JP2006111229A - シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、タイヤの性能をより正確に予測することができる。
【解決手段】本発明は、複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法であって、少なくとも１つの補強材のタイヤ周方向に対する角度のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、該３つ以上の平均値を有する要素を含む集合体でタイヤのモデルを設定するステップと、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの性能を予測するステップとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法に関する。

従来では、実際にタイヤが設計・製造され、製造されたタイヤが車両に装着された後に、製造されたタイヤの性能が試験される。そして、試験結果が予め定められた規定の範囲内でなければ、再度、設計・製造がやり直されていた。ところが、近年では、有限要素法などによる解析手法が発達し、コンピュータは、タイヤを構成する各種材料の特性、境界条件などを用いてシミュレーションを行うことにより、タイヤの性能を予測している。これにより、シミュレーションがタイヤの製造前に行われているため、製造のやり直しが低減される。

例えば、タイヤに備えられている補強材の初期張力の値が入力されることにより、タイヤの性能を解析する従来技術が開示されている（特許文献１参照）。この補強材の初期張力の値はベルト層等の端部に生じる歪などに関係する値であるため、コンピュータはタイヤの性能をより正確に予測することができるように見える。
特開２００４−１０２４２４号公報

しかしながら、タイヤ周方向に対する補強材の角度が用いられていないため、コンピュータはタイヤの性能を正確に予測することができなかった。ここで、(1)生タイヤが製造されてから最終的なタイヤが製造されるまでに、補強材の拡張率に変化が生じること、(2)成型ドラム上ではトレッド部がステッチャーに押されながら回転すること、(3)加硫時ではタイヤが拡張すると同時に、トレッド部の溝がモールドに押されることにより、トレッド部の下方に配置された補強材の角度がそれぞれ異なってくる。このように補強材が配置されている場所に応じて、補強材の角度がそれぞれ異なっているにも関わらず、その補強材の角度がシミュレーションに用いられていなかったため、コンピュータはタイヤの性能をより正確に予測することができなかった。

そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、タイヤの性能をより正確に予測することができるシミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法であって、少なくとも１以上の補強材のタイヤ周方向に対する角度のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、３つ以上の平均値を有する要素を含む集合体でタイヤのモデルを設定するステップと、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの性能を予測するステップとを備えることを特徴とする。

このような本発明によれば、補強材のタイヤ周方向に対する角度の値が１の測定値ではなく３つ以上の測定値の平均値を用いたモデルが設定されるため、タイヤの性能をより正確に予測することができる。

上記発明においては、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、補強材の端部に発生する歪を予測するステップを備えてもよい。この場合には、補強材のより適切な角度の値を用いたモデルが設定されるため、タイヤの寿命に寄与する補強材の端部に発生する歪をより正確に予測することができる。

上記発明においては、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの接地形状を予測するステップを備えてもよい。この場合には、補強材のより適切な角度の値を用いたモデルが設定されるため、車両の連成解析、ハイドロプレーニング解析、雪上・泥上での解析、音・振動の解析、磨耗の解析に寄与するタイヤの接地形状をより正確に予測することができる。

本発明によれば、タイヤの性能をより正確に予測することができる。

（空気入りタイヤの構成）
本実施形態における空気入りタイヤ１について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における空気入りタイヤ１の断面を示す図である。図１に示すように、空気入りタイヤ１は、溝で区画された陸部を有するトレッド部２と、トレッド部２の両端からタイヤ半径方向内方に延びるサイドウォール部３と、サイドウォール部３の半径方向内端に位置しているビードコア４と、ビードコア４の上部に埋設され、細切り上の硬質のゴムで形成されているビードフィラー５と、トレッド部２からサイドウォール部３を通りビードコア４に至るカーカス６と、トレッド部２の内側とカーカス６の半径方向外側との間にトレッド部２の周方向に沿って延びる少なくとも２層のベルト層７と、トレッド部２の内側とベルト層７の半径方向外側との間にベルト層７を覆うキャップ層８と、カーカス６の折り返し部分を補強するワイヤーチェーファー９と、タイヤ径方向内側に位置するビードコア４の各部を覆うフリッパー１０とを備えている。

