JP2016107760A - タイヤ性能評価方法、タイヤ性能評価装置、及びタイヤ性能評価プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】タイヤの細かい部分毎の物理量の負担割合等を知ることができるタイヤ性能評価方法を提供する。【解決手段】 要素モデルであるタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類する工程と、前記タイヤモデルを路面モデルに接地させて有限要素法により挙動解析し、前記タイヤモデルの各節点の物理量を求める工程と、前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかのものとして分類する工程と、同じ前記グループかつ同じ前記領域に分類された各節点の前記物理量をそれぞれ積算する工程と、を含むタイヤ性能評価方法。【選択図】図２

Description

本発明は、タイヤ性能評価方法、タイヤ性能評価装置、及びタイヤ性能評価プログラムに関する。

従来からタイヤ性能の評価方法として有限要素法を使用する方法が知られている（特許文献１〜４参照）。この方法では、タイヤモデルを小さな複数の要素で近似し、各要素に弾性率等の特性を設定するとともに、タイヤモデルに内圧や摩擦係数等の境界条件を設定する。そしてタイヤモデルを路面モデル上で転動させる計算を行い、接地圧力分布や剪断応力分布等を求める。そして求まった結果をタイヤの設計にフィードバックし、タイヤの設計上の改良に役立てている。

特開２００３−２９４５８６号公報 特開２００６−７６４０４号公報 特開２０１２−３７２８０号公報 特開２００４−１８９２０５号公報

しかし従来の評価方法では、タイヤの接地面全体の接地圧力分布や剪断応力分布等を求めており、タイヤの細かい部分（例えばセンターリブやショルダーリブ等の部位）毎の挙動や物理量の負担割合等は見ていなかった。そのため、評価結果をタイヤの設計に十分フィードバックできていなかった。

そこで本発明は、タイヤの細かい部分毎の物理量の負担割合等を知ることができるタイヤ性能評価方法、タイヤ性能評価装置、及びタイヤ性能評価プログラムを提供することを課題とする。

実施形態のタイヤ性能評価方法は、有限要素モデルであるタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類する工程と、前記タイヤモデルを路面モデルに接地させて有限要素法により挙動解析し、前記タイヤモデルの各節点の物理量を求める工程と、前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかのものとして分類する工程と、同じ前記グループかつ同じ前記領域に分類された各節点の前記物理量をそれぞれ積算する工程と、を含む。

また、実施形態のタイヤ性能評価装置は、有限要素モデルであるタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類するグルーピング部と、前記タイヤモデルを路面モデルに接地させて有限要素法により挙動解析し前記タイヤモデルの各節点の物理量を求める挙動解析部と、前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかのものとして分類する分類部と、同じ前記グループかつ同じ前記領域に分類された各節点の前記物理量をそれぞれ積算する積算する積算部と、を備える。

また、実施形態のタイヤ性能評価プログラムは、有限要素モデルであるタイヤモデルを路面モデルに接地させて行った有限要素法による挙動解析の結果に基づき、前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかに分類する工程と、前記挙動解析の結果としての物理量であって、前記タイヤモデルの接地面上の各部位を分類した各グループ内でかつ各前記領域内の節点の物理量を、それぞれ積算する工程と、を含む処理をコンピュータに実行させる。

実施形態のタイヤ性能評価方法、タイヤ性能評価装置、タイヤ性能評価プログラムによれば、タイヤの細かい部分毎の物理量の負担割合等を知ることができる。

本実施形態のタイヤ性能評価装置１のブロック図。 実施形態のタイヤ性能評価方法のフローチャート。 ３次元のタイヤモデルの斜視図。 タイヤの接地面の粘着領域と滑り領域を示す図。 物理量をグループ及び領域毎に積算して表示した例。 物理量をグループ及び領域毎に積算して表示した別の例。

図１に以下に説明するタイヤ性能評価方法を実施するタイヤ性能評価装置１を示す。タイヤ性能評価装置１は、タイヤモデルを作成するタイヤモデル作成部１０と、路面モデルを作成する路面モデル作成部１１と、作成されたタイヤモデルを後述するように部位毎にグループ分けするグルーピング部１２と、同じく後述するように挙動解析を行う挙動解析部１３と、同じく後述するようにタイヤモデルの節点を粘着領域又は滑り領域に分類する分類部１４と、挙動解析部１３による挙動解析で得られた節点の物理量を前記グループ毎かつ前記領域毎に積算する積算部１５とを備える。

これらの各部は、例えば、プロセッサ、ハードディスク、メモリ、キーボード、マウス、ディスプレイ等を備えるコンピュータの前記プロセッサにプログラムを実行させることにより実現される。

