JP2005029076A - グルーブワンダリング性に優れる乗用車用タイヤ - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤ幅方向に併設される４本以上の周方向溝を有するトレッドパターンの乗用車用タイヤにおいて、グルーブワンダリング性に優れたものを提供する。
【解決手段】タイヤ幅方向に併設される４本以上の周方向溝を有し、下記式（１）を満足するトレッドパターンを有することを特徴とする乗用車用タイヤである。

（式中、Ｗはトレッドパターン画像とレイングルーブ画像との転写による画像解析処理から算出されるワンダリング性能指数、ｐはワンダリング性能指数を算出する際の画像処理で用いた画素の大きさ（ｍｍ）、Ｌはタイヤの接地長（ｍｍ）、ａは係数で０．６〜０．７である。）
【選択図】 なし

Description

本発明は、グルーブワンダリング性に優れる乗用車用タイヤに関する。

従来、車両の直進性に大きな影響を及ぼす要因の一つとして、米国の高速道路等の路面に形成されたレイングルーブがある。レイングルーブは、路面幅方向に一定間隔で形成されたタイヤ走行方向に延びる溝であり、タイヤトレッドの周方向に延びる溝に面する陸部の一部がレイングルーブ内に落ち込んだ時に発生する横力によりワンダリング現象が生じ、これが直進性に影響を与えるのである。そして、特にタイヤ周方向にストレート状に延びる周方向溝を有する車両においては、この現象が著しいことが知られている。

その為、乗用車用空気入りタイヤのトレッドパターンを開発する際に、このグルーブワンダリングという現象を抑制するために、タイヤのストレート状の主溝を適切な位置に配置することが大きな課題となっており、そのための提案がなされている（下記特許文献１，２など）。

しかしながら、特にタイヤ幅方向に併設される周方向溝が４本以上であるタイヤパターンにおいては各周方向溝のレイングルーブに対する挙動（落ち込み方）がそれぞれ異なる為、複雑なメカニズムとなり、短時間で適正な配置位置を求める事は容易ではない。

一方、他の特性や意匠上の制約によって、周方向溝の配置位置や周方向溝幅は制限を受け、その自由度は小さい。

このように意匠上の制約や他のタイヤ要求特性により、タイヤ幅方向に４本以上の周方向溝が配置されるトレッドパターンにおいては、グルーブワンダリング性の良い周方向溝の配置を決定するのは困難であり、検討には多大な工数が必要となっている。

そのため、レイングルーブ路面のある北米地域に出荷するタイヤについては、グルーブワンダリング性を危惧して周方向溝を１〜３本としたものが主流であるが、ノイズ、乗り心地等の快適性を重視するような場合、トレッドゴムブロックを比較的小さな構成とすることが必要であり、周方向溝を４本以上持つタイヤについてもグルーブワンダリング性に優れるものが求められる。
特開平８−５３００４号公報 特開２００２−１２０５１６号公報

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、タイヤ幅方向に併設される４本以上の周方向溝を有するトレッドパターンの乗用車用タイヤにおいて、グルーブワンダリング性に優れたものを提供することを目的とする。

本発明者は、タイヤのトレッドパターンの画像と路面のレイングルーブの画像との転写による画像解析処理を用いることでタイヤのグルーブワンダリング性を短時間で評価でき、その際、算出されるワンダリング性能指数を所定の範囲内に設定することでグルーブワンダリング性に優れたタイヤが得られることを見い出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の乗用車用タイヤは、タイヤ幅方向に併設される４本以上の周方向溝を有し、下記式（１）を満足するトレッドパターンを有するものである。

（式中、Ｗはトレッドパターンのワンダリング性能指数、ｐはワンダリング性能指数を算出する際の画像処理で用いた画素の大きさ（ｍｍ）、Ｌはタイヤの接地長（ｍｍ）、ａは係数で０．６〜０．７である。）

