KR102325644B1 - 주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 이용한 제동 장치 - Google Patents

주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 이용한 제동 장치 Download PDF

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Abstract

주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 이용한 제동 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 바퀴의 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 바퀴에 가하는 새로운 제동 방식을 통해, 타이어의 미끄러짐 발생시 운동 마찰력을 효과적으로 증가시켜 제동력 저하 및 제동 거리 증가 문제를 해결할 수 있다. 이에 의해, 차량의 미끄러짐으로 인한 사고 발생률을 현저히 줄일 수 있고, 기존 브레이크 시스템과의 상호 작용으로 훨씬 더 안전한 주행을 가능하게 할 수 있다.

Description

주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 이용한 제동 장치{Brake System for a Vehicle Rolling Tire by the Excitation of Normal Vibration}
본 발명은 차량 제동 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미끄러운 노면에서 차량의 제동력을 향상 시키기 위한 차량 제동 장치에 관한 것이다.
눈밭이나 빙판, 서리 내린 길, 진흙탕, 비에 젖은 블록 도로 등과 같은 미끄러운 노면 위를 주행하는 바퀴 굴림 차량에 있어서, 제동 시 미끄럼이 발생하면, 바퀴와 접지면 간의 아주 작은 동적 마찰계수로 인해 제동력이 매우 작게 되어 제동거리가 길어지게 된다. 또한, 각 바퀴의 제동장치에서 주어지는 제동력이 같다 하더라도 접촉 노면에서는 모든 바퀴의 미끄럼 양이 아주 조금씩 서로 다르게 되며, 이에 따라, 아주 작은 조향 변화에도 민감하게 되므로 제어가 불가능한 상태가 되기 쉽고, 사고로 이어질 수 있는 위험을 야기한다.
이를 방지하기 위하여, 타이어에 눈길 전용 체인을 장착하거나, 굵은 그루브를 가진 스노우 타이어를 장착하여 작은 접촉 면적에 따른 수직 항력 성분의 증가를 이용하는 방법이 널리 사용되어 왔다.
그러나, 이는 강설 시나 빙판 위에서 매번 장착을 하거나 바꿔 끼워야 하는 번거로움이 있고, 매우 저속으로만 운행하여야 하며, 차량의 미끄러짐에 효과적으로 대처하지 못하는 문제점 들이 있다.
미끄러운 표면이나 급제동 시에 있어서, 제동 거리를 짧게 하기 위해 차량 휠에 전자식 ABS(Anti-lock Brake System)를 도입하여 급제동시 1초에 10회 이상의 정지마찰력을 제공함으로써 제동력을 증가 시키는 방법이 많이 사용되고 있다. 그러나, 눈밭 위, 빙판 위, 모래 밭 등과 같이 매우 미끄러운 노면 조건에서는 ABS 조차도 정확하고 빠른 제동에 도움이 되지 않고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 바퀴에 가하는 새로운 제동 방식을 통해 차량의 제동력을 향상시킬 수 있는 제동 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 제동 장치는, 진동을 생성하고, 생성된 진동을 바퀴에 가하는 제1 가진기; 및 제동시에 진동을 생성하도록 제1 가진기를 제어하는 제어기;를 포함한다.
그리고, 제1 가진기는, 바퀴의 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 가할 수 있다.
또한, 제1 가진기는, 바퀴가 장착된 축의 하우징에 설치될 수 있다.
그리고, 제1 가진기에 의해 생성되는 진동은, 주파수 대역이 260Hz 내지 500Hz 내일 수 있다.
또한, 제1 가진기에 의해 생성되는 진동은, 대역폭이 120Hz 이내일 수 있다.
그리고, 제1 가진기에 의해 생성되는 진동은, 단일 주파수 진동 또는 다중 주파수 진동일 수 있다.
또한, 차량의 이동 속도를 측정하는 제1 센서;를 더 포함하고, 제어기는, 제1 센서에 의해 측정된 차량의 이동 속도를 기초로, 제1 가진기에 의해 생성되는 진동을 제어할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 제1 가진기에 생성된 진동이 차량 측으로 전파되는 것을 상쇄시키기 위한 진동을 가하는 제2 가진기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 제1 가진기에 생성된 진동이 차량 측으로 전파되는 것을 상쇄시키기 위한 진동을 가하는 제3 가진기;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 제1 가진기는, 하우징의 일측에 설치되어 있고, 제2 가진기는, 하우징의 일측에서, 제1 가진기 보다 차량 측에 가까운 위치에 설치될 수 있다.