本実施形態におけるベルト層７は、ゴム７１とゴム７１で被覆されたコード７２とを備えている。同様にしてキャップ層８も、ゴム８１とゴム８１で被覆されたコード８２とを備えている。このゴム７１（又はゴム８１）で被覆されたコード７２（又はコード８２）がタイヤ赤道ＣＬに対して角度θ（後述する図6参照）で配置されている。コード７２（又はコード８２）は端で切り離されている。なお、カーカス６、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０も、ゴムとゴムで被覆されたコードとを備えている。また、カーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０におけるコードは、補強材に該当する。また、図１ではベルト層７が２層用いられているが、これに限定されずに、３層以上用いられてもよい。

（コンピュータの構成）
本実施形態におけるコンピュータ２００について図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態におけるコンピュータ２００の構成を示す図である。図２に示すように、コンピュータ２００は、タイヤの性能をシミュレーションするのに必要な値の入力を促す入力部２１１と、処理部２１３により処理を実行するためのプログラムなどを記憶する記憶部２１２と、入力部２１１により入力された値及び記憶部２１２に記憶された値に基づいて有限要素法等の解析手法により、タイヤの性能を予測する処理部２１３と、処理部２１３により予測された性能の結果を表示する表示部２１４とを備えている。

（シミュレーション方法）
本実施形態におけるコンピュータ２００の動作について図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態にけるコンピュータ２００の動作を示すフロー図である。図３に示すように、ステップ１において、処理部２１３は、数値解析が可能な要素の集合体である空気入りタイヤ１のモデルを設定する。

本実施形態では、処理部２１３は、路面に接触している空気入りタイヤ１の面の形状（以下では単に接地形状と称する）を解析するために、後述する空気入りタイヤ１のモデル１００を設定する。また、処理部２１３は、補強材（ここではカーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９、フリッパー１０におけるコード）の端部Ｔ（図１参照）において発生する歪を解析するために、後述するベルト層７のモデル及びキャップ層８のモデル、カーカス６、ワイヤーチェーファー９、フリッパー１０などのモデル（図示せず）を設定する。

ここで、処理部２１３は、微小な空気入りタイヤ１の回転角毎に、空気入りタイヤ１の幅方向の断面に対応する各要素を設定し、これらの要素を集合することにより後述するモデル１００などを設定する。

図４は、本実施形態における処理部２１３により設定された空気入りタイヤ１のモデル１００を示す図である。図４に示すように、モデル１００は、要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…の集合体であり、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…は、処理部２１３により数値解析が可能なデータである。例えば、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…には、２次元の３角形・４角形からなる膜要素、又は３次元の四面体からなるソリッド要素などが挙げられる。また、要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…には、座標のデータが定義されている。

また、コードを含む補強材（カーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０のコード）は、異方材平面（コード方向の剛性とコードに直角方向の剛性とが異なる平面）の要素でモデル化されている。本実施形態では、タイヤモデル周方向に対するコードの角度の平均値に関するデータ、その他座標データ等が補強材のモデルに設定されている。なお、後述するステップ２において、少なくとも一つの補強材（カーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０のコード）のタイヤ周方向に対する角度のタイヤ軸方向分布を表す３以上の平均値が入力されることにより、カーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０のコードを含む補強材のモデルを構成する各要素に当該角度の平均値も定義される。

ステップ２において、処理部２１３は、少なくとも一つの補強材（カーカス６、ベルト層７、キャップ層８、ワイヤーチェーファー９又はフリッパー１０のコード）のタイヤ周方向に対する角度のタイヤ軸方向分布を表す３以上の平均値の入力を促す。以下では、補強材であるコード７２（又はコード８２など）の角度の測定方法について説明する。図５及び図６は、キャップ層８のコード７２を採取する部位を示す図である。なお、コードの角度の測定方法はコードの種類に関わらず同様であるため、以下ではコード７２の角度の測定方法についてのみ説明する。

この測定方法では、周上がカットされていない未使用の空気入りタイヤが用いられる。これにより、空気入りタイヤの周上がカットされていないため、コードの角度に変化が生じておらず、より正確な角度の測定が可能となる。先ず、測定者は、この空気入りタイヤのトレッド部２のゴムを補強材の全幅で、且つキャップ層８に達するまで剥がし取る（図５に示す斜線部分、図６参照）。そして、測定者は、コード７２の上部に存在するキャップ層８のゴムを取除く。その後、測定者は、タイヤ周方向に対するコード７２の角度（図６参照）を、剥ぎ取った領域（以下では単に特定領域と称する）の全幅に対して実測して、当該特定領域の３分割（図５及び図６に示すＷ１〜Ｗ３参照）以上でそれぞれの領域における角度を平均化する。