本発明の乗用車用タイヤであると、グルーブワンダリング性に優れ、そのため、レイングルーブが形成された路面での車両の直進性を向上することができる。

以下、本発明の実施に関連する事項について詳細に説明する。

１．トレッドパターンのワンダリング性能指数
（１）横力の発生メカニズムの解析
トレッドパターンの陸部がレイングルーブ内に落ち込んだ場合の横力の発生メカニズムをＦＥＭ（有限要素法）解析により明らかにした。

詳細には、タイヤ接地試験等から得られたタイヤ接触圧力情報を用いてタイヤトレッドパターンのブロックに生じる平均接触力より、ゴムブロックの変形量を算出し、ＦＥＭ接触モデルを作成した。そして、レイングルーブとゴムブロックの接触相対位置（図１参照）を変化させながら、それぞれ相対位置においてゴムブロックがグルーブ内に落ち込んだときにブロックに発生する横力を求めた。

その結果、図２に示すように、トレッドパターンの陸部がグルーブ内に落ち込んだときの横力発生状態は、ゴムブロックとグルーブとの相対位置関係に対して線形関係であることが判明した。すなわち、図２では、ゴムブロックに与える縦荷重を１，３，５の３水準としてそれぞれについて横力を求めたが、そのいずれについても、ゴムブロックとグルーブとの相対位置が大きくなるほど、横力がそれに比例して大きくなることが判明した。

このことから、後記のタイヤ溝情報画像と路面情報画像の各画素に割り当てる数値をビット化（二元符号化）することができ、そのため、グルーブワンダリング性の指標となるワンダリング性能指数は下記（２）〜（４）の手順により算出することができる。

（２）画像の作成
まず、タイヤにつきタイヤ溝情報画像と、路面につき路面情報画像をそれぞれ作成するが、その際、両画像は同じ大きさの画素に分割する。ここで、画素の大きさｐ、即ち画像の分解能は０．０５〜０．２ｍｍであることが好ましく、算出結果の精度及び計算工数の観点より０．０８〜０．１２ｍｍであることがより好ましい。

また、タイヤ溝情報画像については、トレッドパターンの周方向溝本数、溝位置、溝幅および接地幅に基づいて、タイヤ幅方向には接地幅に応じて定まる画素数を持ち、かつ、タイヤ周方向には画素数が１である１行ｎ列の行列として作成する。

詳細には、例えば図３に示すタイヤ接地形状から、図４に示すように接地幅と周方向溝についての形態（情報）を抽出する。なお、図３に示すタイヤ接地形状は、周方向溝として、比較的幅の太い４本の主溝（１）と、幅の細い３本の細溝（２）との合計７本を持ち、またタイヤ幅方向に傾斜して延びる複数の横溝（３）及びサイプ（４）を備える。また、図３中、Ｌはタイヤの接地長、Ｍはタイヤの接地幅である。そして、タイヤ幅方向については接地幅全体を上記所定の画素で分割し、タイヤ周方向については１画素とする。

なお、本発明において、周方向溝とは、一般に主溝と呼ばれるある程度大きな溝幅を持つものには限定されず、タイヤ周方向に延びるストレート状の溝（非溝部）であれば一般にサイプと呼ばれるような溝幅の狭いものも含まれる。

一方、路面情報画像は、レイングルーブが路面幅方向に一定間隔で形成されたものであるため、溝部と非溝部が所定間隔で繰り返し配置された画像となり、幅方向とタイヤ走行方向の画素数については、以下の転写処理をする際に重ね合わされるタイヤ溝情報画像に応じて定まる。

そして、タイヤ溝情報画像については、図５（ａ）に示すように、トレッドパターンの陸部に対応する画素に「１」を、溝部に対応する画素に「０」をそれぞれ割り当てる。路面情報画像については、図５（ｂ）に示すように、非溝部に対応する画素に「０」を、溝部に対応する画素に「１」をそれぞれ割り当てた路面情報画像１と、図５（ｃ）に示すように、非溝部に対応する画素に「０」を、溝部に対応する画素に「−１」をそれぞれ割り当てた路面情報画像２とを作成する。このように路面情報画像につき、２つの画像を作成するのは、タイヤ進行方向に対して左方向力と右方向力が発生する場合を考慮するためである。即ち、図１に示すようにタイヤ陸部の左側端部がレイングルーブにかかる場合には左方向の横力が発生するのに対し、図示しないがタイヤ陸部の右側端部がレイングルーブにかかる場合には右方向の横力が発生するので、両者が打ち消し合うことを考慮するためである。

