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문제 정의
- 일반적으로 하중 계측을 위해선 현재 스트레인 게이지(Strain Gage)나 피에조(Piezo)소자를 이용한 로드셀이 사용된다. 본 연구에서는 쉽게 부착을 할 수 있고, 보편화 되어 있는 스트레인 게이지를 이용한 로드셀을 개발하였다.
- 이러한 한계를 개선하기 위하여 본 연구에서는WFT를 사용하지 않고 실차 주행중 입력 하중을 계측할 수 있는 기법을 개발하였다.
제안 방법
- WFT를 대체할 수 있는 입력 하중 계측 기법을 개발 하기 위하여 2절에서 제안한 하중 센서를 응용한 시스템을 개발하였다.
- 제작된 로드셀의 검증을 위하여 테스트를 진행하였다. 검증을 위하여 환형타입 로드셀은 2개 제작이 되었으며, 볼트 예하중(Preload) 및 장착 각도에 따른 오차 검증을 수행하였다.
- 계측하고자 하는 부품의 재가공을 최소화 하기 위하여 제작되는 센서 사이즈 최소화 및 형태의 최적화를 수행하였다. 측정하고자 하는 부품의 장착면을 최대한 활용하기 위하여 환형타입(Ringtype)으로 센서를 제작하였으며, 마찰면의 슬립(Slip)을 최소화 하기 위하여 센서 표면에 널링(Knurling) 작업을 수행하였다.
- 5와 같다. 구성된 시스템은 실차에 장착을 하고, 성능 검증을 위하여 기존에 사용하는 WFT를 동시에 장착하여 실차 평가를 진행하였다. Fig.
- 4개의 게이지를 붙이는 이유는 특정 방향에 입력되는 하중의 정확한 계측을 위해서 4개의 게이지를 부착해야 하기 때문이다. 그리고 로드셀의 벽두께는 사용 조건의 압축 강도를 고려하여 두께를 최적화하였다. 본 연구에서 사용되는 로드셀의 경우에는 6ton의 하중 조건에서 작동하기 때문에 2.
- 하지만 본 연구에서는 3축 방향 하중 계측을 위한 링타입 로드셀 제작을 위해서 최소 6개의 스트레인 게이지부착이 필요하다. 그리고 축하중의 계측 정확도를 증가시키기 위하여 2개의 스트레인 게이지를 추가하였다. (4-6)
- 노면에서 입력되는 하중을 계측하기 위하여 너클과 허브베어링면에 로드셀이 장착이 될 수 있도록 시스템을 구성하였다. 구성된 시스템은 Fig.
- 그리고 로드셀의 벽두께는 사용 조건의 압축 강도를 고려하여 두께를 최적화하였다. 본 연구에서 사용되는 로드셀의 경우에는 6ton의 하중 조건에서 작동하기 때문에 2.5mm의 벽 두께를 갖도록 제작을 하였다.
- 본 연구에서 제안된 시스템을 이용하여 핸들링 조건시 타이어의 영향도에 대한 실차 계측 평가를 수행하였다. 기존 WFT 시스템을 이용할 경우에 장착 및 탈착에 소요되는 시간이 8시간 이상 소요되지만, 본 연구에서 제안한 시스템을 이용할 경우에는 장비 장착 및 부착에 대한 시간을 절약할 수 있다.
- 본 연구에서 제안된 시스템의 검증을 위하여 승차감/핸들링 조건에 해당하는 입력하중을 WFT를 이용하여 계측하고, WFT가 제거된 상태에서 제안된 시스템만을 통한 계측을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 6을 통하여 얻어진 변환 행렬을 이용하여 여러 노면에 대한 검증 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 로드셀을 이용하여 실차 주행시 노면에서 입력되는 하중을 계측하기 위한 시스템을 제안하였으며, 제안된 시스템에 대한 검증 평가를 수행하였다.
- 로드셀의 3축 방향 하중 계측을 위해서는 센서를 장착하는데 있어서 방향성에 대한 고려도 필요하다. 센서의 장착 각도에 따른 방향별 하중 오차 계측을 위하여 Fig. 4와 같이 지그(Jig)를 구성하고 방향을 변화 시켜 가면서 시험을 진행하였다.
- 1은 새롭게 제작된 환형타입 로드셀 형상을 나타낸다. 스트레인 게이지 작업을 위한 최소 두께(8mm, 게이지 사이즈) 만 확보하였으며, 센서면과 체결면의 마찰면 형성을 위하여 원주 방향의사이즈를 최소화하였다. 이를 통하여 제작된 센서는 장착시 부품의 일부만 가공하여 장착이 가능하게 되었다.
