[논문]상용차량의 하중을 측정하기 위한 탑재형 자중계 개발

서명국; 신희영; 이호연; 고재일; 투멘자르갈 엔크바타르

doi:10.7839/ksfc.2021.18.1.009

상용차량의 하중을 측정하기 위한 탑재형 자중계 개발
Development of Onboard Scales to Measure the Weight of Trucks 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.18 no.1, 2021년, pp.9 - 16

서명국 (Smart Engineering Lab., Korea Constructions Equipment Technology Institute) , 신희영 (Smart Engineering Lab., Korea Constructions Equipment Technology Institute) , 이호연 (Smart Engineering Lab., Korea Constructions Equipment Technology Institute) , 고재일 (Kiwon Electronics Co. Ltd.) , 투멘자르갈 엔크바타르 (Kiwon Electronics Co. Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

Overloaded vehicles increase the maintenance cost of road structures, and they are a major factor in causing damage to the roads and bridges. In addition, overloaded vehicles compromise the braking capability of the vehicle; thus, threatening the safety of the driver. In order to prevent overloading of vehicles, the government is cracking down on the roads by using a device that measures the weight of vehicles. But this process is inconvenient because the place where the equipment is installed is far away from where the cargo is loaded. Due to the limitations of these fixed weighing devices, there is a growing need for technology that can monitor vehicle weight distribution and overload conditions in real time. In this work, we develop an onboard scale that can measure the load (weight) of trucks in real time. The onboard scale consists of high sensors, a signal processing unit, and a display, and it measures the load using height-displacement of the vehicle's leaf spring suspension.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1 The configuration of onboard scales
그림 Fig. 2 Angle-sensor based weight measuring system
그림 Fig. 3 Pressure-sensor based weight measuring system
그림 Fig. 4 The process of onboard scale system
그림 Fig. 5 A height sensor of onboard scale system
그림 Fig. 6 A display of onboard scale system
그림 Fig. 7 The schematic diagram of a height sensor
그림 Fig. 8 Angle range by top-link length
그림 Fig. 9 Angle range by bottom-link length
그림 Fig. 10 Relation between angle and displacement of a leaf spring
그림 Fig. 11 Load test of leaf springs
그림 Fig. 12 Load-displacement characteristic of a leaf spring
그림 Fig. 13 Load-displacement characteristic of a two-layer leaf spring
그림 Fig. 14 Characteristic modeling using linear Equation
그림 Fig. 15 User Interface related to calibration
그림 Fig. 16 Load measuring test
그림 Fig. 17 Changing the forward and backward position of heavy loads
그림 Fig. 18 Changing the position of heavy loads
그림 Fig. 19 Repetitive loading of heavy loads
표 Table 1 Result of load measuring test 1
표 Table 2 Result of load measuring test 2
표 Table 3 Result of load measuring test 3

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 지상의 계근대로 이동 없이 실시간으로 차량의 하중을 측정할 수 있는 탑재형 자 중계의 시제품을 개발하였다. 대상 차량은 겹판스프링을 장착한 5톤급 사용차량으로 하였으며, 하중에 따른 겹판스프링의 처짐(각도) 변위를 이용하여 차량의 총 하중을 측정하였다.