（３）画像転写処理（ワンダリング値の算出）
次いで、タイヤ溝情報画像と路面情報画像とをある相対位置において転写処理（配列演算）して、その相対位置での横力の指標となるワンダリング値を算出する。ワンダリング値は下記式により算出される。

ワンダリング値＝SUM｛（タイヤ溝情報画像×路面情報画像１）＋（タイヤ溝情報画像×路面情報画像２）｝
すなわち、タイヤ溝情報画像を路面情報画像に対してある相対位置で重ね合わせて、タイヤ溝情報画像と路面情報画像１との対応する画素同士の数値を掛け合わせるとともに、タイヤ溝情報画像と路面情報画像２との対応する画素同士の数値を掛け合わせ、これらの合計値を算出することによりワンダリング値を得る。その場合、タイヤ溝情報画像の陸部と路面情報画像の溝部とが重なる部分のみ「１」又は「−１」として算出され、それ以外の画素については「０」となるので、横力の指標となる数値が算出されることになる。

但し、このように単に掛け合わせて合計値を算出するのみでは、図６（ａ）に示すようなタイヤの陸部が路面の溝部の全体を覆ってしまう場合にも横力が発生するとして数値が算出されてしまう。また、上記したようにタイヤ陸部の左右いずれの端部が路面の溝部に落ち込むかにより発生する横力の方向が異なるため、この点を考慮して掛け合わせた数値を抽出する必要がある。そのため、より詳細には、タイヤ溝情報画像と路面情報画像１との対応する画素同士の数値を掛け合わせ、所定の条件に従って左方向力を生み出す数値を抽出するとともに、タイヤ溝情報画像と路面情報画像２との対応する画素同士の数値を掛け合わせ、所定の条件に従って右方向力を生み出す数値を抽出し、これらの合計値を算出することによりワンダリング値を得る。

すなわち、左方向力を求めるための路面画像情報１については図５（ｂ）に示すように各非溝部の右端の画素に「１５０」を割り当て、右方向力を求めるための路面画像情報２については図５（ｃ）に示すように各非溝部の左端の画素に「１５０」を割り当てておき、それぞれタイヤ溝情報画像との転写を実施する。

すると、図６（ａ）に示すように、タイヤの陸部が路面の溝部の全体を覆ってしまう場合には、タイヤ陸部の「１」と路面非溝部の右端の「１５０」とを掛け合わせることにより「１５０」という大きな値が算出される。一方、図６（ｂ）に示すように、タイヤの陸部が路面の溝部に対して左方向に力が発生するように落ち込む場合には、タイヤ陸部と路面溝部の重なり部分のみで各画素について「１」が算出され、「１５０」という大きな値は算出されない。そのため、このような大きな値が算出された部分から連続して「１」が算出された場合には、左方向力は発生していない（タイヤ陸部が路面の溝部に落ち込んでいない）と判断してこれを「０」に置き換えることにより、左方向力のみを抽出する。図７（ａ）が抽出前の転写結果の一例であり、上記のような抽出処理を行うことにより図７（ｂ）に示す転写結果が得られる。

また、図６（ｂ）に示す相対位置において、路面情報画像２とタイヤ溝情報画像との転写処理では、図６（ｃ）に示すように、タイヤ陸部の「１」と路面非溝部の左端の「１５０」とを掛け合わせることにより「１５０」という大きな値が算出されるので、この部分では右方向力は発生しないと判断してこれを「０」に置き換える。このようにして左方向力と右方向力を考慮した正しいワンダリング値を算出する。