또한, 제1 가진기는, 하우징의 일측에 설치되어 있고, 제3 가진기는, 제1 가진기가 설치된 일측에 대향하는 하우징의 타측에 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 하우징에서 전파되는 진동을 측정하는 제2 센서;를 더 포함하고, 제어기는, 제2 센서에 의해 측정된 진동을 기초로, 제2 가진기 및 제3 가진기에 의해 생성되는 진동을 제어할 수 있다.
또한, 바퀴는, 차량의 바퀴일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 제동 방법은, 바퀴 제동시에, 진동을 생성하도록 제어하는 단계; 및 생성된 진동을 바퀴에 가하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 바퀴의 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 바퀴에 가하는 새로운 제동 방식을 통해, 타이어의 미끄러짐 발생시 운동 마찰력을 효과적으로 증가시켜 제동력 저하 및 제동 거리 증가 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 차량의 미끄러짐으로 인한 사고 발생률을 현저히 줄일 수 있고, 기존 브레이크 시스템과의 상호 작용으로 훨씬 더 안전한 주행을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 타이어와 노면 사이에서 발생하는 마찰력의 설명에 제공되는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제동 장치의 개념 설명에 제공되는 도면,
도 3은 동적 마찰력 보상을 통한 전체 마찰력 강화를 나타낸 예시,
도 4는 마찰계수를 나타낸 테이블,
도 5 자동차 타이어와 노면 사이에서 작용하는 동마찰력을 나타낸 도면, 그리고,
도 6은, 도 2에 제시한 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치의 상세 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는, 주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 통해 제동 성능을 개선한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에서는, 차량 바퀴에 탑승자가 느끼지 못하는 중-고주파수 대역의 수직 진동을 가해, 미끄러운 표면에서의 제동력을 미끄럽지 않은 일반 도로면과 유사한 정도로 만드는 방법을 제시한다.
이는, 비교적 높은 주파수의 진동 가진에 따라 기존의 차량 자중의 동적인 움직임에 따른 동하중 외의 추가적인 동적 수직력이 생겨서 타이어의 접선 방향 저항력을 생성시켜, 미끄러지는 접지면에서 기존의 작은 운동 마찰력에 더하여 타이어와 노면 사이의 접지력을 증대시키는 저항력을 만들어 주는 것이다. 즉, 본 발명의 실시예에서는, 제동 성능 개선을 위해, 타이어와 접촉 지면 간의 수직 진동을 이용한다.
도 1은 타이어와 노면 사이에서 발생하는 마찰력의 설명에 제공되는 도면이다. 노면과 타이어 사이에 작용하는 수직 항력은 직류, 교류 성분으로 구분할 수 있으며 이는 각각 마찰력의 시간에 대해 일정한 성분과 변동하는 성분, 즉 동적 마찰력으로 작용한다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 매끄러운 노면과 차량의 타이어가 서로 접촉하여 상대적 미끄럼 운동을 시작하게 되면, 접촉면에서 발생하는 마찰력은 시간에 대해 일정한 평균 성분과 시간에 따라 변동하는 성분으로 나타나게 된다. 시간에 따라 변동하는 작용력은 차량의 속도에 상대적인 크기로 주어지는 표면 조도에 기인한 접촉 진동이나 왕복운동형 가진이나 주기적 가진과 같은 운동 기제 자체에 내재한다. 평균 수직항력이 N, 평균 마찰력이 F일 때, 평균 동마찰계수(kinetic friction coefficient)
Figure 112019087905913-pat00001
는 F/N으로 주어지며, 전체 마찰력 F(t)는 다음의 식 (1)과 같이 일정한 평균 성분과 시간에 따라 변동하는 성분으로 각각 표현할 수 있다:
Figure 112019087905913-pat00002
(1)
식 (1)의 수직 항력은 시간에 대하여 일정한 성분 N0을 직류(DC), 동적인 성분 fN(t)을 교류(AC)로 여길 때, 직류 성분은 동마찰계수인