以下に説明するタイヤ性能評価方法をプログラムが実行する場合、該プログラムは、例えば、前記コンピュータが有するハードディスクや、ＣＤ−ＲＯＭ等のリムーバブル記録媒体に記憶されている。そして、例えば、これらに記憶されているプログラムを前記プロセッサが読み込んで実行する。

本実施形態のタイヤ性能評価方法を、図２のフローチャートに基づき説明する。

まずＳＴ１では、タイヤモデル作成部１０に入力されたタイヤモデル作成のための各種条件（タイヤ形状や、タイヤ構成部材のヤング率やポアソン比等の材料物性等）に基づき、図３に例示するような３次元のタイヤモデルを作成する。このタイヤモデルは、有限要素法による解析の対象となる有限要素モデルで、複数の要素にメッシュ分割されこれらの要素の頂点に節点を有するものである。有限要素モデルの詳細な作成方法としては、公知の方法を用いれば良い。

一般に、タイヤモデルにはトレッドパターンが形成される。トレッドパターンは限定されないが、例えば、タイヤ周方向に伸びる主溝が設けられ、同方向に伸びる複数のリブが、主溝により隔てられて、タイヤ幅方向に並ぶように形成される。また、例えば、タイヤ周方向に伸びる主溝及びタイヤ幅方向に伸びる横溝が設けられ、これらの溝により隔てられて、複数のブロックがタイヤ周方向及びタイヤ幅方向に並ぶように形成される。ただしトレッドパターンが形成されない場合もある。

次に、ＳＴ２では、グルーピング部１２において、ＳＴ１で作成したタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類する。ここでグループ分けの単位となる「部位」の定義は任意である。例えば１つのリブの接地面を１つの部位と定義しても良いし、１つのブロックの接地面を１つの部位と定義しても良い。また、１つのリブやブロックをさらに細かい部分に分割し、その各部分の接地面を部位と定義しても良い。また、タイヤ接地端からの距離により部位を定義しても良い。

また、グループ分けの仕方も任意である。例えば１つのリブの接地面を１つの部位とした場合において、１つのリブの接地面を１つのグループに分類しても良いし、２つ以上のリブ（例えば２つのショルダーリブ）の接地面を１つのグループに分類しても良い。

このグループ分けは、下で述べる挙動解析の後に行っても良いが、境界条件の設定及び挙動解析の前に行うことが処理の容易性の点から望ましい。

次に、ＳＴ３では、各種の境界条件を設定する。境界条件としては、タイヤの内圧、タイヤに負荷する荷重、タイヤと路面との摩擦係数、リム組み条件、スリップ角、走行速度等が挙げられる。

なお実際の摩擦係数は、タイヤと路面との間の圧力により、また、タイヤの滑り速度により、変化する。そこで、ＳＴ３において、摩擦係数を圧力及び滑り速度に依存するものとして設定することが望ましい。例えば、摩擦係数、圧力、滑り速度の関係を予め実験等により求め、圧力を行、滑り速度を列とする摩擦係数の表を作成し設定しておく。表に存在しない圧力や滑り速度の摩擦係数については、最も近い圧力及び滑り速度の摩擦係数を代用したり、表にある摩擦係数、圧力、滑り速度の値からそれらの近似式を求めて該近似式から算出したりするように設定しても良い。ただし、摩擦係数を圧力や滑り速度に依存しない一定値としても良い。

なお、ＳＴ３において始めは摩擦係数を定数（例えば０）としておき、インフレート解析（内圧を負荷したときのタイヤの変形を見る解析）を行い、その後圧力及び滑り速度に依存する摩擦係数を設定しても良い。

次に、ＳＴ４では、挙動解析部１３において、有限要素法による挙動解析を行う。例えば、ブレーキをかけたり舵を切ったりして、路面に押し付けられたタイヤに対し前後方向や横方向の力が加わることを再現し、その際のタイヤの挙動を解析する。解析では、時間の経過とともに、各節点における接地圧や滑り速度等の物理量が決定されていく。挙動解析の具体的な方法としては、陽解法を用いた動的転動解析や、陰解法を用いた準静的解析や定常輸送解析（Ｌａｇｒａｎｇｅ／Ｅｕｌｅｒ混合法）がある。本実施形態のような接地面挙動に着目する詳細な分析においては、解の安定性に優れる陰解法を用いるのが望ましい。

なお、挙動解析においてタイヤモデルを押し付ける相手である路面モデルは、タイヤモデルと同様の有限要素モデルであり、路面モデル作成部１１により挙動解析前に作成されたものである。路面モデルは、剛体平面であっても良いし、特殊な路面状況（例えば凹凸状態やウェット状態）が設定されたものであっても良い。

