CN100544978C

CN100544978C - 轮胎设计方法

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Publication number: CN100544978C
Application number: CNB2004800133629A
Authority: CN
Inventors: 加部和幸; 良知启太
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-05-17
Also published as: CN1791518A

Abstract

在一种轮胎设计方法中，试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为参数，以通过利用有限数量的单元生成代表充气轮胎的初始轮胎模型(30)，以及对应于预定时间的度量修改通过内压充填处理作用于所述初始轮胎模型上的应力和用于所述初始轮胎模型的物理性能数据中的至少一个，以由此使所述初始轮胎模型变形，并通过利用所述变形的初始轮胎模型预测随时间变化后的轮胎剖面形状。通过生成具有所述预测的轮胎剖面形状的所述轮胎模型(30)，并对其施加所述内压充填处理以及接地处理，计算在所述轮胎模型(30)的单元中的最大主应变，并通过利用所述最大主应变计算所述轮胎组成构件的安全裕量。重复所述试选，直至计算出的裕量等于或大于预设的基准安全裕量，从而可设计具有优良耐用性的轮胎。

Description

轮胎设计方法

技术领域

本发明涉及一种轮胎设计方法，通过利用轮胎模型，预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化，以设计轮胎，以及一种执行该设计方法的程序。更具体地说，本发明涉及一种轮胎设计方法，当将要设计轮胎耐用性优良的充气轮胎时，有效确定例如轮胎剖面形状、轮胎组成构件形状及轮胎组成构件的物理性能数据的参数，以及一种执行该设计方法的程序。

背景技术

近来，已提出了多种利用通过将充气轮胎(在下文中，称为轮胎)划分成多个有限元得到的有限元(FE)模型预测包括轮胎耐用性在内的轮胎性能，以基于预测出的轮胎性能设计轮胎的方法。

这些方法中的任何一种都是利用计算机生成有限元模型。生成的有限元模型用于再现希望的静态或动态。然后，计算再现态力学物理量以评估轮胎特性。结果，可得到轮胎性能优良的有限元模型的轮胎截面形状，从而能够进行高效的轮胎设计。

例如，下面的专利文献1至3公开了分析充气轮胎的希望的轮胎性能的方法。基于分析出的轮胎性能，可进行轮胎设计。

JP 2000-141509A公开了利用根据有限元方法的轮胎模型，基于通过流体的轮胎性能，例如排水能力、雪上性能及噪音性能的轮胎设计。

JP 11-201874A公开了一种通过利用根据有限元方法的轮胎模型，预测轮胎振动特性的模拟方法。

JP 2002-99579A公开了一种当发生制造工艺或组件的变化，或使用条件变动等时，计算例如轮胎的目标对象的特性，例如耐用性的波动误差的方法。通过利用计算结果，得到表现出稳定性能的设计方案。

另一方面，JP 2002-192924A公开了一种通过利用轮胎组成构件材料固有的断裂应变、断裂应力或断裂应变能量密度确定安全裕量，以使根据轮胎的有限元分析的轮胎耐用性模拟结果与轮胎耐用性的实际结果相同，从而设计耐用性优良的轮胎设计方法。

尽管通过上述方法实际制造的轮胎具有希望的轮胎性能，在很多情况下，随着轮胎的使用，轮胎性能改变为完全不同于其在初始状态的性能。并且，即使轮胎性能在初始状态下良好，随着使用，轮胎性能有时也会严重恶化。

轮胎性能的这种变化的是由于根据轮胎的使用条件或使用环境引起的轮胎形状随时间的变化。例如，轮胎的外径的增加使得轮胎的剖面形状改变。更具体地说，由随着轮胎的使用随时间变化引起的轮胎剖面形状(轮胎截面形状)的变化严重影响轮胎的性能。特别地，随着轮胎的使用不断变化的轮胎剖面形状严重影响耐用性。

然而，在包括上述专利文献的常规技术中，不能通过利用有限元模型计算随时间变化后耐用性的力学物理量预测由轮胎的使用引起的轮胎剖面形状随时间的变化。因此，不能设计考虑到轮胎随时间的变化的耐用性优良的轮胎。

因此，本发明的目的是提供一种轮胎设计方法，通过利用允许设计耐用性优良的轮胎的轮胎模型，预测由轮胎的使用引起的轮胎剖面形状随时间的变化，以及一种执行该设计方法的程序。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种轮胎设计方法，通过预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化设计轮胎，包括以下步骤：模型生成步骤，试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和所述轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为参数，以通过利用有限数量的单元生成代表所述充气轮胎的初始轮胎模型；内压充填处理步骤，对所述生成的初始轮胎模型进行第一内压充填处理；随时间改变的变化预测步骤，根据经过时间的预定度量，修改通过所述第一内压充填处理作用于所述初始轮胎模型上的应力和用于所述初始轮胎模型的所述物理性能数据中的至少一个，以使所述初始轮胎模型变形，并通过利用所述变形的初始轮胎模型预测随时间变化后的轮胎剖面形状；安全裕量计算步骤，对随时间变化后的所述轮胎模型进行至少第二内压充填处理，所述轮胎模型具有随时间变化后的所述轮胎剖面形状，以计算随时间变化后在充填有所述内压的所述轮胎模型中的所述轮胎组成构件各单元中最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学特性量，并通过利用由此计算出的力学特性量计算所述轮胎组成构件的安全裕量；重复步骤，重复所述模型生成步骤、所述内压充填处理步骤、所述随时间改变的变化预测步骤以及所述安全裕量计算步骤，直至计算出的裕量变为等于或大于预设的基准安全裕量；以及参数确定步骤，确定使所述安全裕量变为等于或大于所述基准裕量的所述试选的参数作为轮胎的设计参数。