Figure 112019087905913-pat00003
로, 교류 성분은 순간 동마찰계수인
Figure 112019087905913-pat00004
로 나타낸 일정한 상수의 마찰계수 값에 의해 결정된다. 한편, 일반 포장도로에서는
Figure 112019087905913-pat00005
이므로, 식 (1)의 두번째 항은 무시가 가능하다. 또한, 눈밭이나 빙판, 서리 내린 길, 진흙탕 길 등과 같이 미끄러운 노면의 경우, 내재하는 왕복 운동형이나 주기적인 가진이 없으며, 또 조도가 매우 작으므로 표면 조도에 기인한 접촉 진동도 매우 작아서, 식 (1)의 두번째 항인 동적인 성분은 역시 무시할 수 있다. 따라서, 아래의 식 (2)와 같이 차량 전체의 무게에 해당하는 수직항력 N0을 사용해 간략히 쓸 수 있다:
Figure 112019087905913-pat00006
(2)
위에서 언급한 미끄러운 노면의 경우, 타이어와 노면 간의 평균 동마찰계수는 미끄럼비(slip ratio) λ가 25% 이상일 때, 빙판이나 서리 내린 길 등의 경우 약 0.02-0.05, 눈밭 같은 경우 약 0.1-0.15 정도인데, 이는 일반 아스팔트나 콘크리트 노면에서 생기는 0.4-0.9 정도의 평균 동마찰계수와 비교할 때 매우 작은 크기로서, 주행하던 차량의 제동 시에 제동 성능에 큰 문제를 일으킬 수 있음을 의미한다. 여기서, 미끄럼비는 차량의 종속도를 V, 바퀴 회전속도를 Ω, 접지하지 않은 무부하 상태의 바퀴 중심에서의 바퀴 반경을 R이라 할 때 SAE J670에서는 다음의 식 (3)과 같이 주어진다:
Figure 112019087905913-pat00007
(3)
만약 정적인 무게나 동적인 마찰력 성분이 커져서 식 (2)를 보상할 수 있다면, 식 (1)처럼 전체 마찰력이 커져서 미끄러운 노면에서도 마치 일반 아스팔트나 콘크리트 노면에서 제동하는 것과 같거나, 혹은 덜 미끄럽게 될 수 있다. 일반적으로 정적인 무게는 대폭 증가 시킬 수가 없으므로, 외부에서 타이어에 인위적인 교류 수직력을 주는 방법이 남게 되며, 이와 같은 교류형 또는 요동형, 즉 진동 외력(external vibratory excitation) fv가 주어진다면, 아래의 식 (4)와 같이 동적 마찰력의 크기를 증가시킬 수 있을 것이다:
Figure 112019087905913-pat00008
(4)
여기서,
Figure 112019087905913-pat00009
는 이제 요동형 동마찰계수(oscillatory kinetic friction coefficient)라고 부를 수 있다.
이러한 추가적인 동마찰력을 얻게 하는 가진계를 도 2에 도시된 바와 같이 구현할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제동 장치의 개념 설명에 제공되는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 가진기(Actuator)-1(110), 가진기-2(120) 및 가진기-3(130)을 포함하여 구성된다. 가진기들(110,120,130)은 바퀴(10)가 장착된 축(drive shaft 또는 axle shaft)(20)의 하우징(30)에 설치된다.
가진기-1(110)은 바퀴(10)에 진동을 가하여, 바퀴(10)의 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 가하는 가진기이다.
가진기-1(110)에 의해 생성되어 바퀴(10)의 타이어로 전달되는 진동은, 수직 항력의 교류 성분을 증가시켜, 동적 마찰력을 강화함으로써, 타이어와 노면 사이의 마찰력을 증가시킨다.
가진기-2,3(120,130)은 가진기-1(110)로부터 발생한 진동이 바퀴(10)가 아닌 차량 측으로, 구체적으로 차체 내부의 다른 부품들로 전파되는 것을 상쇄시키기 위한 진동을 가하는 가진기들이다.
가진기-2(120)는 가진기-1(110)의 측부에 설치되는데, 가진기-1(110) 보다 차량 측에 가까운 위치에 설치된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 가진기-1(110)과 가진기-2(120)는 하우징(30)의 일측에 인접하여 설치되는데, 가진기-1(110)은 바퀴(30)에 가까운 위치에, 가진기-2(120)는 차량에 가까운 위치에, 각각 설치된다.
가진기-3(130)은 가진기-1(110)이 설치된 하우징(30)의 일측에 대향하는 하우징(30)의 타측에 설치된다.
