다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 차량 하중 측정장치(200)는 차량에 설치되는 적어도 하나의 측정단말(201)과 제어장치(210)를 포함한다.
측정단말(201)은 차량의 여러 개 축(조향축 또는 구동축) 중에서 어느 축에라도 설치할 수도 있고, 축마다 설치할 수도 있으며, 동일한 축에도 여러 개가 설치될 수 있다. 따라서 하나의 차량에 복수 개의 측정단말(201)이 설치될 수 있다. 측정단말(201)은 설치 위치가 다를 뿐 동일한 구성이다. 한편, 앞서 설명한 것처럼, 본 발명에서 차축(10)은 엄밀하게는 차축을 수용하는 차축 하우징을 포함하는 의미다.
측정단말(201)은 차량의 차축(10)의 아래쪽에 고정되어 적재물 등에 의해 차축(10)이 휠 때 차축(10)이 길이방향으로 인장되는 변형량을 측정한다. 이를 위해, 측정단말(201)의 양단이 차축(10)에서 상호 이격된 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)에 고정되어, 차축(10)이 적재하중에 의해 휠 때 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2) 사이에 작용하는 인장력을 측정한다. 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)은 반드시 차축(10) 상의 지점일 필요는 없고, 차축(10)을 차량에 고정하는 고정구(11, 15)를 포함하는 차축 조립체 상의 지점이어도 무방하다. 그것은 차축(10)과 고정구(11, 15)가 상호 고정되어 있기 때문에 차축 조립체의 변형이 차축(10)의 변형을 선형적으로 반영하기 때문이다. 따라서 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)은 차축(10) 상의 지점일 수도 있고 차축(10)을 현가장치(미도시) 등에 고정하는 고정구 (11, 15)상의 지점일 수도 있다. 따라서 본 발명에서 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)의 위치로서의 차축은 차축조립체를 의미할 수 있다.
다만, 고정구의 변형을 측정하는 것이 아니기 때문에, 제1 지점과 제2 지점이 동일한 고정구 내에 설정되어서는 안된다. 도 4는 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)을 고정축 중 하나인 후축에 설정한 예로서, 제1 지점(P1)은 차축(10)을 현가장치(미도시)에 고정하는 현가장치측 고정구(11)에 설정하고, 제2 지점(P2)은 하축 하우징 중심부(13)측에 마련된 중심 고정구(15)에 설정한 예이다.
제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)은 차축(10)의 길이방향 중심축에 평행한 선 상에 위치하는 것이, 하중 측정에 차축의 다른 변형이 영향을 주는 것을 최소화할 수 있어서 바람직하다.
한편, 차축(10)은 강성체로서 허용 적재하중 범위 내에서는 미세한 변형이 있을 뿐이다. 따라서 측정단말(201)은 차축(10)의 인장 변형을 그대로 측정하는 것보다 인장되는 변위를 조금이라도 증폭하여 측정하는 것이 바람직하다. 측정단말(201)이 차축(10)으로부터 이격되면서, 차축(10)의 진동에 의해 분리되는 위험도 줄어든다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정단말(201)은 로드셀(Load Cell)(301)과, 로드셀(301)의 일단을 제1 지점(P1)에 고정하는 제1 연결구(303)와, 로드셀(301)의 타단을 제2 지점(P2)에 고정하는 제2 연결구(305)와, 통신부(301a)를 포함한다. 제1 연결구(303)의 양단은 로드셀(301)과 제1 지점(P1)에 고정할 수 있는 형태로 구현되고 제2 연결구(305)의 양단은 로드셀(301)과 제2 지점(P2)에 고정할 수 있는 형태로 구현되기 때문에, 제1 연결구(303)와 제2 연결구(305)의 양단은 로드셀(301)과 제1 지점(P1) 및 제2 지점(P2)의 모양에 따라 결정된다. 제1 연결구(303)와 제2 연결구(305)에 의해 로드셀(301)은 차축(10)으로부터 이격되어 고정된다.
도 4에서 예시적으로 도시한 로드셀(301)은 스트레인 게이지를 이용하여 인장력을 측정하는 타입으로서 'ㄹ'자 형태의 본체를 가진 것이다. 로드셀(301)이 적재하중을 직접 측정하는 것이 아니므로 로드셀(301)의 측정 가능한 부하(또는 힘)의 크기는 적재하중을 고려할 필요가 없고, 차축(10)의 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)이 인장되면서 로드셀(301)을 당기는 힘의 크기를 측정할 수 있으면 충분하다. 실험에 의하면, 대체로 500 Kg 미만을 측정할 수 있는 로드셀이면 충분하다.
