JP2014206520A - タイヤ摩耗シミュレーション方法及びタイヤ摩耗シミュレーションプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】キャンバー角が付与されたタイヤにおいてもタイヤの摩耗を精度良くシミュレーションすることができる。【解決手段】タイヤ摩耗シミュレーション方法は、タイヤを有限個の複数の要素で分割したタイヤモデルの転動解析に関するシミュレーション条件として、キャンバー角を含むシミュレーション条件を設定する設定ステップと、前記シミュレーション条件に基づいて前記タイヤモデルの転動解析を実行して、前記タイヤに発生する横力と前記タイヤに発生する摩耗エネルギーとの対応関係を計算する対応関係計算ステップと、前記対応関係と、前記タイヤが搭載された車両が予め定めた走行コースを走行したときに測定した前記車両に発生する横力に関する車両入力データと、に基づいて、前記キャンバー角が付与された前記タイヤに発生する摩耗エネルギーを計算する摩耗エネルギー計算ステップと、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤ摩耗シミュレーション方法及びタイヤ摩耗シミュレーションプログラムに係り、より詳しくは、有限要素法によりタイヤの摩耗を解析するためのタイヤ摩耗シミュレーション方法及びタイヤ摩耗シミュレーションプログラムに関する。

従来、タイヤの性能をシミュレーションする方法として、評価しようとするタイヤを有限個の多数の要素に分割したタイヤ有限要素モデルで近似するとともに、各有限要素に密度や弾性率などの特性を与え、上記モデルに内圧、荷重などの境界条件を与えて上記各要素の変形状態を計算してタイヤの変形や転がり抵抗などのタイヤの動特性を数値解析する有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）が多く用いられている。

また、例えば特許文献１には、タイヤ性能をシミュレーションする際に、タイヤと路面との摩擦を考慮してタイヤ性能をシミュレーションする技術が提案されている。

また、特許文献２には、タイヤモデルの転動解析を実行してタイヤに発生する横力及び前後力に関するタイヤ特性データを取得し、タイヤ特性データと予め定めた走行コースを車両が走行したときに測定した車両に発生する横力及び前後力に関する車両入力データとに基づいてタイヤに加わる力を算出し、タイヤに加わる力に基づいてタイヤの摩耗量を算出する技術が開示されている。

特開平１１−３２６１４５号公報 特開２０１２−６３９４９号公報

しかしながら、上記従来技術では、タイヤにキャンバー角が付与された場合については考慮されていないため、キャンバー角による横力（キャンバースラスト）の影響がタイヤの摩耗量の計算に反映されず、精度良くタイヤの摩耗量を計算するのが困難な場合がある。

本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、キャンバー角が付与されたタイヤにおいてもタイヤの摩耗を精度良くシミュレーションすることができるタイヤ摩耗シミュレーション方法及びタイヤ摩耗シミュレーション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摩耗シミュレーション方法は、 タイヤを有限個の複数の要素で分割したタイヤモデルの転動解析に関するシミュレーション条件として、キャンバー角を含むシミュレーション条件を設定する設定ステップと、前記シミュレーション条件に基づいて前記タイヤモデルの転動解析を実行して、前記タイヤに発生する横力と前記タイヤに発生する摩耗エネルギーとの対応関係を計算する対応関係計算ステップと、前記対応関係と、前記タイヤが搭載された車両が予め定めた走行コースを走行したときに測定した前記車両に発生する横力に関する車両入力データと、に基づいて、前記キャンバー角が付与された前記タイヤに発生する摩耗エネルギーを計算する摩耗エネルギー計算ステップと、を含むことを特徴とする。

なお、請求項２に記載したように、前記摩耗エネルギーに基づいて前記タイヤモデルを修正する修正ステップをさらに含み、修正された前記タイヤモデルについて前記摩耗エネルギーを計算するようにしてもよい。

