JP4275991B2 - タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 - Google Patents
タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4275991B2 JP4275991B2 JP2003144702A JP2003144702A JP4275991B2 JP 4275991 B2 JP4275991 B2 JP 4275991B2 JP 2003144702 A JP2003144702 A JP 2003144702A JP 2003144702 A JP2003144702 A JP 2003144702A JP 4275991 B2 JP4275991 B2 JP 4275991B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tire
- finite element
- virtual
- element model
- performance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Tires In General (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、有限要素法を用いてタイヤ性能をシミュレーションするタイヤ性能のシミュレーション方法、これを利用したタイヤ設計方法、及びその設計値に基づいてタイヤを製造する空気入りタイヤの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
タイヤの形状やトレッドパターン等を設計するにあたり、タイヤが走行している間の変形度合いや内部応力を計算により知ることできれば、有用な情報となる。しかし、タイヤは、形状・構造が複雑であり、タイヤ走行中はトレッド部などが路面に接触して変形することから、計算が難しい非線形な解析を行わなければならない。
【0003】
そこで、コンピュータの性能が飛躍的に進歩してきたことと相まって、かかるタイヤの走行特性を解析するために有限要素法(FEM)が利用されてきている。有限要素法とは、構造体を多数の小さな要素に分割し、解析する方法である。この有限要素法によるコンピュータ解析により、複雑なタイヤ走行を解析し、タイヤの設計に反映させることができるようになった。
【0004】
例えば、有限要素法を利用した動的なシミュレーション方法として、タイヤを有限個の多数の要素に分割した有限要素モデルを構築し、仮想路面に接地させて所定の走行条件で走行させるシミュレーションを行い、走行中の有限要素モデルから所定の情報を取得するタイヤ性能シミュレーション方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また、上記のような動的シミュレーション方法において、タイヤ有限要素モデルに軸荷重を与えたり、タイヤ有限要素モデルと仮想路面との間の摩擦係数を含む走行条件を設定する方法も存在する(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−153520号公報(第2頁、図1)
【特許文献2】
特開平11−201875号公報(第2頁、図8)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように動的なシミュレーション方法を行う場合、シミュレーションされる経時的な状態の変化を逐次コンピュータで計算していく必要があるため、シミュレーション結果を得るまでに長時間かかるという問題があった。つまり、コンピュータの性能にもよるが、例えば、有限要素モデルに対して、標準的な荷重条件と摩擦係数を与えて、直線走行させる動的シミュレーションによって、タイヤの耐久性を評価する場合、24時間程度の時間がかかっていた。
【0008】
これに対して、静的なシミュレーションによって、タイヤ有限要素モデルと仮想路面とを相対移動させずに(仮想走行を行わずに)、上記と同様の評価結果を得るには、4〜5時間かかるだけであり、時間を1/6程度に短縮できる。
【0009】