在此，经过时间的所述度量是表示随所述轮胎的使用经历的时间的参数。所述度量具有完全可加性，据此当所述轮胎的使用分别发生时，累加表示分别使用的经过时间的所述度量的值。通常，所述度量是数学抽象概念，例如长度、面积、体积和时间。

在此，优选由轮胎胎面部分的被磨损后的沟槽的槽深与初始的未被磨损的沟槽的槽深的比率或者充气轮胎的行驶路程确定经过时间的所述度量。优选在所述随时间改变的变化预测步骤中给出经过时间的多个不同度量，以预测在多个时间阶段所述轮胎随时间的变化。也优选重复所述模型生成步骤、所述内压充填处理步骤、所述随时间改变的变化预测步骤以及所述安全裕量计算步骤，直至在所述多个时间阶段所述轮胎随时间的变化的所有所述安全裕量变为等于或大于在所述重复步骤中的所述基准裕量。

此外，优选在所述安全裕量计算步骤中，除了所述第二内压充填处理外，还对所述轮胎模型进行接地(road contact)处理。

此外，在所述随时间改变的变化预测步骤中，当使所述初始轮胎模型变形以预测随时间变化后的所述轮胎剖面形状时，优选生成调整轮胎模型，所述调整轮胎模型具有通过所述第一内压充填处理变形的所述初始轮胎模型的轮胎剖面形状，作为随后的第三内压充填处理之前的轮胎剖面形状。将通过对所述调整轮胎模型进行所述第三内压充填处理后得到的轮胎剖面形状预测作为随时间变化后所述充气轮胎的轮胎剖面形状。此时，所述调整轮胎模型可具有作为初始应力的通过修改对所述初始轮胎模型进行所述第一内压充填处理时作用于所述初始轮胎模型上的应力得到的值。

此外，在所述随时间改变的变化预测步骤中，类似地优选以下处理。通过使所述初始轮胎模型变形预测随时间变化后所述轮胎的剖面形状时，多次进行所述第三内压充填处理。当将生成所述调整模型的处理定义为修改处理，其中所述调整模型具有通过所述第三内压充填处理变形的所述轮胎模型的轮胎剖面形状作为又一次第三内压充填处理之前的轮胎剖面形状时，利用将第一次经受所述修改处理的轮胎模型作为通过所述第一内压充填处理变形的所述初始轮胎模型，进行所述修改处理。通过所述修改处理生成的所述调整轮胎模型用作将又一次经受所述修改处理的轮胎模型。然后，重复所述修改处理预定次数。预测最后生成的调整轮胎模型的轮胎剖面形状作为随时间变化后所述充气轮胎的轮胎剖面形状。此时，所述通过所述修改处理生成的所述调整轮胎模型具有作为初始应力的值，所述值通过修改在对将要经受所述修改处理的所述轮胎模型进行所述内压充填处理时作用于所述轮胎模型上的应力而得到。

此外，在所述随时间改变的变化预测步骤中，在修改所述初始轮胎模型中所述轮胎组成构件的所述物理性能数据时，优选根据所述充气轮胎的经过时间的度量，修改弹性模量和泊松比中的至少一个，作为所述物理性能数据的修改。可以根据当橡胶构件劣化时得到的应变-应力曲线设置弹性比和泊松比。

并且，本发明提供了一种通过计算机可执行的程序，用于预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化，以允许计算机设计轮胎，该程序包括：模型生成过程，允许计算机的计算装置试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和所述轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为参数，并允许所述计算装置通过利用有限数量的单元生成代表所述充气轮胎的初始轮胎模型；内压充填处理过程，允许所述计算装置进行对所述生成的初始轮胎模型进行的第一内压充填处理的计算；随时间改变的变化预测过程，允许所述计算装置根据经过时间的预定度量，修改通过所述第一内压充填处理作用于所述初始轮胎模型上的应力和用于所述初始轮胎模型的所述物理性能数据中的至少一个，以使所述初始轮胎模型变形，并允许所述计算装置通过利用所述变形的初始轮胎模型预测随时间变化后的轮胎剖面形状；安全裕量计算过程，允许所述计算装置执行至少对随时间变化后的所述轮胎模型的第二内压充填处理的计算，所述轮胎模型具有随时间变化后的轮胎剖面形状，以计算随时间变化后在所述轮胎模型中所述轮胎组成构件的各单元中的最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学特性量，并允许所述计算装置通过利用由此计算出的力学特性量计算随时间变化后在所述轮胎模型中的所述轮胎组成构件的安全裕量，由此将所述安全裕量存储到所述计算机的存储装置中；重复过程，允许所述计算机重复所述模型生成过程、所述内压充填处理过程、所述随时间改变的变化预测过程和所述安全裕量计算过程，直到所述计算出的安全裕量变为等于或大于基准安全裕量；以及参数确定过程，允许所述计算机确定使所述计算出的安全裕量变为等于或大于所述基准安全裕量的所述试选参数作为轮胎的设计参数。