また、請求項３に記載したように、前記対応関係計算ステップは、前記キャンバー角が０度の場合において前記横力が０となるスリップ角を計算するステップと、前記スリップ角及び前記タイヤに付与する予め設定された設定キャンバー角で転動解析した場合に前記タイヤに発生する第１の横力に基づいて、前記タイヤに発生する第１の摩耗エネルギーを計算するステップと、前記設定キャンバー角で転動解析した場合に、前記タイヤに予め設定した第２の横力が発生するときの第２の摩耗エネルギーを計算するステップと、前記第１の横力及び前記第２の横力と、前記第１の摩耗エネルギー及び前記第２の摩耗エネルギーと、に基づいて、前記対応関係を計算するステップと、を含み、前記摩耗エネルギー計算ステップは、前記対応関係と前記車両入力データとに基づいて、前記スリップ角のみに起因して発生する横力を計算するステップと、前記対応関係に基づいて、前記スリップ角のみに起因して発生する横力に対応した摩耗エネルギーを計算するステップと、を含むようにしてもよい。

請求項４記載の発明のタイヤ摩耗シミュレーションプログラムは、コンピュータに、 タイヤを有限個の複数の要素で分割したタイヤモデルの転動解析に関するシミュレーション条件として、キャンバー角を含むシミュレーション条件を設定する設定ステップと、前記シミュレーション条件に基づいて前記タイヤモデルの転動解析を実行して、前記タイヤに発生する横力と前記タイヤに発生する摩耗エネルギーとの対応関係を計算する対応関係計算ステップと、前記対応関係と、前記タイヤが搭載された車両が予め定めた走行コースを走行したときに測定した前記車両に発生する横力に関する車両入力データと、に基づいて、前記キャンバー角が付与された前記タイヤに発生する摩耗エネルギーを計算する摩耗エネルギー計算ステップと、を含む処理を実行させることを特徴とする。

本発明によれば、キャンバー角が付与されたタイヤにおいてもタイヤの摩耗を精度良くシミュレーションすることができる、という効果を有する。

コンピュータの概略ブロック図である。 タイヤ摩耗シミュレーションプログラムのフローチャートである。 タイヤに発生する横力及び前後力について説明するための図である。 タイヤに発生する横力と摩耗エネルギーとの関係を示す図である。 タイヤに発生する横力と摩耗エネルギーとの関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には一例として空気入りタイヤのタイヤモデルの作成や設計、性能解析等を実施するためのタイヤ摩耗シミュレーション装置としてのコンピュータ１２の構成を示した。コンピュータ１２は、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの３次元モデルの作成やタイヤ性能の解析、設計等を実行する。

コンピュータ１２は、図１に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続された構成となっている。

Ｉ／Ｏ１２Ｅには、データ等を入力するためのキーボード１０、コンピュータ１２による演算結果や各種画面等を表示するディスプレイ１４、ディスプレイ１４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、ハードディスク１８、及び記録媒体としてのＣＤ−ＲＯＭが挿抜可能なＣＤ−ＲＯＭドライブ２２が接続されている。

ハードディスク１８には、後述するタイヤ摩耗シミュレーションプログラムや、これらの実行に必要な各種パラメータやデータ等が記憶されている。ＣＰＵ１２Ａは、ハードディスク１８に記憶されたタイヤ摩耗シミュレーションプログラムを読み込んで実行する。

なお、後述するタイヤ摩耗シミュレーションプログラム等は、例えばＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を用いてＣＤ−ＲＯＭに対して読み書き可能とすることもできるので、後述するタイヤ摩耗シミュレーションプログラムは、予めＣＤ−ＲＯＭに記録しておき、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を介してＣＤ−ＲＯＭに記録されたタイヤ摩耗シミュレーションプログラムを読み込んで実行してもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭに限らず、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ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２に代えて、またはさらにＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＤドライブ、ＭＯドライブ等を用いればよい。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ１２で実行されるタイヤ摩耗シミュレーション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、シミュレーションする各タイヤのタイヤモデルの作成処理を行う。すなわち、シミュレーションするタイヤの設計案（タイヤ形状、構造、材料など）に基づいてタイヤモデルを作成する。