しかし、静的なシミュレーション方法では、その精度を高めるための条件設定の工夫が必要であり、仮想走行を行う動的手法より、条件設定が難しい面も多い。例えば、カーカス層のコードをラジアル方向から左右同じ方向に傾斜させる場合のように、タイヤの回転方向によって物理的な特性が変化する空気入りタイヤに対しては、従来の静的なシミュレーション方法では、精度良く耐久性等が評価できなかった。なお、静的手法において過度に複雑な条件を設定する場合、計算が長時間となるため、静的シミュレーションを採用する意義が失われる。
【0010】
そこで、本発明の目的は、静的なシミュレーション方法において、簡易な付加条件の採用により、比較的短時間でより精度の高い評価結果が得られるタイヤ性能のシミュレーション方法、これを利用したタイヤ設計方法、及びその設計値に基づいてタイヤを製造する空気入りタイヤの製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。
即ち、本発明のシミュレーション方法は、有限個の多数の要素に分割されたタイヤ有限要素モデルによって評価しようとするタイヤを近似し、有限要素法を用いて前記タイヤ有限要素モデルからタイヤ性能をシミュレーションするタイヤ性能のシミュレーション方法において、前記タイヤ有限要素モデルを仮想ホイルに装着し、仮想路面に接地させる際の設定条件として、タイヤの仮想回転に相当する遠心力と、前記仮想ホイルのホイル軸からの垂直荷重と、タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力と、仮想路面に対する摩擦係数と、前記ホイル軸の回転角0.5〜5°又は回転トルク58000〜1010000N・mmとを与えることを特徴とする。
【0012】
本発明のシミュレーション方法によると、タイヤの仮想回転に相当する遠心力を付与するため、車速に対応した遠心力が負荷できるので、静的なシミュレーション方法でありながら、より実際の走行状態に近い状態をシミュレーションできる。しかも、ホイル軸の回転角0.5〜5°又は回転トルク58000〜1010000N・mmを与えるため、制動時又は発進時のように回転軸周りのトルクが負荷されたモデル状態が再現でき、耐久性、制動性能などのタイヤ性能の評価の精度が向上する。その結果、静的なシミュレーション方法において、簡易な付加条件の採用により、比較的短時間でより精度の高い評価結果が得られるタイヤ性能のシミュレーション方法を提供することができる。
【0013】
また、本発明の別のシミュレーション方法は、有限個の多数の要素に分割されたタイヤ有限要素モデルによって評価しようとするタイヤを近似し、有限要素法を用いて前記タイヤ有限要素モデルからタイヤ性能をシミュレーションするタイヤ性能のシミュレーション方法において、前記タイヤ有限要素モデルを仮想ホイルに装着し、仮想路面に接地させる際の設定条件として、タイヤの仮想回転に相当する遠心力と、前記仮想ホイルのホイル軸からの垂直荷重と、タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力と、仮想路面に対する摩擦係数と、前記ホイル軸に仮想路面に平行な変位1〜5mm又は平行な力675〜3175Nとを与えることを特徴とする。
【0014】
本発明の別のシミュレーション方法によると、タイヤの仮想回転に相当する遠心力を付与するため、車速に対応した遠心力が負荷できるので、静的なシミュレーション方法でありながら、より実際の走行状態に近い状態をシミュレーションできる。しかも、ホイル軸に仮想路面に平行な変位1〜5mm又は平行な力675〜3175Nを与えるため、制動時又は発進時のように回転軸周りのトルクが負荷されたモデル状態が再現でき、耐久性、制動性能などのタイヤ性能の評価の精度が向上する。その結果、静的なシミュレーション方法において、簡易な付加条件の採用により、比較的短時間でより精度の高い評価結果が得られるタイヤ性能のシミュレーション方法を提供することができる。
【0015】
上記において、前記設定条件の下でタイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、評価する部位におけるタイヤ全周の密度分布の振幅から、その部位に起因するタイヤ耐久性を評価することが好ましい。ここで、密度分布の振幅とは、評価する部位に関し、歪エネルギー密度のタイヤ全周における密度分布の最大値と最小値との差を意味する。