제안 방법

각도는 하이트센서를 통해 직접 획득하였으며, 하중은 이동식 축중계를 이용하여 측정하였다.
개발한 탑재형 자중계의 하중 측정 정확도를 검증하기 위해서 6.5 ton 차량(공차 시 8.3톤)을 대상으로 0.3ton, 2.7 ton, 5 ton 중량물(육면체 형태)을 적재하여 하중을 측정하였다. 참조용 하중은 10 ton급 이동식 축중계(로드셀 기반)를 이용하여 측정하였다 (Fig.
4를 보듯이 앞뒤좌우 4개의 겹판스프링에 부착된 하이트센서로부터 측정한 각도값은 신호 처리부에서는 겹판스프링의 하중-각도 변위 특성 데이터를 이용하여 하중으로 환산된다. 겹판스프링은 하중이 증가할 때와 감소할 때 하중-처짐 변위 특성이 다른 이력 특성(hysteretic characteristics)^8-11)을 가지는데, 본연구에서는 화물을 상차할 때의 하중-처짐 변위 특성을 이용하여 각도 값으로부터 하중을 계산하였다. 각 겹판스프링에서 계산된 최종 하중은 디스플레이에 표시된다.
겹판스프링의 하중과 각도 변위사이의 특성을 분석하기 위해 유압장치를 사용하여 특성 데이터를 획득하였으며, 하중 증가할 때의 특성을 일차원 방정식으로 모델링하였다. 하중 측정 시험에서는 평균 오차가 2% 발생하였다.
본 연구에서는 5톤급 상용 차량 전방에 장착된 1 단 겹판스프링과 후방에 장착된 2단 겹판 스프링의 하중-처짐의 이력 특성을 분석하기 위해서 유압 장비를 이용하여 부하 시험을 수행하였다. 유압 프레스로 겹판 스프링 중심을 1mm/s 속도로 2 ton∼6 ton 까지 하중을 가하면서 실시간으로 처짐 상태를 기록하였다.
비례 관계를 가진다. 본 연구에서는 이러한 선형특징을 이용하여 각 바퀴의 겹판스프링에 대해서 하중과 각도 변위 관계를 일차방정식(y=ax+b)으로 모델링 하였다(Fig. 14).
본 연구에서는 처짐과 각도 변위가 선형 관계를가지도록 P₂ 지점이 P₀지점의 중심과 오른쪽에 위치하도록 하이트센서를 장착하였고, 최대 측정 하중에 대해서 하이트센서의 각도가 90도 이하에서 동작하도록 링크 길이를 조절하였다.
본 연구에서는 트럭의 하중(무게)을 실시간으로 측정 가능한 탑재형 자중계(Onboard Scale)^{1, 5, 7)}를 개발한다(Fig. 1). 탑재형 자중계는 크게 하이트센서(height sensor)와 신호처리부, 디스플레이로 구성되고 있으며, 차량의 현가장치인 겹판스프링의 처짐 변위를 이용하여 하중을 측정한다.
이용하여 부하 시험을 수행하였다. 유압 프레스로 겹판 스프링 중심을 1mm/s 속도로 2 ton∼6 ton 까지 하중을 가하면서 실시간으로 처짐 상태를 기록하였다.
2)은 겹판스프링을 장착한 차량에 주로 사용되고 있다. 차량의 하중에 따라 겹판스프링의 처짐이 발생하는 원리를 이용하여 겹판스프링 상단에 직접 각도센서를 부착하거나, 각도센서와 링크로 구성된 하이트센서를 장착하여 각도 변위를 측정한 후 차량의 하중을 계산한다. 각도센서를 기반한 방식은 차량 구조물 변경 없이 장착이 쉬운 장점을 가지고 있으며, 보통 3~5% 이내 하중 측정 오차를 가진다.
본 연구에서는 겹판스프링을 장착한 5톤급 상용차량을 대상으로 한다. 하중 측정 정확도를 향상하기 위해서 겹판스프링에 직접 각도센서를 장착하는 방식 대신에 하이트 센서를 장착하는 방식을 이용한다. 하이트 센서는 링크 길이 조정을 통해 동일한 겹판스프링의 처짐 상태에서 각도변위 범위를 크게 할 수 있어, 보다 정밀한 측정이 가능하다.
하중 측정은 정밀보정과 영점보정을 수행한 후 진행되었으며, 차량을 이동식 축중계에 올라간 후에 0.3ton 중량물을 제외하고 2.7 ton과 5 ton 중량물위치를 변경하면서 하중 분포에 따른 정확도를 측정하였다.

대상 데이터

시제품을 개발하였다. 대상 차량은 겹판스프링을 장착한 5톤급 사용차량으로 하였으며, 하중에 따른 겹판스프링의 처짐(각도) 변위를 이용하여 차량의 총 하중을 측정하였다.
따라 다양한 현가장치를 장착하고 있다. 본 연구에서는 겹판스프링을 장착한 5톤급 상용차량을 대상으로 한다. 하중 측정 정확도를 향상하기 위해서 겹판스프링에 직접 각도센서를 장착하는 방식 대신에 하이트 센서를 장착하는 방식을 이용한다.
신호처리모듈은 ARM Cortex 4M를 기반으로 CAN 통신을 포함한 16개 디지털 신호 입력과 8개 아날로그 신호 입력 가능하다. 차량 실내 장착을 고려하여 ABS 재질의 하우징을 제작하였고 에폭시 처리를 통한 방수방진 기능을 가진다.