このタイヤモデルの作成は、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、作成するタイヤモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、例えば、メッシュ分割によって複数の要素に分割され、タイヤを数値的・解析的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及び路面等の対象物を小さな幾つかの（有限の）小部分に分割することをいう。この小部分ごとに計算を行い全ての小部分について計算した後、全部の小部分を足し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、数値解析手法には差分法や有限体積法を用いても良い。

タイヤモデルの作成は、例えばタイヤ断面の二次元モデルを作成した後に、これを周方向に一周分展開することによりタイヤの３次元（３Ｄ）モデルを作成する。

なお、以下で説明する各ステップの計算は、タイヤモデルの各要素の各節点について実行される。

ステップ１０２では、シミュレーション条件を設定して転動解析する。シミュレーション条件には、例えば内圧及び荷重等の境界条件がある。また、その他のシミュレーション条件として、スリップ角及びキャンバー角等がある。

ここでは、タイヤのキャンバー角を０度に設定し、スリップ角を変更しながら転動解析を実行する。転動解析は、路面に接触したタイヤを回転させたときの変化、すなわちタイヤ形状の変形を解析するものである。この転動解析は、公知の有限要素法に基づく転動解析方法を用いることができる。この転動解析により、タイヤに発生する横力や前後力のデータを取得することができる。

なお、図３に示すように、横力には、タイヤＴに対してＡ方向に発生する横力Ｆｙ＋、タイヤＴに対してＡ方向と反対方向のＢ方向に発生する横力Ｆｙ−が含まれる。前後力は、タイヤＴに対してＣ方向（タイヤの進行方向）に発生する駆動力ＤＦｘ、タイヤＴに対してＣ方向と反対方向のＤ方向に発生する制動力ＢＦｘがある。

このように、キャンバー角を０度に設定し、スリップ角を変更しながら転動解析を実行し、タイヤＴに発生する横力が０となるスリップ角Ｓ１を求める。

ステップ１０４では、ステップ１０２で求めたスリップ角Ｓ１、タイヤに付与する予め定めた設定キャンバー角ＣＡ（≠０度）の条件でタイヤの転動解析を実行し、横力Ｆｙ１（第１の横力）を求めると共に、横力Ｆｙ１に基づく摩耗エネルギーＥｗ１（第１の摩耗エネルギー）を求める。なお、横力から摩耗エネルギーを算出する方法は、公知の手法を用いることができる。

ステップ１０６では、キャンバー角をステップ１０４で設定した設定キャンバー角ＣＡに設定し、スリップ角を変更しながら転動解析し、横力が予め定めた横力Ｆｙｐ、Ｆｙｍ（第２の横力）となるスリップ角を求めると共に、横力が予め定めた横力Ｆｙｐ、Ｆｙｍとなる摩耗エネルギーＥｗｐ、Ｅｗｍ（第２の摩耗エネルギー）を各々求める。本実施形態では、一例としてＦｙｐは＋０．２Ｇ、Ｆｙｍは−０．２Ｇとするが、これに限られるものではない。

ステップ１０８では、ステップ１０４で求めた横力Ｆｙ１における摩耗エネルギーＥｗ１、ステップ１０６で求めた横力Ｆｙｐ、Ｆｙｍにおける摩耗エネルギーＥｗｐ１、Ｅｗｍ１に基づいて、摩耗エネルギーＥｗの二次曲線Ｐを求める。すなわち、図４に示すように、横軸を横力Ｆｙ、縦軸を摩耗エネルギーＥｗとし、（Ｆｙ１、Ｅｗ１）、（Ｆｙｐ、Ｅｗｐ１）、（Ｆｙｍ、Ｅｗｍ１）の３点から摩耗エネルギーＥｗの二次曲線Ｐを表す二次式を求める。

ステップ１１０では、スリップ角のみに起因して発生する横力Ｇｙｐ、Ｇｙｍを次式により求める。
Ｇｙｐ＝ＲＭＳｐ−Ｆｙ１／Ｆｚ ・・・（１）
Ｇｙｍ＝ＲＭＳｍ−Ｆｙ１／Ｆｚ ・・・（２）