【0016】
この場合、各部の歪エネルギー密度は有限要素法を用いて計算が可能であり、評価する部位におけるタイヤ全周の密度分布の振幅から、走行時の歪エネルギー密度の反復変化を知ることができる。従って、その振幅の大きさから、評価する部位に起因するタイヤ耐久性を好適に評価することができる。
【0017】
その際、負荷荷重を段階的に増加させて行うドラム耐久性試験の予測値を得るべく、前記垂直荷重を段階的な値で設定して、その段階毎にタイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、タイヤ全周の密度分布の振幅に各段階に対応する試験時間の比率を乗じたものの和を、前記ドラム耐久性試験の予測値とすることが好ましい。
【0018】
この場合、従来から室内耐久性試験として採用されてきた、JIS D4230のドラム耐久性試験や、実施例に記載のようなJIS D4230延長試験を、荷重条件と負荷時間を含めてコンピュータ上で好適に再現でき、その試験結果の予測値を精度良く得ることができる。
【0019】
一方、本発明のタイヤ設計方法は、上記いずれかに記載のタイヤ性能のシミュレーション方法により、所定の設計値に基づいてモデル化したタイヤに対してタイヤ性能の評価を行い、得られた評価結果が目標性能を達成していない場合に、前記タイヤの設計値を変更し、前記目標性能を達成するまで、前記タイヤ性能のシミュレーション方法を繰り返して、目標性能を達成する設計値を得ることを特徴とする。
【0020】
本発明のタイヤ設計方法によると、静的なシミュレーション方法において、簡易な付加条件の採用により、比較的短時間でより精度の高い評価結果が得られるタイヤ性能のシミュレーション方法を利用するため、これを繰り返すことで比較的短時間でより精度の高い設計値を得ることができる。
【0021】
他方、本発明の空気入りタイヤの製造方法は、上記のタイヤ設計方法によって得られた設計値に基づいて、タイヤを製造することを特徴とする。本発明の空気入りタイヤの製造方法によると、設計・試作・評価を繰り返す従来の製造方法などに比べて、短時間で最適な性能に近い空気入りタイヤを製造できるようになる。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図1は、(a)実タイヤと(b)タイヤ有限要素モデルとの関係を示し、図2は、本発明の静的シミュレーション方法の一例のフローチャートを示す。図3は、本発明における外力等の負荷状態を示している。
【0023】
本発明のタイヤ性能のシミュレーション方法は、有限個の多数の要素に分割されタイヤ有限要素モデルによって評価しようとするタイヤを近似し、有限要素法を用いて前記タイヤ有限要素モデルからタイヤ性能をシミュレーションするものである。
【0024】
本発明における有限要素法を用いた静的シミュレーション方法では、図2に示すように、タイヤ有限要素モデルの設定、外力等の境界条件の設定、シミュレーションの実行、シミュレーション結果の表示・出力、その結果に基づくタイヤ性能の評価などが実施される。
【0025】
まず、タイヤ有限要素モデルの設定について説明する。図1(a)はモデル化の対象となる空気入りタイヤの一例のタイヤ子午線断面図であり、図1(b)は有限個の多数の要素に分割されたタイヤ有限要素モデルの一例である。
【0026】
図1(a)に示すように、タイヤは、トレッド部12からサイドウォール部13を経て、ビード部14のビードコア15の回りで折り返され、コードをタイヤのラジアル方向又はバイアス方向に配設したカーカス層16と、このカーカス層16の外側かつトレッド部12の内方に配されるベルト層17とを含むコード補強材を具える。
【0027】
ベルト層17は、本例ではタイヤ周方向に対して20度程度の角度で並列された内、外2枚のベルトプライが前記コードが交差する向きに積層されて構成される。また、前記ベルト層17の外側に、有機繊維コードをタイヤ周方向に実質的に平行に配列したバンド層19を具え、高速走行時のベルト層17のリフティングを防止している。
【0028】
なお前記カーカス層16は、例えばポリエステルなどの有機繊維コードを、またベルトプライはスチールコードを、それぞれシート状のトッピングゴムにより被覆されて構成されている。
【0029】