도 3은 동적 마찰력 보상을 통한 전체 마찰력 강화를 나타낸 예시이다. 마찰력의 동적 성분이 강화될 때, 마찰력이 가지고 있는 에너지는 전체 형상의 envelope의 제곱과 직접 관련이 있으므로, 동적 마찰력 성분의 강화에 따른 전체 마찰력의 이득 및 그에 대한 예측이 가능하다.
도 3의 (a)에는 타이어와 미끄러운 노면 위에서 발생하는 마찰력과 가진기의 진동을 통해 동적 마찰력이 보상된 상태와 그 envelope을, 도 3의 (b)에는 마찰력의 실효값을, 각각 나타내었다.
도 2에서 "
Figure 112019087905913-pat00010
"는 타이어-빙판 사이의 마찰력을, "
Figure 112019087905913-pat00011
"는 가진기의 진동으로 생긴 요동형 저항에 의한 마찰력 성분을, "
Figure 112019087905913-pat00012
"는 요동형 저항에 의한 마찰력의 envelope을, "
Figure 112019087905913-pat00013
"은 경질고무-유리(타이어-빙판을 모사) 간 마찰력의 실효값을, "
Figure 112019087905913-pat00014
"은 요동형 저항에 의한 마찰력의 envelope에 의한 동적 마찰력 성분이 기존의 경질고무-유리 간의 동마찰력에 보상된 최종적인 동마찰력의 실효값을 각각 나타내었다.
도 3에서는, 유리와 같이 미끄러운 표면에 경질 고무를 마찰 시킬 때(미끄러운 노면과 타이어 간의 마찰 모사), 이러한 방식에 의해 어떻게 동마찰력이 증가되었는지 실험 결과를 보여 주고 있다. 실험에 사용된 경질 고무는 Shore 경도 73의 값을 가지는데, 타이어 tread에 쓰이는 고무의 Shore 경도가 대략 65-70임을 고려하면, 유사한 재질이라고 할 수 있다.
또한, 도 4의 테이블에 나타난 바와 같이, 얼음과 고무 간의 동마찰계수는 약 0.15로 알려져 있으므로, 경질 고무와 깨끗한 유리면 간의 경우를 보여주는 도 3의 결과는 얼어 있는 노면과 주행하는 타이어 간의 동마찰계수와 매우 유사한 경우라고 할 수 있다.
이에 비해, 타이어와 건조한 일반 아스팔트 노면 간의 동마찰계수는 0.5-0.8의 매우 큰 값이다. 도 5는 이러한 상황이 실제 차량에 적용 되었을 때를 도식적으로 보여준다. 도 5의 좌측에는 미끄러운 노면을 주행하는 자동차 타이어와 노면 사이에서 작용하는 동마찰력을 나타내었고, 도 5의 우측에는 동일 조건 하에서 휠에 연결된 외부 입력용 가진기의 수직 진동을 이용하여 도 3의 원리로 보상된 동마찰력을 나타내었다.
간단한 예로서 일정한 진폭을 갖는 정현파(sine)의 진동을 차축에 주는 방법을 생각할 수 있으나, 진동 주파수가 낮은 경우 진동의 양(positive)의 위상(phase)과 부(negative)의 위상이 차량의 움직이는 속도에 비해 구분이 잘 되어서, 일정시간 동안의 평균을 취한다면 전체적으로 이득이 없다고 할 수 있다. 예를 들어, 시속 20kph로 주행하거나 미끄러지는 차량의 경우 초당 5.6m를 움직이게 되는데, 만약 56Hz의 저주파수 진동으로 가진을 하였다면 0.1m 당 한 cycle이 해당되어, 매 5cm 마다 RMS 평균 수직력의 크기가 늘었다 줄었다 하는 현상이 발생되어 마찰력 발생에 큰 이득이 없게 된다. 또한, 저주파수에서는 마찰력을 보상하기 위한 외부 가진이 주어질 때, 약 35-500 Hz 대역에서는 탑승자가 진동을 느끼게 되므로, 설령 이에 따른 제동의 이득이 있다 하더라도, 실제 적용이 어려워 진다. 한편 인간은 평균적으로 약 200-250Hz의 진동에 대해 가장 민감하게 접촉 진동감을 느끼는 점도 참고할 수 있다.