附图说明

图1是截面图，示出了重载轮胎截面形状的结构的实例；

图2是示出了在根据本发明的轮胎设计方法中利用的轮胎模型的实例的图；

图3是方框图，示出了用于实施根据本发明的轮胎设计方法的装置的实例；

图4是流程图，示出了根据本发明的轮胎设计方法的实例的流程；

图5是示出了充气轮胎随时间的变化的实例的图；

图6是示出了充气轮胎随时间的变化的实例的说明图；

图7是示出了橡胶构件的应力-应变曲线的实例的图；以及

图8A和8B分别是示出了通过根据本发明的轮胎设计方法得到的安全裕量和最大主应变的变化的图。

具体实施方式

在下文中，将根据附图中所示的优选实施例详细说明根据本发明的轮胎设计方法以及通过计算机可执行的执行该方法的程序。

图1示出了重载轮胎(卡车/公共汽车轮胎)截面形状(轮胎剖面形状)的结构的实例。

充气轮胎(在下文中，称为轮胎)10主要包括的轮胎组成构件有：胎体构件12；环带构件14；胎面构件16；胎圈构件18；以及胎侧构件20。

胎体构件12是用橡胶材料覆盖帘线(cord)材料例如钢丝帘线得到的轮胎结构，而环带构件14是在紧固胎体构件12的同时防止紧固胎体构件12在径向方向R扩张的轮胎结构。胎面构件16是在环带构件14径向外侧的橡胶构件，在其上形成与地面接触的胎面花纹。胎圈构件18是由钢丝材料和橡胶构件形成的构件，其缠绕胎体构件12的末端以固定胎体构件12，并使得轮圈附接。胎侧构件20是覆盖胎侧面的表面的橡胶构件。

将轮胎10建模为有限元模型的实例示于图2。

图2所示的轮胎模型30是通过将包括至少胎体构件12、环带构件14、胎面构件16、胎圈构件18和胎侧构件20的各组成构件划分为有限数量的单元以近似轮胎10而得到的。轮胎模型30的单元包括实体单元例如三角形或矩形、膜单元或壳单元。

通过设置各单元(各有限元)的几何形状的信息和各单元的节点位置信息，生成轮胎模型30。此外，通过设置各单元的材料常数(物理性能数据)，得到可计算的有限元模型。

图2所示的轮胎模型30表示当沿着包括轮胎旋转轴的径向R切割轮胎10时的轮胎剖面形状(下文中，简称为轮胎形状)。如下所述，当利用轮胎模型30预测计算轮胎随时间的变化时，在轮胎圆周上形成如图2所示的轮胎形状。对于在轮胎圆周方向上具有的扭转自由度的轴向对称模型的轮胎模型进行计算。

代替生成如图2所示的轮胎模型30，也可以利用在轮胎圆周方向上均匀地具有如图2所示的轮胎模型，以包括三维实体单元、三维膜单元或三维壳单元的三维轮胎模型。

图3示出了用以实施根据本发明的轮胎设计方法的装置。

图3所示的装置40包括：模型生成部分42；随时间改变的变化预测部分44；接地处理部分46；模拟计算部分48；以及轮胎模型确定部分50。监视器52与装置40相连。

模型生成部分42试选轮胎形状、轮胎组成构件的形状及轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为基于输入信息的参数，以生成作为初始轮胎模型的轮胎模型30。同时，模型生成部分42还生成了将要与轮胎模型30合并的轮圈模型。

随时间改变的变化预测部分44对由模型生成部分42生成的初始轮胎模型进行下述预定处理，以生成已随时间变化的轮胎模型。

接地处理部分46进行将载荷施加到生成的已随时间变化的轮胎模型上的处理，以在地平面上使轮胎模型接地。

模拟计算部分48进行预定模拟计算，以计算表征已随时间变化的轮胎模型的耐用性的力学物理性能数据。力学物理性能数据是，例如，当经受接地处理已随时间变化的轮胎模型以预定行驶速度旋转时，并且为旋转的轮胎模型设置偏离角时，轮胎模型中的轮胎组成构件的最大主应变、最大主应力或最大应变能量密度。

轮胎模型确定部分50计算表征在接地处理部分46或模拟计算部分48中处理后的轮胎模型的耐用性的轮胎组成构件安全裕量，以确定所有计算出的安全裕量是否等于或大于基准安全裕量。如果各裕量等于或大于基准裕量，则确定该安全裕量为将要输出的轮胎设计参数。如果在上述确定过程被否定，表明否定的信息被传送到模型生成部分42，以指示模型生成部分42试选新的参数以生成初始轮胎。

在此，轮胎组成构件的安全裕量对应于轮胎模型中轮胎组成构件的各单元中的最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学性能数据与断裂时轮胎组成构件的材料本身的力学性能数据的比值。

利用监视器52显示用于输入输入信息的输入屏幕、显示生成的各种模型，或者显示模拟计算的结果。

图4是流程图，示出了在装置40中实施轮胎设计方法的流程。

首先，根据输入的输入信息，在模型生成部分42中试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据(步骤S100)。

输入信息是对应于自动试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状及轮胎组成构件的物理性能数据的试选范围、试选规则等。从试选的可选范围以随机的方式或根据输入和设定规则进行该试选。

虽然可试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据，但在本发明中，试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个已足够。在这种情况下，在试选过程中未被选择的数据可固定为预设值。

接着，利用试选的轮胎剖面形状、轮胎组成构件形状和轮胎组成构件的物理性能数据生成有限元模型的初始轮胎模型(步骤S102)。

具体地说，由轮胎剖面形状和轮胎组成构件形状生成对于生成轮胎模型所需的各有限元的几何形状信息和各有限元的节点位置信息。将各有限元的物理性能数据设定为与轮胎组成构件的物理性能数据相同。这样，生成了作为初始轮胎模型的如图2所示的轮胎模型30。