この挙動解析の結果として、節点番号と、各節点の物理量が出力される。物理量には様々なものがあるが、例えば、せん断応力、接地圧、滑り速度、節点に割り当てられる面積等が挙げられる。

次に、ＳＴ５では、分類部１４において、接地面の各節点を粘着領域と滑り領域のいずれか一方に分類する。ここで粘着領域とは、タイヤの接地面のうち、タイヤが路面に対して滑っていないと判断される領域のことである。また滑り領域とは、タイヤが路面に対して滑っていると判断される領域のことである。

接地面の各節点の粘着領域又は滑り領域への分類は、例えば、ＳＴ４で求められたその節点の滑り速度（その節点の路面に対する速度）に基づき行われる。具体的には、分類の基準として、次の式で定義される許容滑り速度γを用いる。そして、節点の滑り速度がこの許容滑り速度γより遅い場合には、その節点を粘着領域に分類する。一方、節点の滑り速度が許容滑り速度γより速い場合には、その節点を滑り領域に分類する。節点の滑り速度が許容滑り速度γと一致する場合に、その節点を滑り領域と粘着領域のいずれに分類するかについては、任意である。

ここで、ｆは任意に定められるスリップトレランス値、ωはタイヤの回転の角速度、Ｒはタイヤの有効半径（タイヤの回転中心から路面までの距離）である。なお、ω×Ｒは、タイヤの転動速度（タイヤが路面に対して滑らないと仮定した場合に、タイヤが自身の回転により単位時間あたりに進む距離）と一致する。タイヤにブレーキをかけると時間の経過に伴いタイヤの転動速度が変化するため、許容滑り速度γも時間の経過に伴い変化することになる。

具体例として、スリップトレランス値ｆを０．０２とし、タイヤの転動速度が４０ｋｍ／時間の時を考える。この時、許容滑り速度γは４４４ｍｍ／秒となる。よって、節点の滑り速度が４４４ｍｍ／秒より遅い場合には、その節点を粘着領域に分類する。また、節点の滑り速度が４４４ｍｍ／秒より速い場合には、その節点を滑り領域に分類する。

このようにして各節点を粘着領域又は滑り領域に分類すると、タイヤの接地面は、図４に示すように、粘着領域と滑り領域に分かれる。

最後に、ＳＴ６では、積算部１５において、節点をグループ毎かつ領域毎に分類し、その分類された範囲内の各節点の持つ物理量をそれぞれ積算する。つまり、同じグループかつ同じ領域に分類された複数の節点の物理量を積算することを、各グループの各領域について行う。なお物理量とはＳＴ４で出力された物理量のことである。またグループとはＳＴ２で分類したグループのことで、領域とはＳＴ５で分類した粘着領域又は滑り領域のことである。そして、グループ毎かつ領域毎の物理量の積算結果を、ディスプレイ等の表示装置に表示する。

表示例として、４つのリブを有するタイヤモデルのスリップ率と制動力との関係を見る場合であって、４つの各リブの接地面をＲＩＢ１〜ＲＩＢ４のグループに分類した場合を挙げる。

この場合、ＳＴ２において、タイヤモデルの接地面の各節点を、４つのグループ（リブ）のいずれかのものとして分類してある。またＳＴ５において、各節点を、各スリップ率の時にいずれかの領域（粘着領域又は滑り領域）に含まれるものとして分類してある。そこでＳＴ６では、各スリップ率の時に各グループかつ各領域に分類されている複数の節点の持つ制動力の大きさを積算する。その結果を表示すると、横軸にスリップ率、縦軸に制動力を取った図５のようになる。

図５の曲線ｐはタイヤ全体での制動力の変化を示している。また、曲線ｑはタイヤの粘着領域で発生する制動力の変化を示している。従って、曲線ｑの高さはそのスリップ率においてタイヤの粘着領域で発生する制動力の大きさを示し、曲線ｑと曲線ｐとに挟まれた部分の高さはそのスリップ率においてタイヤのすべり領域で発生する制動力の大きさを示している。また、図５のＲＩＢ１〜ＲＩＢ４で示されている各領域の高さは、そのスリップ率においてそれぞれのリブで発生する制動力の大きさを示している。このように、各グループの各領域で発生する制動力の大きさや、スリップ率の変化に伴うそれらの変化を知ることができる。ちなみに図４は、図５のスリップ率５％における粘着領域と滑り領域の分類を表している。