250Hz 이하의 가진도 사용이 가능하기는 하나, 잔여 진동이 샤시와 차체로 전달될 경우, 각종 부품의 구조물이나, 차체 패널, 내부 공간의 공명 등과 일치하는 경우 새로운 진동-소음원이 될 수 있는 점을 유의하여야 한다. 또한, 타이어 자체의 구조 공진은 약 80-260 Hz 대역에 두드러지게 나타나므로, 이 대역을 이용한 가진은 주행 안정성 및 탑승감(ride comfort)에 큰 영향을 줄 가능성이 있다. 인간이 못 느끼는 약 500Hz 이상의 주파수를 사용할 수도 있으나, 가진 주파수가 높아질수록 가진기에 입력되는 에너지의 효율이 나빠지고, 따라서 제어할 수 있는 가진력도 작아지게 되므로, 가진 주파수는 무작정 높게 책정할 수 있는 것은 아니라고 할 수 있다. 또한, 타이어 구조에 의한 공기 및 구조기인 소음의 중심 피크는 대개 700-1300 Hz 대역이므로, 약 600Hz 이상의 가진은 소음-진동 측면에서 부정적이라고 할 수 있다.
따라서, 상기의 사항들을 종합하면, 진동감쇠기를 함께 쓸 경우 약 300-400Hz 이상의 주파수를 사용하는 것이 추천되나, 상쇄 제어를 하는 경우에는 260-500Hz 간의 어떠한 주파수도 사용이 가능하다고 할 수 있다. 한편, 차체, 현가계, 기타 샤시계 및 타이어의 진동 측면에서 260-500Hz 대역은 중-고주파수에 해당하며, 이는 관련된 진동 모드가 매우 많음을 의미한다.
따라서, 어떠한 순음 주파수로 가진(pure tone excitation) 하더라도 특정 부품의 큰 공진을 회피하기 어렵게 된다. 이에 대해 몇 개의 다른 주파수를 거의 같은 에너지 레벨로 함께 가진하거나, 혹은 특정 대역폭을 갖는 대역폭 가진(band excitation)을 하는 경우, 여러 공진 모드 상호간의 간섭에 의한 효과로 그 부정적인 효과가 줄어들게 된다(smearing effect). 가진 시의 에너지 효율을 생각한다면, 광대역의 가진 보다는 협대역의 가진(narrow-band excitation)이 유리하므로, 260-500Hz 주파수 대역 내에서 100-120Hz 보다 작은 대역폭을 갖는 협대역 가진 혹은 다중 주파수 가진이 적절함을 알 수 있다.
이와 같이 진동 측면에서 중-고주파수로 간주되는 다중 주파수 가진의 경우에는, 수직력이 제공하는 에너지는 개별적인 진동 파형 보다는 시간에 따른 전체 입력 파형의 envelope 또는 제곱평균제곱근(root-mean-square; RMS)과 밀접한 관련이 있다. 요동하는 신호(oscillating signal)의 envelope은 가장 큰 진폭을 부드럽게 이은 형태로 표현되며, 그 시간 변동은 일반적으로 매우 느리다. 중주파수 및 고주파수 진동의 경우, 특히 이러한 주파수 대역에서 복합적인 다중 주파수의 진동을 하는 경우, 해당하는 에너지를 만들어 내는 진폭은 파형 전체를 구성하는 개별적인 신호가 아니라 파형 전체의 변동을 나타내는 envelope의 크기에 따른다는 것은 언어소통이나 악기 발생음의 크기와 특징 파악에 있어 이미 널리 알려진 사실이다. 이와 같이 단순 조화 진동(simple harmonic oscillation)이 연속적으로 중첩된 신호의 경우(~ejωt), 아래의 식 (5)와 같이 표현이 가능하다:
Figure 112019087905913-pat00015
(5)
여기서, k는 파수(wave number;
Figure 112019087905913-pat00016
), ω는 각주파수(angular frequency; rad/s), cph는 파동의 위상속도(phase velocity), f(k)는 초기 변위에 대한 푸리에 변환값(Fourier transform)을 나타낸다. 이러한 복합 요동을 총괄적으로 나타내는 해는 수학적으로 정상위상법 (method of stationary phase)에 의해 아래의 식 (6)과 같이 얻어진다:
Figure 112019087905913-pat00017
(6)
정상 위상 조건에 따르면, 다음의 식 (7)과 같이 된다:
Figure 112019087905913-pat00018
(7)
여기서, cg는 에너지가 전파되는 군속도(group velocity)를 의미한다. 식 (6) 및 (7)의 물리적 의미는 ω0를 중심(center frequency)으로 한 다중 주파수로 이루어진 협대역 요동은 전체적으로 시간에 따라 변동하는 진폭을 가지며, 대역 내의 각각의 요동에 의한 진폭의 변화 보다는 전체 대역을 대표하는 중심주파수에 있어서의 군속도 변동에 따라 전체 진폭이 정해짐을 나타내며, 이는 즉 파형의 envelope을 의미한다. 군속도는 에너지의 전파 속도에 해당하므로, 식 (6)에 주어진 전체 대역폭 요동에 대한 envelope 표현은, 제곱을 하여 에너지로 나타내어 질 수 있는 상당(equivalent) 가진 진폭을 의미한다.