接着，将初始轮胎模型附接到预设的轮圈模型上(步骤S104)。

轮圈模型例如是不允许任何变形的刚性模型。在模型生成部分42中进行步骤S100到S104。

接着，在随时间改变的变化预测部分44中，对附接轮圈模型的初始轮胎模型进行内压充填处理(第一内压充填处理)(步骤S106)。

内压充填处理是这样一种处理，即在通过轮圈模型部分夹持部分初始轮胎模型，例如胎圈附近时，对初始轮胎模型的内周面侧均匀施加压力。

接着，在随时间改变的变化预测部分44中，生成了具有通过内压充填处理变形的初始轮胎模型的轮胎形状作为在内压充填处理(第三内压充填处理)前的轮胎形状，以及由修改通过内压充填处理(第一内压充填处理)作用于初始轮胎模型的应力得到的值作为初始应力的调整轮胎模型(步骤S108)。此时，设定初始值1作为处理次数k。

在此，调整轮胎模型可通过将初始轮胎模型的各单元的节点坐标替换为通过内压充填处理(第一内压充填处理)变形的初始轮胎模型的各单元的节点坐标而生成，或者由在保持通过内压充填处理(第一内压充填处理)变形的初始轮胎模型的轮廓(contour)形状及构件边界线剖面时，再次生成节点和单元的几何信息等而得到。具体地说，通过测绘(map)将初始应力施加到具有通过内压充填处理(第一内压充填处理)变形的初始轮胎模型的轮胎形状的轮胎模型。

在内压充填处理中施加的压力不必限于与轮胎使用条件一样的内压。施加预设压力已足够。

作为初始应力，利用由扣除作用于初始轮胎模型上的应力而得到的值，例如，通过对在内压充填处理后作用于初始轮胎模型上的应力乘以例如0.2的系数修改的值。在这种情况下，等于或大于0并小于1.0的值足够作为系数值，并利用预设的数值。对于与环带构件和胎体构件相对应的各单元，可改变该系数。

这里的应力包括在拉伸方向和收缩方向中的任何方向的应力。

随后，对生成的调整轮胎模型进行内压充填处理(第三内压充填处理)(步骤S110)。按此方式，重复步骤S108和S110预定次数(步骤S112)。将最后生成的调整轮胎模型用作已随时间变化的轮胎模型。具体地说，如果被否定(如果为“否”)，将处理次数k加1。然后，该处理返回步骤S108。直至进行步骤S108和S110中的各步的次数k达到预定的重复次数，生成新的调整轮胎模型，该模型具有与通过内压充填处理(第三内压充填处理)变形的轮胎形状相对应的轮胎形状作为在内压充填处理(第三内压充填处理)前的轮胎形状，并生成由修改通过内压充填处理(第三内压充填处理)作用于调整轮胎模型的应力得到的作为初始应力的值。

按此方式，在使在步骤S110中经受内压充填处理的调整轮胎模型返回到步骤S108时，重复该处理，直至k值达到预定的重复次数。在本发明中，步骤S108和S110对应于修改处理。

根据希望预测的轮胎形状的经过时间的度量，设置上述修改处理的重复次数。例如，利用轮胎的行驶路程作为经过时间的度量。随着行驶路程变长重复次数增加。可选地，利用通过行驶使胎面构件磨损以致槽深变浅的实际情况，可利用槽深与初始状态槽深的比率作为经过时间的度量。建议随着槽深比率变小增加重复次数。

当为经过时间设置多个度量时，对于各度量而言重复次数不同。因此，生成多个已随时间变化的轮胎模型，其轮胎形状根据经过时间的度量而变化。

经过时间的度量是表示轮胎的使用的经过时间的参数。该度量具有完全可加性，据此当分别发生轮胎的使用时，累加表示各使用的经过时间的度量的值。通常，该度量是数学抽象概念，例如长度、面积、体积和时间。

作为用于在步骤S108中生成的调整轮胎模型的各轮胎组成构件的各单元的物理性能数据，根据经过时间的度量，试选的物理性能数据不同。例如，随着调整轮胎模型的处理次数k值增加，可将例如弹性模量或者泊松比的物理性能数据修改为不同。在此，可将弹性模量和泊松比设定为与应变-应力曲线的变化相对应，该应变-应力曲线可以通过橡胶构件的劣化试验进行预测。从而，也可考虑橡胶构件的劣化对轮胎形状随时间变化的影响。

在此，对物理性能数据的修改用于再现随时间的劣化，这种劣化是随着轮胎的使用产生的。在各向同性材料模型的情况下，通常将弹性模量设定为将要提高。例如，将弹性模量设定为例如使用时间、行驶路程或者温度的状态变量的函数。该状态变量函数可以通过实验得到。例如，可通过利用作为实验室老化试验或材料性能试验的结果得到的物理性能数据随时间的劣化结果得到该状态变量函数。可选地，在实验室转鼓(drum)试验或者车辆行驶试验中，可以抽取已行驶了预定路程或者预置时间的轮胎样件以测量其物理性能数据，得到状态变量函数。此外，作为函数中的状态变量，可利用的在0与1之间的归一化状态变量，或者可利用与行驶路程的情况一样的本身具有物理意义的值。

可以通过实验预先得到状态变量与上述经过时间的度量之间的相互关系。状态变量可以根据经过时间的度量得到，该度量设定为预测随时间的变化。建议根据得到的状态变量设定物理性能数据。从而，可以设置随时间劣化的物理性能数据。

在步骤S110的内压充填处理中，与步骤S106的内压充填处理一样，将要施加的压力不必限于与轮胎使用条件一样的内压。而仅仅需要施加预设压力。然而，对于在执行步骤S108和S110预定次数后对调整轮胎模型进行的内压充填处理(第二内压充填处理)中所用的内压，将内压设定为与轮胎使用条件一样。