なお、スリップ率とは、タイヤの前進の速度と転動速度との差の、タイヤの前進の速度に対する割合で、これが小さいほどタイヤの前進の速度とタイヤの転動速度が近いことを示す。タイヤが回転せず滑っている場合はスリップ率が１００％、タイヤの前進の速度とタイヤの転動速度が同じ場合はスリップ率が０％となる。また制動力とは、転動するタイヤにブレーキをかけたときの前後方向のせん断応力である。

また別の表示例として、４つのリブを有するタイヤモデルのスリップ角とコーナリングフォース（転動するタイヤの舵を切ったときの横方向のせん断応力）との関係を見る場合であって、４つの各リブの接地面をＲＩＢ１〜ＲＩＢ４のグループに分類した場合を挙げる。

この場合も、ＳＴ２において、タイヤモデルの接地面の各節点を、４つのグループ（リブ）のいずれかのものとして分類してある。またＳＴ５において、各節点を、各スリップ率の時にいずれかの領域（粘着領域又は滑り領域）に含まれるものとして分類してある。そしてＳＴ６では、各スリップ角の時に各グループかつ各領域に分類されている複数の節点の持つコーナリングフォースの大きさを積算する。その結果を表示すると、横軸にスリップ角、縦軸にコーナリングフォースを取った図６のようになる。

図６の曲線ｐはタイヤ全体でのコーナリングフォースの変化を示している。また、曲線ｑはタイヤの粘着領域で発生するコーナリングフォースの変化を示している。従って、曲線ｑの高さはそのスリップ角においてタイヤの粘着領域で発生するコーナリングフォースの大きさを示し、曲線ｑと曲線ｐとに挟まれた部分の高さはそのスリップ角おいてタイヤのすべり領域で発生するコーナリングフォースの大きさを示している。また、図６のＲＩＢ１〜ＲＩＢ４で示されている各領域の高さは、そのスリップ角においてそれぞれのリブで発生するコーナリングフォースの大きさを示している。このように、各グループの各領域で発生するコーナリングフォースの大きさや、スリップ角の変化に伴うそれらの変化を知ることができる。

なお、以上の工程のうち、ＳＴ１〜ＳＴ４の工程を有限要素解析ソフトで行い、ＳＴ５〜ＳＴ６の工程を別の解析ソフトで行うことができる。

以上の方法で得られた結果をタイヤの設計にフィードバックし、これに基づきタイヤの設計上の改良を行う。

このようなタイヤ性能評価方法では、タイヤの細かい部分毎、具体的にはグループ毎かつ領域毎の、挙動や物理量の負担割合を知ることができる。そのため評価結果をタイヤの設計にフィードバックして十分に活用することができる。

例えば、上記ＳＴ２の工程においてタイヤ幅方向に並ぶ複数のリブ毎にグループに分類すれば、例えばセンターリブとショルダーリブとの物理量の負担割合を知ることができ、解析結果をリブや溝の形状の設計に活用することができる。

１…タイヤ性能評価装置、１０…タイヤモデル作成部、１１…路面モデル作成部、１２…グルーピング部、１３…挙動解析部、１４…分類部、１５…積算部

Claims (4)

1. 有限要素モデルであるタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類する工程と、
   前記タイヤモデルを路面モデルに接地させて有限要素法により挙動解析し、前記タイヤモデルの各節点の物理量を求める工程と、
   前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかのものとして分類する工程と、
   同じ前記グループかつ同じ前記領域に分類された各節点の前記物理量をそれぞれ積算する工程と、
   を含むタイヤ性能評価方法。
2. 前記タイヤモデルのタイヤ幅方向に並ぶ複数の部位毎にグループに分類する請求項１に記載のタイヤ性能評価方法。
3. 有限要素モデルであるタイヤモデルの接地面上の各部位を複数のグループのいずれかに分類するグルーピング部と、
   前記タイヤモデルを路面モデルに接地させて有限要素法により挙動解析し前記タイヤモデルの各節点の物理量を求める挙動解析部と、
   前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかのものとして分類する分類部と、
   同じ前記グループかつ同じ前記領域に分類された各節点の前記物理量をそれぞれ積算する積算する積算部と、
   を備えるタイヤ性能評価装置。
4. 有限要素モデルであるタイヤモデルを路面モデルに接地させて行った有限要素法による挙動解析の結果に基づき、前記タイヤモデルの接地面の各節点を粘着領域又は滑り領域のいずれかに分類する工程と、
   前記挙動解析の結果としての物理量であって、前記タイヤモデルの接地面上の各部位を分類した各グループ内でかつ各前記領域内の節点の物理量を、それぞれ積算する工程と、
   を含む処理をコンピュータに実行させるタイヤ性能評価プログラム。