실제 데이터의 처리에 있어, 신호의 envelope을 추출하기 위한 대표적인 신호처리 기법은 다음의 식 (8-9)와 같이 Hilbert transform의 결과로 얻어지는 해석적 신호의 크기로서 표현된다:
Figure 112019087905913-pat00019
(8)
Figure 112019087905913-pat00020
(9a,b)
여기서, z(t)는 x(t)의 해석적 신호(analytic signal),
Figure 112019087905913-pat00021
는 x(t)의 Hilbert transform 결과이며, A(t)와 θ(t)는 각각 해석적 신호의 크기와 위상으로, 물리적인 의미로는 x(t)의 envelope와 순간 위상을 의미한다. 위의 식 (8-9)에서, 신호
Figure 112019087905913-pat00022
은 해당하는 수직력 혹은 가속도와 관련된 변수라고 생각할 수 있다. 마찰력은 수직항력에 비례하므로, 이러한 요동에 의해 생기는 마찰력은 진동 가속도 envelop에 비례하게 된다. 또, 물리계의 에너지 값은 관련된 계측 물리변수의 제곱에 비례하므로, 식 (9)에 의하면 특정 시간에서 envelope의 크기 A는 신호의 파워, 즉 에너지와 직접 관련된다. 이 에너지는 envelope의 해석으로부터 얻어지는 군속도(group velocity)를 따라 전달된다.
따라서, 진동 가속도의 envelope를 이용하면 요동하는 신호가 가지는 에너지의 크기 및 전달 양상을 알 수 있으며, 같은 원리에 의해, 수직 진동의 인가로 증가된 마찰력을 예측하거나 평가할 수 있다. 이와 같이 중-고주파수의 복합 진동을 지면에 접지한 타이어에 가하면, 기존의 지면과 타이어 재질 및 상대속도에 의해 주어지는 기존의 동적마찰력(kinetic friction)에 추가적인 마찰력이 생기게 된다.
도 6은, 도 2에 제시한 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치의 상세 구성도이다. 본 발명의 실시예에 따른 제동 장치는, 도 6에 도시된 바와 같이, 가진기들(110,120,130), 속도 센서(Velocity sensor)(140), 힘 센서(Force sensor)(150), 진동 센서(Vibrometer)(160), 가진기 구동부(170) 및 전원 공급기(180)를 포함하여 구성된다.
가진기들(110,120,130)에 대해서는, 도 2를 참조하여 상세히 설명한 바 있으므로, 여기서는 이들에 대한 설명을 생략한다.
속도 센서(140)는 차량의 이동 속도를 측정하고, 힘 센서(150)는 가진기-1(110)에 의해 가해지는 진동의 크기를 측정하며, 진동 센서(160)는 바퀴(10)가 장착된 축(drive shaft 또는 axle shaft)(20)의 하우징(30)에서의 진동을 측정한다. 센서들(140,150,160)에 의한 측정 결과는 가진기 구동부(170)에 전달된다.
가진기 구동부(170)는 데이터 메모리(171), 제어기(172) 및 증폭기(173)를 포함하여 구성된다.
데이터 메모리(171)에는 센서들(140, 150,160)에 의한 측정 결과가 데이터로 저장된다. 제어기(172)는 데이터 메모리(171)에 저장된 데이터들을 기초로 가진기들(110,120,130)을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고, 증폭기(173)를 통해 증폭하여 가진기들(110,120,130)에 인가한다.
구체적으로, 제어기(172)는 타이어의 미끄러짐 운동이 발생할 때 속도 센서(140)에 의해 측정된 차량 속도에 상응하는 속도 제어를 이루어지게 하는 진동을 생성하기 위한 제어 신호를 생성하여 가진기-1(110)을 제어한다.