如果在步骤S112中得到肯定(如果为“是”)，将最后生成的调整轮胎模型用作已随时间变化的轮胎模型。

在随时间改变的变化预测部分44中进行步骤S106至S112中的处理。

如上所述，因为本发明的发明人发现了以下事实，可通过重复步骤S108和S110得到已随时间变化的轮胎模型。

随着轮胎的使用，轮胎形状随时间的变化具有：始于轮胎使用初期的增长期，在此期间轮胎形状变化很大；以及随后的稳定期，在此期间轮胎形状稳定，几乎不发生变化。

图5示出了重载轮胎的轮胎外径的增长量的实例。标记“■”、“◆”和“△”是表示1/2外径增长量的曲线，它们分别由在轮胎宽度方向上设置的、在轮胎圆周方向的三个沟槽位置(在中央位置、右胎肩位置和左胎肩位置)处的外径增长量除以2得到。各曲线图示出了外径增长量变化很大，直到50,000km的行驶路程，这引起了轮胎形状的改变。对于更长的行驶路程而言，外径增长量变化不大，因此轮胎形状也变化不大。以此方式，与轮胎使用初期相比，1/2外径值最终约增加3mm(也就是说，外径增长量约为6mm)。因此，应当理解，即使是在希望的阶段内的轮胎形状也不同于初始轮胎形状。因此，通过从初始轮胎形状严重变形的轮胎形状，严重影响轮胎性能。

图6示出了在轮胎使用初期和行驶10,000km后，轮胎外径与内压之间的关系的实例。

点A表示当在轮胎使用初期内压为100kPa时的外径，点B表示当轮胎充填有对应于一种使用条件的900kPa内压时的外径，点C表示当行驶10,000km后，内压为100kPa时的外径，以及点D表示当行驶10,000km后，内压为900kPa时的外径。内压100kPa是这样一种内压，在该内压下显示与当轮胎附接于轮圈时的0内压下的轮胎形状大致相同的轮胎形状。因此，点A和C中每一点都可以认为表示内压约为0时的外径。

根据如上所述的内压与轮胎外径之间的关系，得到通过用内压充填在初始状态下的轮胎(未使用的轮胎)增大的外径(点B)。另一方面，行驶10,000km后的外径(点D)从内压充填之前行驶10,000km后的外径(点C)增大。内压充填之前的外径(点C)与初始状态下充填有内压的轮胎外径(点B)大致相同(点B：1,057.1mm和点C：1,057.7mm)。因此，可以认为点C处的轮胎形状与点B处的轮胎形状大致相同。

具体地说，可以认为，当在初始状态下内压充填后具有轮胎形状可视为内压充填之前轮胎形状的轮胎充填有内压时，其轮胎形状变为与行驶10,000km后的轮胎形状大致相同。

因此，通过生成具有通过内压充填处理变形的初始轮胎模型的轮胎形状作为内压充填处理之前的轮胎形状的调整轮胎模型，可以预测在预定行驶路程后的轮胎形状。根据经过时间的度量，例如行驶路程，确定通过上述内压充填处理改变轮胎形状的重复次数。具体地说，可通过实验室转鼓试验或者车辆行驶试验预先得到对于各不同种类的轮胎，其行驶路程与轮胎形状随时间的变化之间的关系。同时，得到上述步骤S108和S110的重复次数与轮胎模型中轮胎形状的变化之间的关系。并且，通过利用得到的关系，得到行驶路程与重复次数之间的关系，以确定与行驶路程相对应的重复次数。可通过X射线CT扫描器、激光剖面测量系统等得到实验室转鼓试验或车辆行驶试验后的轮胎形状。在车辆行驶试验情况下，胎面构件受到磨损。因此，通过利用胎面花纹沟槽的底部位置，可以高准确度地得到随时间变化的轮胎形状。

为了精确预测轮胎形状，将内压充填处理中的内压和施加于调整轮胎模型的初始应力设定为修改参数。在与轮胎形状随时间的实际变化进行比较时，对参数进行预设是合适的。

如上所述，可以认为，利用通过内压充填处理变形的轮胎模型的轮胎形状作为在内压充填处理之前的轮胎形状进行至少一次内压充填处理的处理，模拟了由轮胎组成构件的粘弹性能引起的作用于在初始状态下充填有内压的轮胎内部的应力的降低。

这样生成的随时间变化后的轮胎模型用于评估耐用性。当设定多个经过时间的度量时，为不同的经过时间度量生成多个随时间变化后的轮胎模型。各轮胎模型用于评估耐用性。

具体地说，在接地处理部分46中，将预定的载荷施加到预定胎面，以对随时间变化后的轮胎模型进行接地处理(步骤S114)

随后，对于经受接地处理后的轮胎模型，计算最大主应变(步骤S116)。

从经受接地处理的轮胎模型的计算结果提取对应于轮胎组成构件的各单元的主应变。根据这些主应变，得到各单元的最大主应变。

更具体地说，在经受接地处理的轮胎模型中，由于即使代表相同轮胎组成构件的单元(i)在轮胎圆周上以分布剖面(distribution profile)变形，在轮胎圆周上的位置处，各单元(i)的主应变也变化。因此，在各单元(i)中，提取在轮胎圆周上具有分布剖面的最大的一个主应变作为最大主应变ε_max。

然后，通过利用最大主应变ε_max计算安全裕量(步骤S118)。

为了计算裕量，可通过利用根据经过时间的度量设定的最大主应变(ε_i)_max和断裂应变(ε_i)_b的以下公式(1)得到安全裕量S_ia(基于应变的安全系数)。

S_ia＝(ε_i)_b/(ε_i)_max (1)