（４）ワンダリング性能指数の算出
次に、タイヤ溝情報画像と路面情報画像との相対位置をタイヤ幅方向に１画素ずつスライドさせながら、スライド量がレイングルーブの１間隔量に至るまでそれぞれの相対位置でのワンダリング値を上記（３）に従って算出する。そして、算出したワンダリング値の最大値と最小値の差を算出することにより該トレッドパターンのワンダリング性能指数Ｗが得られる。

ここで、レイングルーブの１間隔量とは、レイングルーブの１ピッチ、即ちある溝の端部から隣接する溝の端部までの距離のことであり、米国高速道路のレイングルーブ路面は溝部の幅が２．４ｍｍ、非溝部の幅が１６．６ｍｍであるため、１間隔量は１９．０ｍｍである。

図８は、あるトレッドパターンのスライド量に対するワンダリング値の変化を示したグラフであり、ワンダリング値の最大値と最小値との差がワンダリング性能指数として算出される。

２．上記式（１）の導出
周方向溝が４本以上である多数の市販タイヤについて、上記１の手法によりワンダリング性能指数Ｗを算出したところ、Ｗが５０以下の値を有するトレッドパターンは見られず、また、実車評価したところ、いずれもワンダリング性能の劣るものであった。表１に評価結果の一部を示す。ここで、画素の大きさｐ＝０．１ｍｍであり、路面は米国高速道路のレイングルーブであって溝部幅＝２．４ｍｍ、非溝部幅＝１６．６ｍｍである。

次に、表１のＮｏ．１０〜１７の各タイヤについて、下記３の方法に従って、周方向溝の配置および溝幅の適正値を決定し、それに基づいてそれぞれ改良タイヤを作製した。そして、各タイヤについて、台上試験によりワンダリング性の実験計測を行うとともに、実車評価を実施した。各タイヤの改良後のトレッドパターンの陸部および溝部の幅ｍ１〜ｍ８（図４参照）を下記表２に示す。なお、該トレッドパターンの周方向溝の配置及び溝幅は、ｍ８の溝幅を持つ中央の細溝２を中心にして左右対称である。

その結果、Ｎｏ．１０〜１７の改良タイヤのワンダリング性能指数は、表３に示すようにいずれも５０以下であり、また、いずれも横力の実験計測値が小さく、更に、実車でのグルーブワンダリング性にも優れることが判明した。

また、Ｎｏ．１２とＮｏ．１７のタイヤについて、改良検討途中（下記３の方法においてパターン変更とワンダリング性能指数の算出の繰り返し回数が約半分の段階で、ワンダリング性能指数が最小となるパターン）での周方向の配置および溝幅の適正値に基づいてタイヤを作製し、同様にワンダリング性の実験計測と実車評価を実施した。表４にトレッドパターンの陸部および溝部の幅ｍ１〜ｍ８を示すとともに、ワンダリング性能指数及び各実験結果を示す。

その結果、Ｎｏ．１２及び１７ともにワンダリング性能指数は５１であったが、Ｎｏ．１２については、接地長が長いことから横力の実験計測値が大きく、そのため実車でのグルーブワンダリング性にも劣るものであった。これに対し、Ｎｏ．１７については、接地長が短いことから横力の実験計測値が小さく、そのため実車でのグルーブワンダリング性にも優れていた。

なお、台上試験は、表面にレイングルーブを配したドラム（１回転で溝１個分移動）を走行路面として、タイヤを速度２０ｋｍ／ｈ、スリップ角０°で走行させて発生する横力を測定した。ドラムを１回転させたときの横力の最大値と最小の差を求め、ドラム１２８回転でのこの値の平均値を荷重で除した値を「実験計測値」とした。

また、実車評価性能判定は、実際の米国当地レイングルーブ路面の試験走行を行い、官能評価により判定を実施した。

図９は、上記したＮｏ．１〜１７の各タイヤについて、接地長とワンダリング性能指数との関係を示したものである。この図により、接地長が１５０ｍｍの場合、ワンダリング性能指数Ｗが５０であると、グルーブワンダリング性は合格領域にあることが分かった。また、合格領域と不合格領域との境界線は傾きを持っており、その係数ａは今回の調査では０．６７であった。以上のことから下記式（１）が得られる。