도 4의 예에서, 제1 연결구(303)의 일단은 로드셀(301)에 볼트 조립되고, 타단은 차축(10)을 지지하는 현가장치측 고정구(11)에 용접하여 고정한다. 제2 연결구(305)의 일단은 로드셀(301)에 볼트 조립되고, 타단은 차축(10)의 중심부를 지지하는 중심 고정구(13)에 끼워 고정한다. 제1 연결구(303)와 제2 연결구(305)에 의해, 로드셀(301)은 차축(10)으로부터 이격된 상태로 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)에 고정된다.
적재하중에 의해 차축(10)이 휘게 되면서 차축(10)의 아래쪽이 인장될 때, 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2) 사이가 벌어지고, 측정단말(201)의 로드셀(301)은 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)이 벌어지는 힘(인장력)을 받는다. 로드셀(301)의 측정값은 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)이 벌어지는 인장력의 크기에 비례하는 값이면서, 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)이 벌어지는 변위에 비례하는 값이다.
통신부(301a)는 제어장치(210)에게 로드셀(301)의 측정값을 전송한다. 통신부(301a)는 다양한 통신 프로토콜을 사용할 수 있으며, 차량용 통신 수단으로 널리 사용되는 캔(CAN: Controller Area Network)을 사용할 수도 있고, 종래의 다른 통신수단을 사용할 수도 있다.
제어장치(210)는 측정단말(201)이 제공하는 측정값을 이용하여 측정 대상이 된 차축(10)의 '차축 하중'을 계산하며, 이를 위해 사용자의 제어명령 또는 아래에서 설명하는 각종 정보를 입력받는 입력부(211)와 각종 정보를 표시하는 표시부(213)와 계산부(215)를 포함한다.
적어도 정격 적재하중 범위 내에서 차축(10)이 선형적으로 휘기 때문에, 측정단말(201)이 제공하는 측정값은 적어도 정격 적재하중 범위내의 차축 하중을 선형적으로 나타낸다. 출원인은 실험을 통해 측정단말(201)의 측정값이 적재물이 없는 공차상태에서부터 법으로 정해진 최대하중 상태를 포함하는 범위에서 선형적으로 변한다는 점을 확인했다. 따라서 적재하중 계산의 간단한 방법 중 하나는, 측정단말(201)의 측정값에 비례상수 K를 곱하는 것이다.
비례상수 K는 측정단말(201)의 측정값과 차축(10)이 지지하고 있는 하중 사이의 비례상수이고, 하중에 의해 차축(10)의 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2) 사이의 변위와 차축(10)이 지지하고 있는 하중 사이의 비례상수이며, 하중에 의해 차축(10)의 제1 지점(P1)과 제2 지점(P2)이 벌어지면서 로드셀(301)을 당기는 힘과 차축(10)이 지지하고 있는 하중 사이의 비례상수이다. 비례상수 K는 ① 공차상태의 차축의 무게(W0)와 측정단말의 측정값(L0)과, ② 최대 적재 하중 상태에서 차축의 무게(Wm)와 측정단말의 측정값(Lm)을 비교하여 다음의 수학식 1을 이용하여 구할 수도 있다. 한편, ②의 최대 적재 하중 상태는 정격의 최대적재 하중일 수도 있고, 정격의 최대적재하중 보다 큰 하중 상태로 정할 수도 있다.
Figure pat00002
이에 따라, 현재 차축(10)이 지지하는 차축 하중(Wr)은 측정단말(201)의 측정값(Lr)을 읽어온 다음 다음의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
Figure pat00003
한편 비례상수 K를 구하기 위해, ③ 공차상태와 최대적재 하중 상태 사이에 속하는 몇 개 적재하중 상태를 얻은 값을 더 이용할 수도 있다. 또한, 제어장치(210)는 측정단말(201)의 비례상수 K를 계산하기 위한 캘리브레이션(Calibration)에 대해서는 아래에서 다시 설명한다.