가진기-1(110)의 가진 신호는 260-500Hz 주파수 대역 내에서 100-120Hz 보다 작은 대역폭을 갖는 단일 주파수 협대역 가진 혹은 다중 주파수 가진이 적절한데, 구체적인 가진 값은 차량의 속도에 의해 결정된다.
이때, 제어기(172)는 힘 센서(150)에 의해 측정되는 가진기-1(110)의 진동 상태를 파악하여, 피드백 제어가 가능하다.
또한, 제어기(172)는 진동 센서(160)에 의해 측정되는 하우징(30)에서의 진동을 상쇄시킬 수 있는 진동을 생성하기 위한 제어 신호들을 생성하여, 가진기-2(120)와 가진기-3(130)을 제어한다.
전원 공급기(180)는 가진기들(110,120,130), 센서들(140,150,160) 및 가진기 구동부(170)에 필요한 전원을 공급한다.
지금까지, 주행하는 차량의 타이어에서 수직 진동 가진을 이용한 제동 장치에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서, 가진기들(110,120,130)이 설치되는 위치인 바퀴(10)가 장착된 축(20)의 하우징(30)은 예시적인 것에 불과하다. 차량 동력계의 구조, 형상 및 종류에 따라 다른 위치에 가진기들(110,120,130)을 위치시키는 것이 가능함은 물론이다.
또한, 위 실시예에서, 가진기-2(120)와 가진기-3(130)은 선택적인 구성에 해당한다. 이들 중 적어도 하나를 배제하고 제동 장치를 구현하는 경우에도, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
나아가, 전기차의 경우, 전기 모터가 부착된 위치에서 가진과 진동을 제어하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 더 나아가, 본 발명의 기술적 사상은 차량이 아닌 다른 구동계에 대해서도 적용될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 바퀴
20 : 축(drive shaft 또는 axle shaft)
30 : 하우징
110 : 가진기(Actuator)-1
120 : 가진기-2
130 : 가진기-3
140 : 속도 센서(Velocity sensor)
150 : 힘 센서(Force sensor)
160 : 진동 센서(Vibrometer)
170 : 가진기 구동부
171 : 데이터 메모리
172 : 제어기
173 : 증폭기
180 : 전원 공급기

Claims (14)

  1. 진동을 생성하고, 생성된 진동을 바퀴에 가하는 제1 가진기;
    제동시에 진동을 생성하도록 제1 가진기를 제어하는 제어기; 및
    제1 가진기에 생성된 진동이 차체 측으로 전파되는 것을 상쇄시키기 위한 진동을 가하는 제2 가진기;를 포함하고,
    제1 가진기는,
    하우징의 일측에서, 제2 가진기보다 바퀴 측에 가까운 위치에 설치되어 있으며,
    제2 가진기는,
    하우징의 일측에서, 제1 가진기보다 차체 측에 가까운 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 가진기는,
    바퀴의 타이어와 노면 사이에 작용하는 교류 수직 항력을 보상하기 위한 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1 가진기는,
    바퀴가 장착된 축의 하우징에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    제1 가진기에 의해 생성되는 진동은,
    주파수 대역이 260Hz 내지 500Hz 이내인 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    제1 가진기에 의해 생성되는 진동은,
    대역폭이 120Hz 이내인 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    제1 가진기에 의해 생성되는 진동은,
    단일 주파수 진동 또는 다중 주파수 진동인 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    차량의 이동 속도를 측정하는 제1 센서;를 더 포함하고,
    제어기는,
    제1 센서에 의해 측정된 차량의 이동 속도를 기초로, 제1 가진기에 의해 생성되는 진동을 제어하는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    제1 가진기에 생성된 진동이 차체 측으로 전파되는 것을 상쇄시키기 위한 진동을 가하는 제3 가진기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    제3 가진기는,
    제1 가진기가 설치된 일측에 대향하는 하우징의 타측에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    하우징에서 전파되는 진동을 측정하는 제2 센서;를 더 포함하고,
    제어기는,
    제2 센서에 의해 측정된 진동을 기초로, 제2 가진기 및 제3 가진기에 의해 생성되는 진동을 제어하는 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    바퀴는,
    차량의 바퀴인 것을 특징으로 하는 제동 장치.
  14. 삭제
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JP2001193770A (ja) * 2000-01-12 2001-07-17 Toyota Motor Corp 車両用ブレーキ装置
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