JP2007045363A - タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 シミュレーションの精度の劣化を防ぐことができるタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムを提供することを目的とする。
【解決手段】 タイヤ本体モデルを作成する（ステップ１００）。複数ピッチ分のトレッドパターンを個々に作成して複数ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成し（ステップ１０２）、メッシュ分割し（ステップ１０４）、これをタイヤの周方向に展開してトレッドパターンモデルを作成し（ステップ１０６）、トレッドパターンモデルとタイヤ本体モデルとを合成してタイヤモデルを作成する（１０８）。各種条件を設定してシミュレーションし、結果を出力する（ステップ１１０〜１１６）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに係り、より詳しくは、有限要素法によりタイヤの性能を解析するためタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムに関する。

従来、空気入りタイヤ開発において、タイヤ性能は実際にタイヤを設計・製造し、自動車に装着して性能試験を行うことにより得られるものであり、性能試験の結果に満足できなければ設計・製造からやり直す、という手順を踏んできた。

最近では、数値解析手法や計算機環境の発達により、タイヤの性能をコンピュータシミュレーションにより解析する方法が提案されている。

数値解析手法では、タイヤのトレッド部を含むタイヤ全体や、トレッド部のみを有限個の要素に分割して解析する所謂有限要素法などの公知の手法を用いることができる。有限要素法では、分割する要素の大きさを小さくすることにより、精度良く解析することができる。例えば特許文献１及び特許文献２には、有限要素法によりタイヤの性能をシミュレーションする際のタイヤモデルの作成方法について開示されている。

従来では、タイヤを有限個の要素に分割（メッシュ分割）する場合、ＣＡＤデータを元にメッシュ分割することが広く行われている。例えば図９（Ａ）に示すように、タイヤのＣＡＤデータに基づく複数のトレッドブロック（同図（Ａ）では５個）を含む１ピッチ分のトレッドパターン７０の形状について、同図（Ｂ）に示すように、メッシュ分割したトレッドパターンモデル７２を作成することができる。このメッシュ分割したトレッドパターンのモデルを用いて有限要素法によりトレッドパターン単体の性能を解析することができる。
特許第３３１４０８２号公報 特許第３４３２５７３号公報

実際のタイヤのトレッドパターンはタイヤ周方向のトレッドブロックの長さが異なる複数ピッチ分のトレッドパターンで構成されるが、従来では、複数ピッチ分のトレッドパターンのうち１ピッチ分のトレッドパターンをタイヤ周方向に展開してタイヤモデルを作成していた。このため、実際のタイヤと多少異なるタイヤモデルでシミュレーションを行うこととなり、シミュレーションの精度が劣化する場合がある、という問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、シミュレーションの精度の劣化を防ぐことができるタイヤモデル作成方法、タイヤモデル作成装置、及びタイヤモデル作成プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のタイヤモデル作成方法は、タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法であって、前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成し、作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成することを特徴とする。

この発明によれば、タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割してタイヤモデルを作成する際、まずタイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成する。すなわち、複数ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成する。トレッドパターンは、タイヤの周方向と直交する方向に複数のトレッドブロック（陸部）を含む。なお、複数のトレッドブロックを配置してトレッドパターンを作成してからメッシュ分割してトレッドパターンモデルを作成してもよいし、トレッドブロック毎にメッシュ分割してから配置することによりトレッドパターンモデルを作成してもよい。

そして、作成したトレッドパターンモデルをタイヤの周方向に展開することによりタイヤモデルを作成する。

このように、複数ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成してタイヤモデルを作成するので、実際のタイヤと同様のタイヤモデルを作成することができ、シミュレーションの精度が劣化するのを防ぐことができる。

なお、請求項２に記載したように、前記複数のトレッドパターンを作成し、作成した複数のトレッドパターン毎にメッシュ分割することにより前記トレッドパターンモデルを作成するようにしてもよい。これにより、複数のトレッドブロック毎にメッシュ分割するので、メッシュのサイズ等をトレッドパターン毎に詳細に設定することにより、シミュレーションの精度をより向上させることができる。

また、請求項３に記載したように、１つの基本トレッドパターンを作成してメッシュ分割し、これを前記周方向に拡大させる処理及び縮小させる処理の少なくとも一つの処理を行うことにより前記トレッドパターンモデルを作成するようにしてもよい。これにより、タイヤモデルの作成時間を短縮することができる。

請求項４記載の発明のタイヤモデル作成装置は、タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成装置であって、前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成する第１の作成手段と、作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成する第２の作成手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、複数ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成してタイヤモデルを作成するので、実際のタイヤと同様のタイヤモデルを作成することができ、シミュレーションの精度が劣化するのを防ぐことができる。