동일한 차축에 복수 개의 측정단말(201)이 상호 이격되어 설치될 수 있다. 예를 들어, 차축(10)의 양 쪽에 각각 제1 지점과 제2 지점을 설정하여 두 개의 측정단말(201)을 설치할 수 있다. 이런 경우, 제어장치(210)는 측정단말마다 비례상수를 개별적으로 구하고 개별 측정단말별로 차축하중을 개별적으로 계산할 수 있다. 제어장치(210)는 복수 개 측정단말(201)이 개별적으로 계산한 차축 하중을 단순히 평균하여 차축하중으로 정할 수 있다. 다른 방법으로, 복수 개 측정단말(201)의 측정값 사이의 상호관계로부터 구한 계산식을 이용하여 적재하중을 구할 수도 있다.
비례상수 캘리브레이션 (비례상수 K의 계산)
이하에서는 도 5를 참조하여, 본 발명의 오토 캘리브레이션 방법을 설명한다. 비례상수 K를 구하는 방법은 다양하다.
<비례상수 K 계산모드 진입: S501>
제어장치(210)는 사용자의 제어에 따라 비례상수 K 계산모드로 진입한다.
<공차 상태에서의 차축의 무게와 측정단말의 측정값 획득: S503>
공차상태의 차량을 저울로 이동시켜, 측정 대상이 되는 차축(10)이 저울에 올라가도록 함으로써, 공차상태의 차축의 무게(W0)를 측정한다. 계산부(215)는 비례상수 K 계산모드로 진입한 다음, 공차상태의 차축의 무게(W0)를 입력할 수 있는 입력화면(미도시)을 표시부(213)에 표시하고 사용자의 입력을 기다린다. 사용자는 저울의 측정값을 제어장치(210)에 입력한다. 동시에, 계산부(215)는 측정단말(201)의 측정값, 즉 공차상태의 측정단말의 측정값(L0)을 읽어온다.
<최대 하중상태에서의 차축의 무게와 측정단말의 측정값 획득: S505>
최대 하중상태의 차량을 저울로 이동시켜, 측정 대상이 되는 차축(10)이 저울에 올라가도록 함으로써, 최대 적재 하중 상태에서 차축의 무게(Wm)를 측정하도록 한다. 계산부(215)는 최대 하중상태의 차축의 무게(Wm)를 입력할 수 있는 입력화면(미도시)을 표시부(213)에 표시하고 사용자가 무게를 입력하면 표시부(213)에 표시한다. 동시에 계산부(215)는 측정단말의 측정값(Lm)을 읽어온다. S501 단계이후에 수행되는 S503 단계와 S505 단계는 순서가 바뀌어도 무방하다.
<비례상수 K 계산: S507>
계산부(215)는 S501 단계와 S503 단계를 통해 획득한 무게 Wm 및 Wo와, 측정값 Lo 및 Lm을 수학식 1에 대입하여 비례상수 K를 구한다.
이상의 방법으로 본 발명의 하중 측정장치의 비례상수 K 자동 캘리브레이션이 수행된다. 시스템 구성에 따라 차량의 무게를 측정하는 저울(미도시)이 제어장치(210)에 연결될 수 있다. 이때 S503, S505 단계에서 저울이 측정한 무게(W0, Wm)가 자동으로 제어장치(210)에게 제공될 수도 있다.
가변축 제어시스템 (도 6 및 도 7)
제어장치(210)는 도 6과 같이 가변축(610)이 부착된 차량(20)에 설치될 수 있다. 도 7은 가변축(610)이 부착된 차량(20)에 설치된 제어장치(701)를 도시하고 있다. 제어장치(701)는 도 2의 제어장치(210)에 더하여 가변축제어부(217)를 더 포함한다.
가변축 제어를 위해, 제어장치(701)는 가변축(610)을 제어하는 가변축구동부(710)와 연결되어 하나의 가변축 제어시스템(700)을 형성함으로써 가변축(610)을 직접 제어할 수도 있다. 이하에서는 도 7을 참조하여 본 발명의 가변축 제어시스템(700)을 설명한다.
본 발명의 가변축 제어시스템(700)은 복수 개의 측정단말(201)과 제어장치(701)에 더하여 공기압 센서(703)와 가변축구동부(710)를 포함한다. 제어장치(701)의 가변축제어부(217)는 측정단말(201)을 이용하여 측정한 고정축 하중이 기설정된 기준값 이상이 되면, 가변축구동부(710)를 제어하여 가변축(610)이 내려오도록 제어한다.
공기압 센서(703)는 가변축구동부(710)에 속하는 에어 튜브, 즉 리프트 에어벨로우즈(611)와 로드 에어벨로우즈(613)의 공기압을 측정하며, 제어장치(701)가 공기압 센서(703)의 측정값을 읽어간다.