また、タイヤは、前記各コード補強材の外側に、トレッドゴム20、サイドウォールゴム21、ビードゴム22などを具える。トレッドゴム20は、ベルト層17の外側に配され、タイヤ子午断面において縦溝の溝底ラインを通りトレッド部12の表面に略沿ってのびるベースゴムと、その外側に配され路面と接触して様々な力を伝達するキャップゴムとから構成された2層構造を例示される。トレッド部12の外表面には、所定のトレッドパターンが形成されている。
【0030】
サイドウォールゴム21は、例えば前記トレッドゴム20よりも柔軟なゴムを用いるのが好ましく用いられ、またビードゴム22は、リムフランジと接触する嵌合部付近に配され、例えば比較的弾性率の大きくかつ耐摩耗性に優れたゴムが用いられる。
【0031】
上記のようなタイヤを、図1(b)に示すような有限個の多数の要素に分割したタイヤ有限要素モデル2で近似する方法としては、汎用のプログラム言語(フォートラン等)を用いて、独自のプログラムを作成し、これをパーソナルコンピュータ等で実行することも可能であるが、市販のFEM解析用ソフトウエアを利用するのが簡便である。市販のソフトウエアとしては、ABAQUS Inc.社のABAQUS、エムエスシーソフトウエア(株)のMARC、およびサイバネットシステム(株)のANSYSが挙げられる。
【0032】
市販のFEM解析用ソフトウエアでは、一般に有限要素モデルの設定、外力等の境界条件の設定、シミュレーションの実行、シミュレーション結果の出力などが可能である。タイヤ有限要素モデルの設定を行う場合、タイヤ子午線断面における有限な要素への分割、タイヤ周方向へ展開して三次元的な要素への分割(メッシュイング)、各々の要素への物理量の設定などが行われる。
【0033】
その際、タイヤ有限要素モデル2をタイヤボディ部要素モデルと、トレッドパターン要素モデルとから構成することで、トレッドパターンに応じたタイヤ性能が好適に評価できるようになる。
【0034】
タイヤボディ部は、評価すべきタイヤにおいて周方向について実質的に同じ材料でかつ同じ断面形状が連続する部分であり、実タイヤのカーカス層16、ベルト層17、バンド層19を含むコード補強材と、トレッドゴム20のトレッド部ベースゴム、サイドウォールゴム21、ビードゴム22を含むゴム部と、ビードコア15とを含むように設定可能である。
【0035】
有限要素法における要素とは、例えば2次元平面では三角形要素、四辺形要素、3次元要素としては、4面体ソリッド要素、5面体ソリッド要素、6面体ソリッド要素などコンピュータで用いうる要素とするのが望ましく、これらの要素は2次元座標あるいは3次元座標を用いて逐一特定されうる。
【0036】
コード補強材は、他の部分と同様に、6面体ソリッド要素(8節点ソリッド要素)でモデル化してもよいが、シミュレーションの精度を高めるために、該当する領域を、個別により複雑な要素の組合せでモデル化してもよい。例えばベルト層17のうちコード材を、四辺形膜要素にてモデル化し、またトッピングゴムを六面体ソリッド要素でモデル化するのが好ましい。
【0037】
その際、コード材をモデル化した前記四辺体膜要素の材料定義は、その厚さを例えばコード材の直径とし、コード材の配列方向と同方向と垂直方向とで剛性の異なる異方性材料として取り扱うことができる。コード補強材のトッピングゴムを表す六面体ソリッド要素は、他のゴム部材と同様に超粘弾性材料として定義して取り扱うことができる。なお、各ゴム部、ビードコア15等を有限要素にモデル化する際には、各ゴムの弾性率、ビードコア15の弾性率などに基づき材料、剛性を定義しうる。
【0038】
本発明では特に、評価しようとするタイヤが、タイヤの回転方向によって物理的な特性が相違する空気入りタイヤに対して、静的なシミュレーション方法でありながら、精度良く耐久性等が評価できる。例えば、カーカス層16のコードがラジアル方向から左右同じ方向に傾斜したタイヤ等である。このようなタイヤを対象とする場合、カーカス層16のコードに対応する要素を、剛性の異なる異方性材料として取り扱い、コード材の配列方向を剛性の高い方向に設定すればよい。また、要素分割の際に、傾斜したコードの配列方向を反映させてもよい。
【0039】
本発明では、以上のようなタイヤ有限要素モデル2の設定の後に、外力等の境界条件の設定を行う。その時、ホイル軸から外力等を負荷できるように、タイヤ有限要素モデル2を仮想ホイルに装着しておく。