請求項５記載のタイヤモデル作成プログラムは、タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法をコンピュータに実行させるためのタイヤモデル作成プログラムであって、前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成するステップと、作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成するステップと、を含むことを特徴とする。

この発明によれば、複数ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成してタイヤモデルを作成するので、実際のタイヤと同様のタイヤモデルを作成することができ、シミュレーションの精度が劣化するのを防ぐことができる。

以上説明したように、本発明によれば、シミュレーションの精度の劣化を防ぐことができる、という効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

図１には本発明の空気入りタイヤの性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略が示されている。このパーソナルコンピュータは、データ等を入力するためのキーボード１０、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの性能を予測するコンピュータ本体１２、コンピュータ本体１２の演算結果等を表示するＣＲＴ１４、及びＣＲＴに表示されたカーソルを所望の位置に移動させたり、カーソル位置のメニュー項目やオブジェクト等を選択したり選択解除したりドラッグしたりする操作を行うためのマウス１６から構成されている。

なお、コンピュータ本体１２には、記録媒体としてのフレキシブルディスク（ＦＤ）が挿抜可能なフレキシブルディスクユニット（ＦＤＵ）を備えている。なお、後述する処理ルーチン等は、ＦＤＵを用いてフレキシブルディスクＦＤに対して読み書き可能である。従って、後述する処理ルーチンは、予めＦＤに記録しておき、ＦＤＵを介してＦＤに記録された処理プログラムを実行してもよい。また、コンピュータ本体１２に設けられたハードディスク装置等の大容量記憶装置（図示省略）に処理プログラムを格納（インストール）して実行するようにしてもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクがあり、これらを用いるときには、上記ＦＤＵに代えて、またはさらにＣＤ−ＲＯＭ装置、ＤＶＤ−ＲＯＭ装置、ＭＤ装置、ＭＯ装置等を用いればよい。

なお、コンピュータ本体１２のハードディスクには、予め複数種類のタイヤのＣＡＤデータ（タイヤ形状、構造、材料等の設計データ）や、後述するタイヤ性能解析プログラムが記憶されている。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ本体１２で実行されるタイヤ性能解析プログラムの処理ルーチンについて図２に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップ１００では、タイヤ本体モデルを作成する。タイヤ本体は、タイヤを構成するカーカスやベルト、サイドウォール等のトレッド部以外の部分をいう。タイヤ本体モデルの作成処理では、タイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面の形状（サイズ）、構造、材料等のタイヤ本体モデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、タイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面のモデルを作成し、これをメッシュ分割してタイヤの周方向に展開することにより、タイヤ本体モデルを作成する。

タイヤ本体モデル及び後述するトレッドパターンモデルの作成は、用いる数値解析手法により若干異なる。本実施の形態では数値解析手法として有限要素法（ＦＥＭ）を用いるものとする。従って、上記ステップ１００〜１０６で作成するタイヤ本体モデル及びトレッドパターンモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、すなわち、メッシュ分割によって複数の要素に分割されたモデルを、数値解析手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。

この要素分割とは、タイヤを多数の（有限の）小部分（要素）に分割することをいう。小部分は、例えば四面体要素や五面体要素、六面体要素等とすることができる。この小部分ごとに数値計算を行い全ての小部分について計算した後、全部の小部分を組み合わせることにより全体の応答を得ることができる。なお、数値解析手法には有限要素法に限らず、差分法や有限体積法、個別要素法（ＤＥＭ）等の他の公知の数値解析手法を用いても良い。

ステップ１０２では、複数ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成する。この３次元モデルの作成では、複数ピッチ分のトレッドパターンを構成する各トレッドの形状（サイズ）、高さ、配置、材料等、トレッドパターンモデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力（指定）させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、複数ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成する。

ステップ１０４では、例えばメッシュ（要素）の形状（四面体、五面体等）、サイズ等のメッシュ分割に必要なパラメータを入力させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、ステップ１０２で作成した３次元モデルをメッシュ分割し、トレッドパターンモデルを作成する。なお、本実施形態では、メッシュ分割に必要なパラメータは、例えばトレッドブロック毎又は１ピッチ分のトレッドパターン毎に指定することができる。これにより、例えば各メッシュの大きさをサイズの異なるピッチ（トレッドブロック）全てで同一とする等のきめ細かな設定が可能となり、サイズの異なるピッチ間で歪み、応力、路面等の接地面で発生する力等を精度良くシミュレーションすることが可能となる。

なお、メッシュ分割に必要なパラメータをオペレータに入力させずに、予め定めたパラメータ、例えば各ピッチでメッシュの大きさを同一とするようなパラメータを用いて自動でメッシュ分割するようにしてもよい。

ステップ１０６では、メッシュ分割された複数ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルをタイヤの周方向に展開することにより、トレッドパターンモデルを作成する。