在此，断裂应变(ε_i)_b是与将要得到裕量S_ia的各单元相对应的轮胎组成构件材料的固有特性值，其根据经过时间的度量变化。更具体地说，断裂应变(ε_i)_b随经过时间的度量而降低。对于各橡胶材料，其降低的程度不同。通过实验室试验等预先得到这种断裂应变(ε_i)_b，以进行存储。

例如，如果轮胎组成构件是橡胶构件，可以通过用于橡胶构件的实验室试验得到由如图7所示的应力-应变曲线所表示的力学特性。具体地说，当橡胶构件为新构件时，其力学特性如曲线S所示，而对应于经过时间的预定度量的力学特性如曲线S’所示。将轮胎组成构件为新组成构件时的力学特性和对应于经过时间的预定度量的力学特性分别定义为断裂应变ε_b和ε_b’以进行存储。优选存储与多个时间度量相关的断裂应变ε_b以预测随时间的变化，例如2,000(km)和5,000(km)的行驶路程。

如果轮胎组成构件是胎体构件12的帘线、环带构件14等与橡胶构件的复合构件，通过利用复合材料理论以评估其力学特性，以预先存储其断裂应变。详细地说，例如，可以参考“Recent FRP mechanics and itsapplications”(Journal of the Society of Rubber Industry)，Japan，Vol.61，No.3，page 187(1988))。

接着，确定全部计算出的裕量S_ia是否等于或大于预设的基准安全裕量S₀(步骤S120)。

基准裕量S₀是预定值，例如在5至30范围内。如果基准裕量S₀低于5，设计的轮胎的耐用性就会产生问题。另一方面，如果将基准裕量设置为大至大于30，轮胎的重量、材料的成本等增加，以致对于使用不适用。更优选地，在用于客车的客车轮胎情况下，将基准裕量设置为在5至20的范围内。在用于公共汽车和卡车等的重载轮胎情况下，将基准裕量设置为在7至30的范围内。

当所有裕量S_ia都等于或大于基准裕量S₀时，将试选的轮胎形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据确定为设计参数(步骤S122)。

如果在步骤S120中至少一个裕量S_ia小于基准裕量S₀，即步骤S120中取否定，则处理返回到步骤S100，以进行步骤S100至S120中的处理。以此方式，重复步骤S100至S120中的处理，直至在步骤S120中取肯定为止。

在轮胎模型确定部分50中进行步骤S116至S122中的处理。

优选预定试选轮胎形状、轮胎组成构件形状或者轮胎组成构件物理性能数据的规则，以在裕量S_ia小于基准裕量S₀时允许裕量S_ia与基准裕量S₀之间的大小关系的逆转(reversal)。并且，如果在轮胎的特定轮胎组成构件中，裕量S_ia充分大于基准裕量S₀，可以对试选给出预定规则，从而降低该构件的裕量S_ia，以提高周围构件的裕量。

虽然在本实施例中对全部轮胎组成构件的单元计算了安全裕量，但是本发明不限于此。可以仅对轮胎的预定区域计算安全裕量。例如，在充气径向轮胎中，根据经验已知很可能产生导致轮胎失效的严重裂缝，尤其在环带构件14端部(环带边缘部分)的橡胶材料和在胎体材料12的卷边(翻起部分)附近的橡胶材料中。因此，可以对例如环带边缘部分和翻起部分的区域计算裕量S_ia，以仅对这些区域确定安全裕量，从而确定轮胎的设计参数。

在上述实施例中，根据在非旋转状态下经受接地处理(步骤S114)的轮胎模型中的裕量S_ia评估耐用性。然而，当轮胎模型以预定的行驶速度旋转或者以预定的偏离角旋转以做转弯运动时，可在旋转状态下的轮胎模型中得到裕量S_ia。

图8A是示出了环带边缘部分的裕量S_ia的变化的图，其中由在接地状态下各不同的初始轮胎模型T_a、T_b和T_c(重载轮胎的轮胎模型，具有11R22.5的尺寸)计算裕量S_ia，而图8B是示出了环带边缘部分的最大主应变(％)的变化的图表，其中由各初始轮胎模型T_a、T_b和T_c计算最大主应变。在荷载3,250(kgf)下进行接地处理。

初始轮胎模型T_b和T_c具有不同的轮胎形状和轮胎组成构件形状，但具有相同的轮胎组成构件的物理性能数据。初始轮胎模型T_a具有与初始轮胎模型T_b和T_c不同的轮胎形状、轮胎组成构件形状和轮胎组成构件的物理性能数据。

图8A和8B中的横坐标轴表示在700(kPa)和900(kPa)的内压下由于轮胎模型中的内压差异引起的差异，该差异表明当轮胎为新轮胎时在不同内压下的裕量S_ia的差异。另一方面，“900(kPa)→900(kPa)”表示在900(kPa)的内压下进行一次步骤S108和S110中的处理时，在随间的预定变化后轮胎模型中的裕量S_ia。横坐标轴“900(kPa)→900(kPa)+修改的物理性能数据”表示考虑到橡胶构件随时间的劣化，修改用于轮胎模型的物理性能数据时的裕量S_ia。

根据以上图理解以下内容。在新轮胎的轮胎模型中，即使对于裕量S_ia等于或大于轮胎模型T_b的裕量的初始轮胎模型T_a，在已随时间变化的轮胎模型(在“900(kPa)→900(kPa)+修改的物理性能数据”所示的轮胎模型)中，裕量S_ia的大小关系逆转。从而，轮胎模型T_b的裕量S_ia变为大于轮胎模型T_a的裕量S_ia。即使在示出了最大主应变(ε_i)_max的图8B中，也示出了逆转的大小关系。