【0040】
仮想ホイルについては、そのホイル軸から垂直荷重を負荷したり、ホイル軸の回転角や変位を与えることができる。これらの外力は仮想ホイルの仮想リムを介して、タイヤ有限要素モデル2のビード部14のリム接触面に伝達される。従って、本発明における仮想ホイルは、その全体がモデル化される必要はなく、仮想リムが仮想路面に対して一定の距離を保ちつつビード部14を拘束し、かつ仮想リムから上記外力が伝達できるものであればよい。
【0041】
本発明は、図3(a)に示すように、仮想路面7にタイヤ有限要素モデル2を接地させる際の設定条件(境界条件の設定)として、タイヤの仮想回転に相当する遠心力F1と、前記仮想ホイルのホイル軸Oからの垂直荷重F2と、タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力F3と、仮想路面7に対する摩擦係数μと、前記ホイル軸Oの回転角θ=0.5〜5°とを与えることを特徴とする。また、この回転角θを生じさせる回転トルクとして、58000〜1010000N・mmの回転トルクを与えてもよい。
【0042】
あるいは図3(b)に示すように、回転角θの代わりに仮想路面7に平行な変位X=1〜5mm又はこの変位に相当する平行な力675〜3175Nを与える。なお、仮想路面7は、平坦な四辺形剛表面としてモデル化できる。
【0043】
遠心力F1については、評価するタイヤ性能の一般的な評価条件における車速やタイヤ回転速度をタイヤの仮想回転とし、これに相当する遠心力F1を負荷する。遠心力F1は、タイヤ有限要素モデル2の全体に各要素の質量、ホイル軸Oから要素重心までの距離、回転速度などから計算される。市販のソフトウエアを利用する場合でも、タイヤの仮想回転の速度や回転軸の位置などを入力・設定することで、各要素に対して遠心力F1を負荷することが可能である。
【0044】
例えば、JIS D4230の耐久性試験では、時速80kmでのドラム試験が採用されているが、この速度に対応した遠心力F1が、タイヤ有限要素モデル2の各要素全体に負荷される。
【0045】
ホイル軸Oからの垂直荷重F2については、仮想ホイルの仮想リムを介して、タイヤ有限要素モデル2のビード部14のリム接触面に伝達される。その際、タイヤの進行方向、ホイル軸の軸方向、および垂直方向について、それぞれ回転と並進の自由度(6自由度)が存在するが、垂直荷重F2を負荷する際には、3方向の回転自由度、および進行方向とホイル軸方向の並進自由度を拘束する条件(拘束条件)を与える。
【0046】
タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力F3については、タイヤ有限要素モデル2の内面にタイヤ内圧に相当する等分布荷重を作用させることにより設定できる。タイヤの仮想内圧としては、タイヤの標準内圧などが設定できる。
【0047】
仮想路面7に対する摩擦係数μについては、実タイヤと実路面との静止摩擦係数が考慮され、最大摩擦係数を超えない範囲、例えば0.4〜1.2の範囲内の数値が採用される。この摩擦係数によって、ホイル軸Oの回転角θを与えることによって、仮想路面7との関係でタイヤ有限要素モデル2に回転軸周りのトルクを負荷することができる。
【0048】
ホイル軸Oに与える回転角θとしては、0.5〜5°の範囲内であり、0.5〜2.5°が好ましい。この回転角θが小さすぎると、タイヤ有限要素モデル2に回転軸周りのトルクを十分負荷することができず、走行状態が良好にシミュレーションできない。また、この回転角θが大きすぎると、タイヤ有限要素モデル2に回転軸周りのトルクを負荷しすぎることなり、走行状態が良好にシミュレーションできない。同様に、ホイル軸Oに与える回転トルクとしては、58000〜1010000N・mmの範囲内であり、58000〜990000N・mmが好ましい。
【0049】
その際、前記の6自由度に関し、進行方向と垂直方向の回転自由度、および進行方向とホイル軸方向の並進自由度を拘束する条件(拘束条件)を与える。また、垂直荷重F2を負荷した後に回転角θを与える場合には、垂直方向の並進自由度については、拘束せずに荷重を保持した状態とする。
【0050】