성능/효과

17과 Table 1은 중량물의 위치를 앞뒤 변경하면서 총하중을 측정한 결과이다. 5톤 중량물과 2.7톤 중량물을 독립적으로 이동시킨 시험에서 하중측정 오차는 23kg~470kg으로 나타났으며, 총 하중 대비 평균 1.13% 오차를 보였다.
19과 Table 3은 중량물을 같은 위치에서 반복 상차하면서 하중을 측정한 결과이다. 비록 각 겹판스프링에 가해지는 하중은 같지만 상하차 과정에서 각 겹판스프링에 가해지는 하중은 증감이 발생하였으며, 겹판스프링의 이력 특성으로 인하여 하중 측정 오차는 95kg~422kg으로 평균 1.60% 오차를 보였다.
적재물의 위치를 변경하면서 하중을 측정한 결과 하중 오차는 최소 23kg부터 최대 904kg 발생하였고, 전체적으로 탑재형 자중계의 하중이 높게 측정되는 경향을 보였다. 하중 측정 오차의 주요 요인으로는 각 겹판스프링에 하중의 증감이 일어날 때, 겹판스프링의 이력특성을 충분히 고려하지 못하여 발생하는 것으로 분석되었다.
적재물의 위치를 앞뒤로 이동시킨 결과와 비교할 때 2배 이상의 오차를 보였는데, 하중 편중으로 각 겹판스프링에는 하중이 감소하거나 증가하면서, 겹판스프링의 이력 특성이 발생하였고, 특히 증가하는 곳에서 상대적으로 오차가 크게 나타났다.
차량 전방에 장착되는 1단 겹판스프링의 하중- 처짐 변위 특성(Fig. 12)으로 하중이 계속 증가할 때와 계속 감소할 때 선형적으로 처짐이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 기울기는 하중을 증가할 때 높게 나타난다.
보였다. 하중 측정 오차의 주요 요인으로는 각 겹판스프링에 하중의 증감이 일어날 때, 겹판스프링의 이력특성을 충분히 고려하지 못하여 발생하는 것으로 분석되었다.

후속연구

하중 측정 오차는 주로 적재 물의 위치 이동에 따른 하중 증감으로 인하여 겹판스프링의 이력특성을 충분히 고려하지 못한 것에서 발생한 것으로 확인하였다. 향후에는 측정 정확도 향상을 위해 겹판 스프링의 이력특성 모델링 연구를 수행하고 차량 기울기에 따른 오차 분석과 보정 연구를 계획하고 있다.

참고문헌 (11)

M. K. Seo et al., "Development of an Onboard Scale for Measuring the Load of 5 ton Vehicles," Proceedings of 2020 Spring Conference on Drive and Control, pp.23-24, 2020.
D. Lloyd et al., "On-board Mass Monitoring of Heavy Vehicles: Results of Testing Program," Road and Transport Research, Vol.19, No.1, pp.3-17, 2010.

상세보기
G. Trzcinski, T. Moskalik and R. Wojtan, "Total Weight and Axle Loads of Truck Units in the Transport of Timber Depending on the Timber Cargo," Forests, Vol.9, No.4, pp.164-176, 2018.

상세보기
M. S. Park and B. W. Jo, "The Development of Bridge Weigh-in-Motion System for the Measurement of Traffic Load," Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, Vol.10, No.2, pp.111-123, 2006.
J. W. Kim, Y. B. Jho and Y. W. Jung, "An Effectiveness Analysis of Commercial Vehicle's Loading Pattern and Prevention of Overloading with On-board Truck Weight Sensors," The Journal of the Korea Institute of Intelligent Transport Systems, Vol.17, No.6, pp.153-172, 2018.
H. B. Gil and S. G. Kang, "Characteristics of Heavy Vehicles Using Expressway Networks Based on Weigh-in-motion Data," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 33, No.5, pp.1731-1740, 2013.

원문보기 상세보기
J. W. Kim, Y. W. Jung and Y. B. Jho, "An Analysis of Driving Pattern and Transportation Efficiency of Commercial Vehicle using On-board truck scale," The Journal of the Korea Institute of Intelligent Transport Systems, Vol.18 No.6, pp.76-95, 2019.
Z. WU, Y. Xiang and C. Liu, "Influence of Suspension Hysteresis Characteristics on Vehicle Vibration Performance," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 2020.
B. Kadziela et al., "Validation and Optimization of the Leaf Spring Multibody Numerical Model," Archive of Applied Mechanics, Vol.85, pp.1899-1914, 2015.

상세보기
J. Zhang et al., "Dynamic Analysis of a Vehicle with Leaf Spring based on the Hysteresis Model," International Journal of Vehicle Performance, Vol.4, No.3, 2018.

상세보기
W. K. Moon and C. K. Song, "Hysteretic Characteristics of Leaf Springs in Commercial Vehicles," The Korean Society Of Automotive Engineers, Vol.16, No.2, pp.99-105, 2008.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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