ステップ３において、処理部２１３は、上記角度の平均値以外の材料特性値の入力を促す。この材料特性値には、ゴム７１，８１又はコード７２，８２の密度、弾性係数などが挙げられる。ステップ４において、処理部２１３は、境界条件の入力を促す。この境界条件には、空気入りタイヤ１の空気圧、荷重、スリップ角、速度、又はリム幅などの空気入りタイヤ１の使用条件が挙げられる。なお、ステップ２乃至ステップ４までの入力順序は、この順序に限定されるものではなく、いずれの順序であってもよい。

ステップ５において、処理部２１３は、ステップ２乃至ステップ３により入力された値に基づいて有限要素法解析（いわゆるＦＥＭ）などにより、タイヤの性能を解析する。ステップ６において、表示部２１４は、解析された結果を表示する。ここで、上述したように、処理部２１３が有限要素法解析によりタイヤの性能を解析する前は、空気入りタイヤ１のモデル１００は、図４に示す有限個の要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などに分割されており、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などは座標データとして記憶部２１２に記憶されている。そして、ステップ４において処理部２１３は、記憶されている各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などの座標データと、ステップ２乃至ステップ３により入力された値に基づいて有限要素法解析により、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などの歪、応力等を算出し、補強材の端部Ｔにおける歪、空気入りタイヤ１の接地形状などの空気入りタイヤ１の性能を予測する。なお、有限要素法解析などによる数値解析は一般的であるため、詳細な説明は省略する。

（シミュレーション方法の作用及び効果）
このような本願に係る発明によれば、補強材のタイヤ周方向に対する補強材のタイヤ軸方向分布の角度の値が１の測定値ではなく３以上の測定値の平均値を用いたモデルが設定されるため、コンピュータ２００は、空気入りタイヤ１の寿命に寄与する補強材の端部に発生する歪をより正確に予測することができる。また、コンピュータ２００は、車両の連成解析、ハイドロプレーニング解析、雪上・泥上での解析、音・振動の解析、磨耗の解析に寄与するタイヤの接地形状をより正確に予測することができる。

（実施例）
本実施形態におけるシミュレーションの実施例について以下詳細に説明する。図７は、空気入りタイヤ１に備えられた１−２層間における補強材の端部に発生する歪（剪断歪）、空気入りタイヤ１の接地形状（ここでは矩形率）のシミュレーション結果を示す図である。なお、乗用車用ラジアルタイヤの周方向に沿って上記特定領域が所定数（ここでは分割数である３乃至５）に分割され、それぞれの領域における角度の平均値が用いられており、図７はその角度の平均値がシュミレーションに用いられた場合の矩形率及び歪を分割数毎に示している。このコードの角度は、タイヤの内圧が入れられていない状態で測定されている。また、補強材の端部に発生する歪はメッシュ法を用いたシミュレーション結果である。

図７では、サイズが１９５／６５Ｒ１４であり、正規の内圧・荷重が掛けられた場合の乗用車用ラジアルタイヤのシュミレーション結果が示されている。なお、図７、図１０乃至図１１に示す指数は１００に近い程良好な値を示す。従来における補強材は、タイヤ赤道ＣＬに対して一律の小角度θで配置されているものとする。

ここで、図８は、乗用車用ラジアルタイヤのモデルの接地形状を示す図である。図８に示すＷmaxは、モデル１００の最大の接地幅であり、Ｌ１は接地されたモデル１００のタイヤ赤道での周方向の長さであり、Ｌ２は接地幅Ｗmaxの８０％位置（０．８Ｗmax）での周方向の長さである。これらを用いて矩形率を表現すると、矩形率は（Ｌ２／Ｌ1）×１００％となる。