ここで、ＲＭＳｐ、ＲＭＳｍは、横力を検出するセンサを搭載した車両を、予め定めたシミュレーション対象の走行コースを走行させたときの前記センサにより検出した横力Ｆｙｐ、ＦｙｍのＲＭＳ（Root Mean Square：二乗平均平方根）値である。このＲＭＳｐ、ＲＭＳｍの値は、予めハードディスク１８に記憶させておく。

Ｆｙ１は、キャンバー角のみによってタイヤに発生する横力である。従って、上記（１）、（２）式のように、横力Ｆｙｐ、ＦｙｍのＲＭＳ値から横力Ｆｙ１を各々減算することにより、スリップ角のみに起因して発生する横力Ｇｙｐ、Ｇｙｍを求めることができる。

ステップ１１２では、ステップ１０８で求めた二次式を用いて、ステップ１１０で求めた横力Ｇｙｐ、Ｇｙｍに対応する摩耗エネルギーＥｗｐ２、Ｅｗｍ２を求める。

ステップ１１４では、次式により、スリップ角のみに起因する摩耗エネルギーＥｗｐｓ、Ｅｗｍｓを求める。
Ｅｗｐｓ＝Ｅｗｐ２−Ｅｗ１ ・・・（３）
Ｅｗｍｓ＝Ｅｗｍ２−Ｅｗ１ ・・・（４）

ここで、Ｅｗ１は、キャンバー角ＣＡによって発生する横力Ｆｙ１に対応した摩耗エネルギーである。このように、横力Ｇｙｐ、Ｇｙｍに対応する摩耗エネルギーＥｗｐ２、Ｅｗｍ２から摩耗エネルギーＥｗ１を減算することにより、スリップ角のみに起因する摩耗エネルギーＥｗｐｓ、Ｅｗｍｓを求めることができる。

ステップ１１６では、前後力、すなわち駆動力ＤＦｘ、制動力ＢＦｘについても上記と同様にステップ１０２〜１１４の処理を行って、駆動力ＤＦｘについての摩耗エネルギーＥｗ＿ＤＦｘ、制動力ＢＦｘについての摩耗エネルギーＥｗ＿ＢＦｘを求める。この場合、上記の横力Ｆｙｐを駆動力ＤＦｘ、横力Ｆｙｍを制動力ＢＦｘに言い換えればよい。ただし、キャンバー角ＣＡによる横力Ｆｙ１は、前後力については考慮する必要はないので、上記（１）、（２）式においてＦｙ１を減算する必要はない。

ステップ１１８では、次式により摩耗エネルギー期待値Ｅｗｅｘｐ（ｎ）を算出する。なお、ｎは各要素の節点の節点番号である。

ここで、Ｅｗｆｒｅｅは、横力及び前後力共に０の場合にタイヤに発生する摩耗エネルギーであり、予め定めた値を設定する。また、ｉは横力及び前後力の種類を表し、例えば‘１’が横力Ｆｙ＋、‘２’が横力Ｆｙ−、‘３’が駆動力ＤＦｘ、‘４’が制動力ＢＦｘを表す。

すなわち、（５）式は、節点番号ｎの節点に発生する横力及び前後力の各々に起因して発生する摩耗エネルギーの和である。

ステップ１２０では、ステップ１１８で求めた各要素の各節点の摩耗エネルギー期待値に基づいてタイヤモデルを修正する。すなわち、各要素の各節点の座標を摩耗エネルギー期待値に基づいて各々移動させ、タイヤモデルを摩耗させる。

ステップ１２２では、予め定めた終了条件を満たすか否かを判断し、終了条件を満たす場合にはステップ１２４へ移行し、終了条件を満たさない場合には、ステップ１０２へ戻って上記と同様の処理を繰り返す。

終了条件としては、例えば摩耗エネルギー期待値が予め定めた閾値以上になった場合等とすることができるが、終了条件の例は一例であり、上記の例に限られるものではない。

ステップ１２４では、上述の計算結果を出力する。この計算結果の一例として、最終的に修正されたタイヤモデルを表示するための表示用データがある。この表示用データによって、経時変化によって移行するタイヤについて、応力分布や摩耗エネルギー分布の状態を把握するためのイメージを表示することができる。