如上所述，通过计算经受上述处理的轮胎模型的裕量S_ia以预测已随时间变化的轮胎，可预测通过新轮胎的轮胎模型的常规分析不能假定的轮胎随时间变化的耐用性。通过利用裕量，可设计耐用性优良的轮胎。

这样设计的轮胎可用于制造轮胎。

尽管在上述实施例中断裂应变与最大主应变的比率用作安全裕量S_ia，但可如以下利用最大主应力(σ_i)_max和断裂应力(σ_i)_b代替最大主应变和断裂应变的公式(2)计算安全裕量S_ib(基于应力的安全系数)。可选地，可如以下利用最大应变能量密度(∏_i)_max和断裂应变能量密度(Π_i)_b代替最大主应变和断裂应变的公式(3)计算安全裕量S_ic(基于应变能量密度的安全系数)。

断裂应力(σ_i)_b是如图7所示的断裂时的应力，而断裂应变能量密度(∏_i)_b对应于由图7所示的应力-应变曲线所围绕的阴影部分面积值(在经过时间的预定度量下的断裂应变能量密度(∏_i’)_b对应于由曲线S’围绕的阴影部分面积值)。

S_ib＝(σ_i)_b/(σ_i)_max (2)

S_ic＝((∏_i)_b/(∏_i)_max)^(1/2) (3)

应变能量密度∏与应变ε具有由以下公式(4)建立的关系。

Π＝(1/2)·E·ε² (4)

因此，对于通过利用应变能量密度得到的裕量S_ic，计算断裂应变能量密度(∏_i)_b与最大应变能量密度(∏_i)_max比率的平方根。

对于计算得到的裕量S_ib和S_ic，与裕量S_ia的情况一样，进行与在步骤S120一样的确定。显然，裕量S_ia、S_ib和S_ic中的两者或者全部都可用于在步骤S120中的确定。

可通过执行程序在计算机上应用上述轮胎设计方法。

例如，该程序具有以下过程。

(1)模型生成过程，试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为参数，以允许计算机的CPU(中央处理单元)利用有限数量的单元生成代表充气轮胎的初始轮胎模型；

(2)内压充填处理过程，允许CPU对生成的初始轮胎模型进行内压充填处理的计算；

(3)随时间改变的变化预测过程，允许CPU根据经过时间的预定度量，修改通过在过程(2)中的内压充填处理作用于初始轮胎模型上的应力和用于初始轮胎模型的物理性能数据中的至少一个，以使初始轮胎模型变形，并允许CPU通过利用变形的初始轮胎模型预测随时间变化后的轮胎剖面形状；

(4)安全裕量计算过程，允许CPU执行至少对随时间变化后的轮胎模型的内压充填处理的计算，该轮胎模型具有随时间变化后的轮胎剖面形状，以计算随时间变化后在轮胎模型中轮胎组成构件的各单元中的最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学特性量，并允许CPU通过利用由此计算出的力学特性量计算随时间变化后在轮胎模型中的轮胎组成构件的安全裕量，由此将该裕量存储到计算机的存储器中；

(5)重复过程，允许计算机重复(1)模型生成过程、(2)内压充填处理过程、(3)随时间改变的变化预测过程和(4)安全裕量计算过程，直到计算出的裕量变为等于或大于基准安全裕量；以及

(6)参数确定过程，允许计算机确定使计算出的裕量变为等于或大于基准裕量的试选参数作为设计参数。

虽然以上详细说明了根据本发明的轮胎设计方法和程序，本发明并不限于上述实施例。显然，只要不脱离本发明的范围，可以进行多种修改和变化。

工业适用性

如以上详细说明，根据本发明，根据经过时间的预定度量，修改作用于初始轮胎模型的应力和用于初始轮胎模型的物理性能数据中的至少一个，以使初始轮胎模型变形。通过利用变形的初始轮胎模型，预测随时间变化后的轮胎剖面形状，以使得能够设计耐用性优良的轮胎。

Claims

1.一种轮胎设计方法，通过预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化设计轮胎，包括以下步骤：

模型生成步骤，试选轮胎剖面形状、轮胎组成构件的形状和所述轮胎组成构件的物理性能数据中的至少一个作为参数，以通过利用有限数量的单元生成代表所述充气轮胎的初始轮胎模型；

内压充填处理步骤，对所述生成的初始轮胎模型进行第一内压充填处理；

随时间改变的变化预测步骤，根据经过时间的预定度量，修改通过所述第一内压充填处理作用于所述初始轮胎模型上的应力和用于所述初始轮胎模型的所述物理性能数据中的至少一个，以使所述初始轮胎模型变形，并通过利用所述变形的初始轮胎模型预测随时间变化后的轮胎剖面形状；

安全裕量计算步骤，对随时间变化后的所述轮胎模型至少进行第二内压充填处理，所述轮胎模型具有随时间变化后的所述轮胎剖面形状，以计算随时间变化后在至少进行了第二内压充填处理的所述轮胎模型中的所述轮胎组成构件各单元中最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学特性量，并通过利用由此计算出的力学特性量计算所述轮胎组成构件的安全裕量；

重复步骤，重复所述模型生成步骤、所述内压充填处理步骤、所述随时间改变的变化预测步骤以及所述安全裕量计算步骤，直至计算出的裕量变为等于或大于预设的基准安全裕量；以及