가변축구동부(710)는 에어탱크(711), 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)(713), 전동 레귤레이터(715) 및 릴레이(Relay) 밸브(717)를 포함하며, 가변축제어부(217)의 제어신호에 따라 가변축(610)을 작동한다. 솔레노이드 밸브(713)는 에어탱크(711)의 공기압을 리프트 에어벨로우즈(611)와 로드 에어벨로우즈(613)로 공급한다. 전동 레귤레이터(715)는 제어장치(701)의 가변축제어부(217)에 의해 제어되어 솔레노이드 밸브(713)에서 릴레이 밸브(717)로 공급되는 파일럿 압력의 크기를 제어한다. 릴레이 밸브(717)는 파일럿 압력에 비례하여 에어탱크(711)로부터 로드 에어벨로우즈(613)로 제공되는 공기압을 제어한다.
가변축제어부(217)는 솔레노이드 밸브(713)와 전동 레귤레이터(715)를 제어하여 가변축(610)을 들어올리거나 내릴 수 있다. 가변축(610)을 들어올리기 위해서, 제어장치(701)에 의해 솔레노이드 밸브(713)가 에어탱크(711)의 공기압을 리프트 에어벨로우즈(611)로 제공한다. 이때 로드 에어벨로우즈(613)의 공기는 솔레노이드 밸브(713)에 의해 외부로 배출되기 때문에, 리프트 에어벨로우즈(611)가 팽창하면서 가변축(610)을 들어올린다. 가변축(610)이 들어올려지면서, 가변축 하중이 고정축 하중으로 전가된다.
가변축(610)을 내리기 위해서, 솔레노이드 밸브(713)는 가변축제어부(217)의 제어에 따라 에어탱크(711)의 공기압을 전동 레귤레이터(715)로 공급하고, 가변축제어부(217)는 전동 레귤레이터(715)를 제어함으로써 릴레이 밸브(717)의 파일럿 압력을 높이도록 제어한다. 릴레이 밸브(717)는 높아진 파일럿 압력에 비례하여 에어탱크(711)의 공기압을 로드 에어벨로우즈(613)에 공급하여 로드 에어벨로우즈(613)를 팽창시킨다. 이때 리프트 에어벨로우즈(611)의 공기는 솔레노이드 밸브(713)에 의해 외부로 배출된다. 로드 에어벨로우즈(613)의 팽창에 의해 가변축(610)이 내려오면서, 고정축이 지지하던 하중 중 일부가 가변축 하중으로 전환된다.
리프트 에어벨로우즈(611)와 로드 에어벨로우즈(613)의 압력에 의한 팽창이 곧 가변축 하중이 된다. 가변축제어부(217)는 공기압 센서(703)를 이용하여 리프트 에어벨로우즈(611)와 로드 에어벨로우즈(613)의 압력을 측정함으로써, 가변축 하중을 계산할 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 도 7과 달리, 가변축구동부(710)가 가변축제어부(217)의 동작을 수행하는 자체의 가변축 제어기(미도시)를 구비할 수 있다. 공기압 센서(703)는 가변축구동부(710)의 구성품이 되고, 도 2의 제어장치(210)가 가변축 제어기(미도시)와 연결될 수 있다. 이때 제어장치(210)의 계산부(215)는 가변축 제어기(미도시)에게 제어신호를 제공하여 가변축(610)을 제어할 수 있다. 필요한 경우에, 제어장치(215)는 공기압 센서(703)의 측정값을 제공받아 가변축(610)의 에어밸로우즈의 공기압을 확인함으로써 가변축 제어 상태를 확인할 수도 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. 차축 조립체에 설치하여 차량의 적재하중을 측정하는 하중측정장치에 있어서,
    상기 차축 조립체의 제1 지점과 제2 지점 사이에 배치되어 상기 적재하중에 의해 상기 차량의 차축이 휠 때 상기 차축의 길이방향 인장에 의해 상기 제1 지점과 제2 지점이 벌어지는 변위를 측정하는 로드셀과,
    상기 로드셀의 양단을 상기 제1 지점과 상기 제2 지점에 연결하되 상기 로드셀을 상기 차축 조립체로부터 이격시켜 상기 제1 지점과 제2 지점에 고정함으로써 상기 차축의 길이방향 인장을 증폭하여 상기 로드셀에게 제공하는 제1 연결구 및 제2 연결구와,
    상기 로드셀의 측정값을 제어장치에게 제공하는 통신부를 포함하는 측정단말; 및
    상기 측정단말의 측정값을 이용하여 상기 차축이 지지하는 차축 하중을 계산하는 상기 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 하중측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로드셀은, 상기 차축이 하중에 의해 휘면서 상기 제1 지점과 제2 지점 사이를 벌리는 힘에 의해 변형되는 스테레인 게이지를 구비하는 것을 특징으로 하는 하중측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    차량에 적재물이 적재된 상태에서 상기 측정단말이 측정한 차축 변형량에 비례상수를 곱한 다음 공차 상태의 상기 차축이 지지하는 공차 하중을 더함으로써, 상기 차축하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 하중측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비례상수는 다음의 수학식으로 구하되,