- 제작된 로드셀의 검증을 위하여 테스트를 진행하였다. 검증을 위하여 환형타입 로드셀은 2개 제작이 되었으며, 볼트 예하중(Preload) 및 장착 각도에 따른 오차 검증을 수행하였다.
- 계측하고자 하는 부품의 재가공을 최소화 하기 위하여 제작되는 센서 사이즈 최소화 및 형태의 최적화를 수행하였다. 측정하고자 하는 부품의 장착면을 최대한 활용하기 위하여 환형타입(Ringtype)으로 센서를 제작하였으며, 마찰면의 슬립(Slip)을 최소화 하기 위하여 센서 표면에 널링(Knurling) 작업을 수행하였다.
이론/모형
- 이렇게 변환을 위한 행렬을 변환행렬(Transformation matrix)로 정의 내릴 수 있으며, 계측 결과를 통해서 변환 행렬을 계산할 수 있다. 변환행렬은 WFT를 통하여 계측된 결과와 제작된 로드셀을 통하여 계측된 결과의 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 계산된다.
성능/효과
- Fig. 4를 통하여 기존 로드셀의 경우에 체결 위치 및 각도에 따른 오차는 10% 정도 발생하였으나, 본 연구에서 제안한 로드셀의 경우에는 5% 이내로 정확도를 향상시켰다.
- 검증 결과 핸들링 조건에 대한 입력 하중 계측은 본 연구에서 제안한 시스템을 통해서 계측이 가능함을 확인하였다. 그리고 일부 승차감 노면에 대해서는 기존 측정 장비 대비 결과가 낮게 나온 것을 확인하였다.
- 본 연구에서 제안한 로드셀을 이용하여 하중을 계측할 경우에는 체결되는 볼트의 예하중관리가 필요하다. 검증 시험 결과 오차를 최소화 하기 위해서는 5톤 이상의 체결력 관리가 필요하다.
- 본 연구에서 제안된 시스템을 이용하여 핸들링 조건시 타이어의 영향도에 대한 실차 계측 평가를 수행하였다. 기존 WFT 시스템을 이용할 경우에 장착 및 탈착에 소요되는 시간이 8시간 이상 소요되지만, 본 연구에서 제안한 시스템을 이용할 경우에는 장비 장착 및 부착에 대한 시간을 절약할 수 있다.
- 종합하면, Fig. 7과 같은 결과를 토대로 제안된 시스템을 이용하여 핸들링 조건에 대한 실차 계측에는 크게 문제가 없을 것으로 판단이 된다. 하지만, 승차감 계측의 경우에는 임팩트 노면의 경우 차이가 발생하는 부분에 대해서는 추가적인 검토가 필요하다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 로드셀을 이용하여 하중을 계측할 경우에는 체결되는 볼트의 예하중관리가 필요하다. 검증 시험 결과 오차를 최소화 하기 위해서는 5톤 이상의 체결력 관리가 필요하다.
- 하지만, 임팩트와 같은 충격하중이 발생하는 노면에 대해서는 WFT대비 20%정도 작은 결과를 나타낸다. 이러한 차이로 인하여 본 연구에서 제안한 방법을 이용하여 충격을 발생시키는 노면에서 주행 하중 계측시 사용에 제한이 있을 수 있다. WFT와 차이가 발생하는 원인으로는 WFT의 계측 위치와 제안된 시스템의 계측 위치의 차이로 인한 모멘트 영향도가 가장 크게 영향을 미치는 것으로 예상이 된다.
- WFT와 차이가 발생하는 원인으로는 WFT의 계측 위치와 제안된 시스템의 계측 위치의 차이로 인한 모멘트 영향도가 가장 크게 영향을 미치는 것으로 예상이 된다. 이에 대한 검증은 추후에 진행할 예정이다. 그리고 추가적인 예상 요인으로는 WFT의 질량 효과로 인한 영향이 있을 수 있다.
- 그리하여 실제 일부 시험을 진행할 경우에 주행 하중 계측이 불가능 할 수 있다. 추가적으로 차량 성능 중 승차감에 대한 계측은 장비의 추가 질량(dummy mass) 효과로 인하여 실차 평가시 사용에 제한이 있다.
- 7과 같은 결과를 토대로 제안된 시스템을 이용하여 핸들링 조건에 대한 실차 계측에는 크게 문제가 없을 것으로 판단이 된다. 하지만, 승차감 계측의 경우에는 임팩트 노면의 경우 차이가 발생하는 부분에 대해서는 추가적인 검토가 필요하다.
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