ここで、Ｌは、タイヤに所定空気圧を付与して実際に車両に装着した条件下における接地長であり、ａは、接地長がワンダリング性能指数に影響する重み係数であって、ａ＝０．６〜０．７、好ましくはａ＝０．６７である。

３．タイヤの作製（トレッドパターンの設計）
上記式（１）を満足するタイヤは、例えば以下のようにして作製することができる。

まず、基本となるトレッドパターンについて、周方向溝本数、溝位置、溝幅、接地幅に基づいてタイヤ溝情報画像を作成するとともに、路面について、路面情報画像１と路面情報画像２を作成する。これらの作成方法は上記１（２）で説明した通りである。次いで、上記１（３）及び（４）に従って、基本トレッドパターンのワンダリング性能指数を算出する。

そして、予め他の性能に影響の小さい範囲で設定された周方向溝位置および溝幅の許容量に対して、乱数発生による基本トレッドパターンの逐次変更を行い、それぞれのパターンについてワンダリング性能指数を算出することを繰り返し行う。すなわち、基本となるトレッドパターンについてはタイヤの用途に応じて周方向溝の本数が定まっており、また周方向溝の位置や溝幅も該用途に応じてある程度決まっているため、そのための要求特性を損なわない範囲で溝位置及び溝幅を変えながらそれぞれのパターンについてワンダリング性能指数を算出する。なお、乱数発生は公知の乱数発生ソフトを用いて行うことができる。

このようにパターン変更とワンダリング性能指数の算出を繰り返し行うことにより、周方向溝の配置および溝幅の適正値を決定する。詳細には、所定回数（例えば５００〜１０００回）繰り返して、上記式（１）を満足し、かつ、ワンダリング性能指数が最低のパターンをトレッドパターンに決定する。なお、一回の計算時間は非常に短いため、上記のように５００〜１０００回繰り返しても、一般のパソコンで約３分程度で計算することができる。

このようにして周方向溝の配置と溝幅を上記式（１）を満足する範囲内に設定することにより、グルーブワンダリング性を向上することができる。また、従来、このようなパターンの周方向溝配置等の適正値の決定に工数を割いていたが、上記した手法は一般のパソコンにおいても短時間で実施することが可能であるとともに、信頼性も高いものである。

路面のレイングルーブとタイヤ陸部に相当するゴムブロックとの位置関係を示す模式図である。 レイングルーブとゴムブロックとの相対位置に対する横力の関係を示すグラフである。 タイヤの接地形状の一例を示す図である。 接地幅と周方向溝のみを抽出したトレッドパターンの一例を示す図である。 （ａ）はタイヤ溝情報画像、（ｂ）は路面情報画像１、（ｃ）は路面情報画像２の例を示す図である。 路面のレイングルーブとタイヤの陸部との位置関係を示す模式図であり、（ａ）は陸部がグルーブに完全にかかった状態、（ｂ）及び（ｃ）は左方向力が発生する状態（ｂ：路面情報画像１、ｃ：路面情報画像２）を示す。 （ａ）が抽出前の画像転写結果の一例を示すグラフであり、（ｂ）が抽出処理後の一例を示すグラフである。 スライド量に対するワンダリング値の変化を示すグラフである。 タイヤ接地長とワンダリング性能指数との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…主溝（周方向溝） ２…細溝（周方向溝） Ｌ…タイヤの接地長 Ｍ…タイヤの接地幅

Claims (1)

1. タイヤ幅方向に併設される４本以上の周方向溝を有し、下記式（１）を満足するトレッドパターンを有することを特徴とする乗用車用タイヤ。
   

   

   （式中、Ｗはトレッドパターンのワンダリング性能指数、ｐはワンダリング性能指数を算出する際の画像処理で用いた画素の大きさ（ｍｍ）、Ｌはタイヤの接地長（ｍｍ）、ａは係数で０．６〜０．７である。）

Images