ステップ１０８では、タイヤ本体モデルとトレッドパターンモデルとを合成し、タイヤモデルを作成する。すなわち、トレッドパターンモデルをタイヤ本体モデルの外周側に貼り合わせることによりタイヤモデルを作成する。

図３には、複数ピッチ分のトレッドパターンの一例を示した。図３に示すトレッドパターン２０は、５ピッチ分のトレッドパターン２１〜２５、溝部２６で構成される。なお、各ピッチのトレッドパターンのタイヤの周方向Ｓの長さは異なり、トレッドパターン２１〜２５の順に大きい。また、溝部２６のタイヤの周方向Ｓにおける長さは各ピッチ間で異なっているが、各ピッチ間で同じ長さでもよい。また、溝部２６のタイヤの幅方向の長さは同一であるが、各ピッチ内、各ピッチ間で異なっていても良い。また、溝部２６のタイヤの周方向Ｓにおける長さは、ピッチ長に応じて変化し、ピッチ間で接続している。

トレッドパターン２１は、トレッドブロック２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ，２１Ｅから成り、トレッドパターン２２は、トレッドブロック２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅから成り、トレッドパターン２３は、トレッドブロック２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅから成り、トレッドパターン２４は、トレッドブロック２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ，２４Ｅから成り、トレッドパターン２５は、トレッドブロック２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅから成る。

これらの各トレッドブロックの形状及び配置をオペレータが指示することにより、トレッドパターンの二次元モデルを作成することができる。なお、各トレッドブロックの形状及び配置を定義することにより、各トレッドブロック間の溝部２６が定義される。そして、これをオペレータが指定した高さに展開することによりトレッドパターンの３次元モデルを作成することができる。

このようにして作成した複数ピッチ分のトレッドパターンを含むトレッドパターン２０のモデルをメッシュ分割することにより、各トレッドブロック及び溝部がメッシュ分割された図４に示すようなトレッドパターンモデル３０が作成される。なお、図４では溝部のメッシュ分割については省略している。

そして、このようなトレッドパターンモデル３０をタイヤの周方向に展開して、タイヤ本体モデルと合成することにより、図５に示すようなタイヤモデル４０を作成することができる。

上記のようにして、タイヤモデルの作成が終了すると、ステップ１１０へ進み、路面モデルの作成と共に路面状態の入力がなされる。このステップ１１０は、路面をモデル化し、そのモデル化した路面を実際の路面状態に設定するために入力するものであって、路面形状を要素分割して路面をモデル化し、路面の摩擦係数μを選択して入力することで路面状態を入力する。すなわち、路面状態により乾燥状態、濡れた状態、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面の摩擦係数μが存在するので、摩擦係数μについて適正な値を選択することで、実際の路面状態を再現させることができる。

このようにして、路面状態の入力がなされると、次のステップ１１２において、境界条件の設定がなされる。境界条件の設定は、タイヤモデルに内圧、荷重、変位、回転速度、トルク等を負荷させることや直進速度または路面速度を負荷させることである。

そして、ステップ１１４では、ステップ１１２で設定された境界条件のもとで有限要素法によりタイヤの変形計算を行い、タイヤの歪み等をシミュレーションする。

ステップ１１６では、ステップ１１４のタイヤの変形計算に基づくシミュレーション結果、例えばタイヤの形状等をＣＲＴ１４に表示する。

このように、本実施形態では、複数ピッチ分のトレッドパターンの形状等を指定することができるため、実際のタイヤと同様のタイヤモデルを作成できると共に、メッシュの形状やサイズ等のメッシュ分割に必要なパラメータをトレッド毎又は１ピッチ分のトレッドパターン毎に指定することができるので、各メッシュの大きさをサイズの異なるトレッドブロック全てで同一にしたりする等のきめ細かな設定が可能となり、シミュレーションの精度を高くすることができる。

なお、本実施形態では、各トレッドブロックを配置させた後にメッシュ分割することによりトレッドパターンモデルを作成するようにしたが、これに限らず、各トレッドブロックをメッシュ分割してから、これらの配置をオペレータに指定させることによりトレッドパターンモデル３０を作成してもよい。

次に、タイヤモデル作成の第２実施形態について、図６に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図２に示すフローチャートと同一の処理を行う部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図６に示すように、ステップ１００でタイヤ本体モデルを作成し、次のステップ１０２Ａでは、１ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成する。図２のステップ１０２と異なるのは複数ピッチ分ではなく１ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成する点だけである。

次のステップ１０４では、ステップ１０２で作成した３次元モデルをメッシュ分割して１ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成する。