仮想路面7に平行な変位Xとしては、1〜5mmの範囲内であり、3〜5mmが好ましい。このとき、変位Xは、仮想路面7に平行かつホイル軸Oに垂直な方向への変位が好ましい。この変位Xが小さすぎると、タイヤ有限要素モデル2に回転軸周りのトルクを十分負荷することができず、走行状態が良好にシミュレーションできない。また、この変位Xが大きすぎると、タイヤ有限要素モデル2に回転軸周りのトルクを負荷しすぎることなり、走行状態が良好にシミュレーションできない。同様に、仮想路面7に平行な力としては、675〜3175Nの範囲内であり、1970〜3175Nが好ましい。
【0051】
その際、前記の6自由度に関し、3方向の回転自由度、およびホイル軸方向の並進自由度を拘束する条件(拘束条件)を与える。また、垂直荷重F2を負荷した後に変位Xを与える場合には、垂直方向の並進自由度については、拘束せずに荷重を保持した状態とする。
【0052】
本発明においては、更に、その他の境界条件を付加的に設定することも可能である。例えばタイヤ有限要素モデル2のスリップ角、キャンバー角、タイヤ横力などである。スリップ角とは、路面の進行方向とタイヤの周方向の中心線とのなす角をいうが、静的シミュレーションにおいては、仮想路面7に対するホイル軸O方向のねじり角で与えることができる。またキャンバー角とは、タイヤを進行方向正面から見たときの路面とタイヤ周方向中心線とのなす角をいが、静的シミュレーションにおいては、仮想路面7に対するホイル軸Oの傾き角で与えることができる。タイヤ横力は、ホイル軸Oの軸方向の変位や外力で与えることができる。
【0053】
本発明では、以上のような境界条件の設定の後、シミュレーションの実行を行う。シミュレーションの実行についても、市販のソフトウエアを利用して行うことができる。シミュレーションの実行は、有限要素法に基づいて前記タイヤ有限要素モデル2を用いて行われるが、マトリックスによる演算が行われる。
【0054】
一般な有限要素法では、有限要素モデルに各種の境界条件を与え、その系全体の力、変位などの情報を取得する手順が実行される。例えば、要素の形状、要素の材料特性、例えば密度、ヤング率、減衰係数などをもとに、要素の質量マトリックスMn、剛性マトリックスKn、減衰マトリックスCnを作成し、各マトリックスを組み合わせて、シミュレーションされる全体の系の各々のマトリックスを作成する。これに適宜境界条件をあてはめて、次の運動方程式を作成し、取得する情報を数値計算により求める。
【0055】
F=Mx..+Cx. +Kx
ここで、Mは質量マトリックス、Cは減衰マトリックス、Kは剛性マトリックス、x..は加速度マトリックス、x. は速度マトリックス、xは変位マトリックスである。
【0056】
一般的に、静的なシミュレーション方法では、演算の精度を高めるため、例えば垂直荷重が特定の設定値で設定された場合、垂直荷重の設定値を複数の段階に分けて段階的に垂直荷重を増加させる数値計算処理がなされている。垂直荷重の各段階において計算される変位等が収束した段階で、次の段階の計算が行われ、最終的には設定値まで垂直荷重が負荷されて、最終的な状態が演算される。市販のソフトウエアもこのような数値計算処理が通常なされており、上記の如きマトリックスによる演算が自動的に行われる。但し、このような数値計算処理の手法は、各種の方法が知られており、本発明は何れの数値計算処理でも可能である。
【0057】
本発明では、図3に示すように、シミュレーションを行う際の境界条件として、遠心力F1と、垂直荷重F2と、タイヤ内面への外力F3と、回転角θあるいは変位Xを与えるが、これらを設定した上記の如き計算は、何れの順序で行ってもよい。例えば、タイヤ内面への外力F3、垂直荷重F2、遠心力F1、回転角θあるいは変位Xの順で計算したり、それらの計算を同時に行うことも可能である。
【0058】
本発明では、次いでシミュレーション結果の表示・出力を行うが、一般には、パソコン画面上でのディスプレイによる表示やプリンターにより印刷が行われる。これについても、市販のソフトウエアを利用して行うことができる。
【0059】
シミュレーション結果として、タイヤ有限要素モデル2から取得される情報には、例えば接地面形状、タイヤ断面形状、タイヤ3次元形状、接地圧の分布、内部応力分布、および歪エネルギー密度の分布などがある。タイヤ耐久性を評価する場合、タイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算するのが有効である。