    Figure pat00004

    상기 Wm은 최대 하중상태에서 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Wo는 공차상태에서 상기 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Lm은 최대 하중상태에서 상기 측정단말의 측정값이고, 상기 Lo는 공차상태에서 상기 측정단말의 측정값이고,
    상기 제어장치는 상기 저울과 연결되어 상기 저울로부터 상기 Wm 과 Wo를 제공받는 것을 특징으로 하는 하중측정장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 차량의 가변축을 구동하는 에어탱크의 공기압을 측정하는 공기압 센서를 더 포함하고,
    상기 제어장치는 차축하중이 기설정된 값 이상이 되면 상기 가변축이 내려오도록 제어하는 제어신호를 별도의 가변축구동부에게 제공하는 것을 특징으로 하는 하중측정장치.
  6. 가변축을 구비한 차량에 설치되는 가변축 제어시스템으로서,
    제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 측정단말과 제어장치를 구비한 하중측정장치와,
    상기 가변축을 구동하는 가변축구동부를 구비하고,
    상기 제어장치는 차축하중이 기설정된 값 이상이 되면 상기 가변축구동부를 제어하여 가변축이 내려오도록 제어하는 것을 특징으로 하는 가변축 제어시스템.
  7. 차량의 하중 측정방법에 있어서,
    적재하중에 의해 상기 차량의 차축이 휠 때 상기 차축의 길이방향 인장에 의해 차축 조립체의 제1 지점과 제2 지점 사이가 벌어지는 변위를 측정단말을 이용하여 측정하는 단계; 및
    제어장치가 상기 측정단말의 측정값을 이용하여 상기 차축이 지지하는 차축 하중을 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 측정하는 단계는,
    상기 제1 지점과 제2 지점 사이에 상기 측정단말의 로드셀을 배치하는 단계;
    상기 측정단말의 제1 연결구 및 제2 연결구가 상기 로드셀의 양단을 상기 제1 지점과 상기 제2 지점에 연결하되 상기 로드셀을 상기 차축 조립체로부터 이격시켜 상기 제1 지점과 제2 지점 사이에 고정함으로써 상기 차축의 길이방향 인장을 증폭하여 상기 로드셀에게 제공하는 단계; 및
    상기 측정단말의 통신부가 상기 로드셀의 측정값을 상기 제어장치에게 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 계산하는 단계에서,
    상기 제어장치는 차량에 적재물이 적재된 상태에서 상기 측정단말이 측정한 차축 변형량에 비례상수를 곱한 다음 공차 상태의 상기 차축이 지지하는 공차 하중을 더함으로써, 상기 차축하중을 계산하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어장치가 저울과 연결되어 상기 저울로부터 Wm 과 Wo를 제공받는 단계를 더 포함하고,
    상기 비례상수는,
    공차상태와 상기 차량에 적재할 수 있는 최대 하중상태에서, 상기 차축하중을 상기 저울로 측정한 값과 상기 측정단말의 측정값을 이용하여 다음의 수학식으로 구하되,
    Figure pat00005

    상기 Wm은 최대 하중상태에서 상기 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Wo는 공차상태에서 상기 저울로 측정한 차축하중이고, 상기 Lm은 최대 하중상태에서 상기 측정단말의 측정값이고, 상기 Lo는 공차상태에서 상기 측정단말의 측정값인 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 차량의 가변축을 구동하는 에어탱크의 공기압을 측정하는 공기압 센서를 더 포함하고,
    상기 제어장치는 차축하중이 기설정된 값 이상이 되면 상기 가변축이 내려오도록 제어하는 제어신호를 별도의 가변축구동부에게 제공하는 것을 특징으로 하는 차량의 하중 측정방법.
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