このように、本実施形態では、キャンバー角を考慮してタイヤの摩耗エネルギーを計算するので、キャンバー角が付与されたタイヤにおいてもタイヤの摩耗を精度良くシミュレーションすることができる。

なお、図４では、横軸の横力は、スリップ角による横力及びキャンバー角による横力の和を表したが、図５に示すように、スリップ角による横力のみとしてもよい。この場合、図２のステップ１１０では、上記（１）、（２）式のように、ＲＭＳｐ、ＲＭＳｐから横力Ｆｙ１を減算する必要はなく、ＲＭＳｐ、ＲＭＳｍをそのままＧｙｐ、Ｇｙｍとすればよい。

１０ キーボード、１２ コンピュータ、１４ ディスプレイ、１６ マウス、１８ ハードディスク、２２ ＣＤ−ＲＯＭドライブ

Claims (4)

1. タイヤを有限個の複数の要素で分割したタイヤモデルの転動解析に関するシミュレーション条件として、キャンバー角を含むシミュレーション条件を設定する設定ステップと、
   前記シミュレーション条件に基づいて前記タイヤモデルの転動解析を実行して、前記タイヤに発生する横力と前記タイヤに発生する摩耗エネルギーとの対応関係を計算する対応関係計算ステップと、
   前記対応関係と、前記タイヤが搭載された車両が予め定めた走行コースを走行したときに測定した前記車両に発生する横力に関する車両入力データと、に基づいて、前記キャンバー角が付与された前記タイヤに発生する摩耗エネルギーを計算する摩耗エネルギー計算ステップと、
   を含むタイヤ摩耗シミュレーション方法。
2. 前記摩耗エネルギーに基づいて前記タイヤモデルを修正する修正ステップをさらに含み、
   修正された前記タイヤモデルについて前記摩耗エネルギーを計算する
   請求項１記載のタイヤ摩耗シミュレーション方法。
3. 前記対応関係計算ステップは、
   前記キャンバー角が０度の場合において前記横力が０となるスリップ角を計算するステップと、
   前記スリップ角及び前記タイヤに付与する予め設定された設定キャンバー角で転動解析した場合に前記タイヤに発生する第１の横力に基づいて、前記タイヤに発生する第１の摩耗エネルギーを計算するステップと、
   前記設定キャンバー角で転動解析した場合に、前記タイヤに予め設定した第２の横力が発生するときの第２の摩耗エネルギーを計算するステップと、
   前記第１の横力及び前記第２の横力と、前記第１の摩耗エネルギー及び前記第２の摩耗エネルギーと、に基づいて、前記対応関係を計算するステップと、を含み、
   前記摩耗エネルギー計算ステップは、
   前記対応関係と前記車両入力データとに基づいて、前記スリップ角のみに起因して発生する横力を計算するステップと、
   前記対応関係に基づいて、前記スリップ角のみに起因して発生する横力に対応した摩耗エネルギーを計算するステップと、を含む
   請求項１又は請求項２記載のタイヤ摩耗シミュレーション方法。
4. コンピュータに、
   タイヤを有限個の複数の要素で分割したタイヤモデルの転動解析に関するシミュレーション条件として、キャンバー角を含むシミュレーション条件を設定する設定ステップと、
   前記シミュレーション条件に基づいて前記タイヤモデルの転動解析を実行して、前記タイヤに発生する横力と前記タイヤに発生する摩耗エネルギーとの対応関係を計算する対応関係計算ステップと、
   前記対応関係と、前記タイヤが搭載された車両が予め定めた走行コースを走行したときに測定した前記車両に発生する横力に関する車両入力データと、に基づいて、前記キャンバー角が付与された前記タイヤに発生する摩耗エネルギーを計算する摩耗エネルギー計算ステップと、
   を含む処理を実行させるためのタイヤ摩耗シミュレーションプログラム。

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