参数确定步骤，确定使所述安全裕量变为等于或大于所述基准裕量的所述试选的参数作为轮胎的设计参数。

2.根据权利要求1的轮胎设计方法，其中由轮胎胎面部分的被磨损后的沟槽的槽深与初始的未被磨损的沟槽的槽深的比率或者充气轮胎的行驶路程确定经过时间的所述度量，在所述随时间改变的变化预测步骤中给出经过时间的多个不同度量，以预测在多个时间阶段所述轮胎随时间的变化，并且重复所述模型生成步骤、所述内压充填处理步骤、所述随时间改变的变化预测步骤以及所述安全裕量计算步骤，直至在所述重复步骤中在所述多个时间阶段所述轮胎随时间的变化的所有所述安全裕量变为等于或大于所述基准裕量。

3.根据权利要求1的轮胎设计方法，其中在所述安全裕量计算步骤中，除了所述第二内压充填处理外，还对所述轮胎模型进行接地处理。

4.根据权利要求3的轮胎设计方法，

其中由轮胎胎面部分的被磨损后的沟槽的槽深与初始的未被磨损的沟槽的槽深的比率或者充气轮胎的行驶路程确定经过时间的所述度量，在所述随时间改变的变化预测步骤中给出经过时间的多个不同度量，以预测在多个时间阶段所述轮胎随时间的变化，并且重复所述模型生成步骤、所述内压充填处理步骤、所述随时间改变的变化预测步骤以及所述安全裕量计算步骤，直至在所述重复步骤中在所述多个时间阶段所述轮胎随时间的变化的所有所述安全裕量变为等于或大于所述基准裕量。

5.根据权利要求1至4中任何一项的轮胎设计方法，其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，当使所述初始轮胎模型变形以预测随时间变化后的所述轮胎剖面形状时，生成调整轮胎模型，所述调整轮胎模型具有通过所述第一内压充填处理变形的所述初始轮胎模型的轮胎剖面形状，作为随后的第三内压充填处理之前的轮胎剖面形状。

6.根据权利要求5的轮胎设计方法，其中所述调整轮胎模型具有作为初始应力的值，该值是通过修改在对所述初始轮胎模型进行所述第一内压充填处理时作用于所述初始轮胎模型上的应力得到的。

7.根据权利要求1至4中任何一项的轮胎设计方法，其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，通过使所述初始轮胎模型变形预测随时间变化后的所述轮胎剖面形状时，多次进行第三内压充填处理，以及

当将生成调整模型的处理定义为修改处理，其中所述调整模型具有通过所述第三内压充填处理变形的所述轮胎模型的轮胎剖面形状作为又一次第三内压充填处理之前的轮胎剖面形状时，利用将第一次经受所述修改处理的轮胎模型作为通过所述第一内压充填处理变形的所述初始轮胎模型，进行所述修改处理，并且通过所述修改处理生成的所述调整轮胎模型用作将又一次经受所述修改处理的轮胎模型，其中重复所述修改处理预定次数，以及

预测最后生成的调整轮胎模型的轮胎剖面形状作为随时间变化后所述充气轮胎的轮胎剖面形状。

8.根据权利要求7的轮胎设计方法，所述通过所述修改处理生成的所述调整轮胎模型具有作为初始应力的值，所述值通过修改在对将要经受所述修改处理的所述轮胎模型进行所述第三内压充填处理时作用于所述轮胎模型上的应力而得到。

9.根据权利要求1至4和权利要求6中任何一项的轮胎设计方法，其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，在修改所述初始轮胎模型中所述轮胎组成构件的所述物理性能数据时，根据所述充气轮胎的经过时间的度量，修改弹性模量和泊松比中的至少一个，作为所述物理性能数据的修改。

10.一种轮胎设计方法，通过预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化设计轮胎，包括以下步骤：

安全裕量计算步骤，对随时间变化后的所述轮胎模型进行至少一次第二内压充填处理，所述轮胎模型具有随时间变化后的所述轮胎剖面形状，以计算随时间变化后在已执行了所述至少一次第二内压充填处理的所述轮胎模型中的所述轮胎组成构件各单元中最大主应变、最大主应力和最大应变能量密度中的至少一个力学特性量，并通过利用由此计算出的力学特性量计算所述轮胎组成构件的安全裕量；

参数确定步骤，确定使所述安全裕量变为等于或大于所述基准裕量的所述试选的参数作为轮胎的设计参数；

其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，当使所述初始轮胎模型变形以预测随时间变化后的所述轮胎剖面形状时，生成调整轮胎模型，所述调整轮胎模型具有通过所述第一内压充填处理变形的所述初始轮胎模型的轮胎剖面形状，作为随后的第三内压充填处理之前的轮胎剖面形状；

并且其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，在修改所述初始轮胎模型中所述轮胎组成构件的所述物理性能数据时，根据所述充气轮胎的经过时间的度量，修改弹性模量和泊松比中的至少一个，作为所述物理性能数据的修改。

11.一种轮胎设计方法，通过预测由充气轮胎的使用引起的随时间的变化设计轮胎，包括以下步骤：

其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，通过使所述初始轮胎模型变形预测随时间变化后的所述轮胎剖面形状时，多次进行第三内压充填处理，以及

预测最后生成的调整轮胎模型的轮胎剖面形状作为随时间变化后所述充气轮胎的轮胎剖面形状；

其中在所述随时间改变的变化预测步骤中，在修改所述初始轮胎模型中所述轮胎组成构件的所述物理性能数据时，根据所述充气轮胎的经过时间的度量，修改弹性模量和泊松比中的至少一个，作为所述物理性能数据的修改。