そして、ステップ１０５では、１ピッチ分のトレッドパターンモデルを例えばタイヤの周方向Ｓに沿って拡大又は縮小することにより前記周方向Ｓにサイズが異なるトレッドパターンモデルを作成する。これにより、複数ピッチ分のトレッドパターンモデルが作成される。例えば、図７の３ピッチ分のトレッドパターン５０の中央のトレッドパターン５２についてメッシュ分割した１ピッチ分のトレッドパターンモデルを縮小・拡大することにより、トレッドパターン５１，５３のトレッドパターンモデルを作成する。これにより、図８に示すような３ピッチ分のトレッドパターンモデル６０を作成することができる。この場合、各メッシュも拡大・縮小される。

このように、本実施形態によれば、１ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成し、これを拡大・縮小することで複数ピッチ分のトレッドパターンモデルを作成するため、タイヤモデルの作成時間を短縮することができ、タイヤ設計の効率を向上させることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

まず、タイヤサイズが２０５／５５Ｒ１６で、第１実施形態に係るタイヤモデル、すなわち図３に示すような５ピッチ分のトレッドパターンを個々に作成し、これをタイヤの周方向に展開したタイヤモデルと、第２実施形態に係るタイヤモデル、すなわち図８に示すような１ピッチ分のトレッドパターンモデルをタイヤの周方向に拡大縮小して作成した３ピッチ分のトレッドパターンモデルをタイヤの周方向に展開したタイヤモデルとのモデル作成時間を比較した。その結果、第２実施形態に係るタイヤモデルの作成時間は第１実施形態に係るタイヤモデルの１／４の時間であった。これにより、第２実施形態に係るタイヤモデルの作成方法によれば、第１実施形態に係るタイヤモデルの作成方法と比較して、大幅にタイヤモデルの作成時間を短縮できることがわかった。

次に、実際のタイヤ、第１実施形態に係るタイヤモデル、第２実施形態に係るタイヤモデルの各々について、各トレッドブロックに内圧２００ｋＰａ、荷重４ｋＮ、横方向変位１０ｍｍを与えたときに発生するブロック発生力を測定又はシミュレーションした。その結果をブロック発生力指数として以下に示す。なお、トレッドパターン（トレッドブロック）のタイヤ周方向の長さが短い順に「小ピッチ」、「中小ピッチ」、「中間ピッチ」、「中大ピッチ」、「大ピッチ」とし、中間ピッチのブロック発生力指数を１００としている。

表１から明らかなように、第１実施形態に係るタイヤモデルの解析結果は、実際のタイヤと同一となっており、精度良く解析できていることがわかる。第２実施形態に係るタイヤモデルの解析結果は、中小ピッチ及び中大ピッチが実際のタイヤと少し異なり、定量的には第１実施形態に係るタイヤモデルに劣るものの、定性的には概ね良好に解析できているといえる。

タイヤの性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略図である。 第１実施形態に係るタイヤ性能解析プログラムのメインルーチンのフローチャートである。 第１実施形態に係る５ピッチ分のトレッドパターンの平面図である。 第１実施形態に係る５ピッチ分のトレッドパターンモデルの平面図である。 タイヤモデルの全体図である。 第２実施形態に係るタイヤ性能解析プログラムのメインルーチンのフローチャートである。 第２実施形態に係る５ピッチ分のトレッドパターンの平面図である。 第２実施形態に係る５ピッチ分のトレッドパターンモデルの平面図である。 （Ａ）は１ピッチ分のトレッドパターンの平面図、（Ｂ）はメッシュ分割されたトレッドパターンモデルの平面図である。

符号の説明

１０ キーボード
１２ コンピュータ本体
１４ ＣＲＴ
１６ マウス

Claims (5)

1. タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法であって、
   前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成し、
   作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成する
   ことを特徴とするタイヤモデル作成方法。
2. 前記複数のトレッドパターンを作成し、作成した複数のトレッドパターン毎にメッシュ分割することにより前記トレッドパターンモデルを作成することを特徴とする請求項１記載のタイヤモデル作成方法。
3. １つの基本トレッドパターンを作成してメッシュ分割し、これを前記周方向に拡大させる処理及び縮小させる処理の少なくとも一つの処理を行うことにより前記トレッドパターンモデルを作成することを特徴とする請求項１記載のタイヤモデル作成方法。
4. タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成装置であって、
   前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成する第１の作成手段と、
   作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成する第２の作成手段と、
   を備えたことを特徴とするタイヤモデル作成装置。
5. タイヤのトレッドパターンを有限個の複数の要素に分割したタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成方法をコンピュータに実行させるためのタイヤモデル作成プログラムであって、
   前記タイヤの周方向の長さが異なる複数のトレッドパターンの各々を複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成するステップと、
   作成したトレッドパターンモデルを前記周方向に展開することによりタイヤモデルを作成するステップと、
   を含むことを特徴とするタイヤモデル作成プログラム。
   
   

Images