図７に示すように、矩形率の指数は、分割数が３である場合には８０の値を示し、良好な値となっていることが分かる。また、矩形率の指数は、分割数が３から５に増大するに従って、１００に近い値に近づき、より良好な結果となっていることが分かる。同様にして、歪の指数も、分割数が３である場合には１２５の値を示し、良好な値となっていることが分かる。また、歪の指数は、分割数が３から５に増大するに従って、１００に近い値に近づき、より良好な結果となっていることが分かる。

図９及び図１０は、サイズが１２Ｒ２０であり、正規の内圧・荷重が掛けられた場合のトラック・バス用ラジアルタイヤのシュミレーション結果を示す図である。図１０では、カーカス６の端部６ａがワイヤーチェーファー９ａよりも高い場合に、２−３層の各ベルト層７の端部に発生する歪、カーカス６の端部６ａ・ワイヤチェーファー９（ここではナイロンチェーファー）の端部９ａに発生するタイヤ周方向−タイヤ径方向面内の歪及びタイヤの矩形率が示されている。なお、分割数は４としている。図９に示すように、本発明における矩形率及び歪の指数は、従来における指数よりも１００に近い値を示し、より良好な結果となっていることが分かる。

図１０では、カーカス６の端部６ａがワイヤーチェーファー９ａよりも低い場合に、カーカス６の端部６ａ・ワイヤチェーファー９の端部９ａに発生するタイヤ周方向−タイヤ径方向面内の歪が示されている。なお、分割数は４としている。図１０に示すように、本発明における歪の指数は、従来における指数よりも１００に近い値を示し、より良好な結果となっていることが分かる。

図１１は、サイズが４０００Ｒ５７であり、正規の内圧・荷重が掛けられた場合の建設車両用ラジアルタイヤのシュミレーション結果を示す図である。図１１では、５層のベルト層７の端部に発生する歪、及びカーカス６の端部６ａに発生する歪が示されている。なお、分割数は５としている。図１１に示すように、本発明における矩形率及び歪の指数は、従来における指数よりも１００に近い値を示し、より良好な結果となっていることが分かる。

図１２は、本実施形態における補強材のタイヤ軸方向の角度の分布を示す図である。図１２に示すように、タイヤ赤道ＣＬに位置する補強材の角度が最も大きく、タイヤ赤道ＣＬからショルダー部に向かうに従って補強材の角度が小さくなっている。したがって、空気入りタイヤ１の幅方向に沿って３つ以上に分割された領域のぞれぞれにおける角度の平均値が用いられることにより、コードの角度の値がより適切な値となる。これにより、コードのより適切な角度の値が用いられ、且つコードの角度がタイヤの性能に大きく影響するため、上述した図７、図９乃至図１１の実施例で示すように、コンピュータ２００は、３以上のコードの角度の平均値を用いることにより空気入りタイヤ１の性能（補強材の端部に発生する歪、空気入りタイヤ１の矩形率など）をより正確に予測することができる。

本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その１）。 本実施形態におけるコンピュータの構造を示す図である。 本実施形態におけるコンピュータの動作を示すフロー図である。 本実施形態における空気入りタイヤのモデルを示す図である。 本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その２）。 本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その３）。 本実施形態における比較例を示す図である（その１）。 本実施形態における空気入りタイヤの接地形状を示す図である。 本実施形態における比較例を示す図である（その２）。 本実施形態における比較例を示す図である（その３）。 本実施形態における比較例を示す図である（その４）。 本実施形態におけるベルト幅位置とコードの初期張力との関係を示す図である。

符号の説明

１…空気入りタイヤ、２…トレッド部、３…サイドウォール部、４…ビードコア、５…ビードフィラー、６…カーカス、７…ベルト層、８…キャップ層、９…ワイヤーチェーファー、１０…フリッパー、７１，８１…ゴム、７２，８２…コード、１００，１１０，１２０…モデル、２００…コンピュータ、２１１…入力部、２１２…記憶部、２１３…処理部、２１４…表示部

Claims (3)

1. 複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法であって、
   少なくとも１以上の補強材のタイヤ周方向に対する角度のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、該３つ以上の平均値を有する要素を含む集合体で前記タイヤのモデルを設定するステップと、
   設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの性能を予測するステップと
   を備えることを特徴とするシミュレーション方法。
2. 設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記補強材の端部に発生する歪を予測するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
3. 設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの接地形状を予測するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
   
   
   

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