【0060】
以上のような、図2に示すステップ#1〜#4は、市販の1つのソフトウエアを利用して行うことができるが、次いで行うシミュレーション結果に基づくタイヤ性能の評価(ステップ#5)は、その評価項目にもよるが、人間によって評価される場合が多い。
【0061】
例えば、タイヤ耐久性を評価する場合、評価する部位におけるタイヤ全周の歪エネルギー密度の密度分布の変化から、その部位に起因するタイヤ耐久性を好適に評価することができる。このとき、密度分布の振幅の数値を利用すれば、定量的にタイヤ耐久性を評価することができる(この場合、ソフトウエアを利用した評価も可能である)。
【0062】
更に、JIS D4230のドラム耐久性試験や、実施例に記載のようなJIS D4230延長試験をシミュレーションする場合、負荷荷重を段階的に増加させて行うドラム耐久性試験の予測値を得るべく、前記垂直荷重を段階的な値で設定して、その段階毎にタイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、タイヤ全周の密度分布の振幅に各段階に対応する試験時間の比率を乗じたものの和を、前記ドラム耐久性試験の予測値とするのが好ましい。
【0063】
具体的には、図4に示すように、1段目(i=1)の垂直荷重を設定して、本発明のシミュレーション方法により、タイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、タイヤ全周の密度分布の振幅Eiを求める(ステップ#1〜#5)。次いで、垂直荷重を変更してi=i+1を定義し(ステップ#6)、n段階の変更が終了するか否かを判定する(ステップ#7)。これらのステップ#1〜#7をn<iとなるまで繰り返す。その際の各々の振幅Ei(i=1〜n)を記憶しておき、振幅Eiと各段階に対応する試験時間の比率Rtiを乗じたものの和を計算する(ステップ#8)。
【0064】
JIS D4230では、タイヤの最大負荷能力を100%とするとき、85%の負荷で4時間、90%の負荷で6時間、100%の負荷で24時間のドラム耐久性試験が行われる。この試験結果の予測値を求める場合、3段階(n=3)の荷重を段階的に負荷し、振幅E1〜E3に対して、対応する試験時間の比率Rt1〜Rt3を乗じて、その和を計算すればよい。
【0065】
更に厳しい耐久性試験をシミュレーションする場合、さらに120%の負荷で24時間、140%の負荷で24時間又は故障まで、というように、20%づつ負荷荷重を増加させた条件で、上記と同様のシミュレーションを行うことができる。その際、改良前のタイヤに対する実試験での耐久性のレベルが既知であれば、そのレベルに応じた、段階数(n)を設定し、ステップ#8で算出した値を耐久性の予測値とすることができる。
【0066】
本発明では、上記のようなタイヤ耐久性の評価の他、駆動および制動性能を予測できる。駆動および制動性能を予測する物理量として、接地圧力の分散値を用いることができる。接地圧力の分散値が小さいことは、接地圧分布が均一であることと等価である。
【0067】
一方、本発明のタイヤ設計方法は、以上のような本発明のシミュレーション方法により、所定の設計値に基づいてモデル化したタイヤに対してタイヤ性能の評価を行い、得られた評価結果が目標性能を達成していない場合に、前記タイヤの設計値を変更し、前記目標性能を達成するまで、前記タイヤ性能のシミュレーション方法を繰り返して、目標性能を達成する設計値を得ることを特徴とする。
【0068】
なお、タイヤの設計値の変更は、人間が経験等に基づいて行ってもよいが、設計値のフィードバックを行う最適化プログラムを使用した最適化技法を用いることが好ましい。具体的には、数理計画法、生態を模擬した最適化法(例えば、ニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズム等)、統計的最適化法(例えば、実験計画法、タグチ法等)、物理現象を模擬した最適化法(例えば、焼きなまし法等)、人工知能的最適化法等を利用することができる。
【0069】
上記最適化法によって得た新しい設計値にしたがって、タイヤモデルを変更する必要があり、そのために別のタイヤモデル修正プログラムを用いることができる。ただし、タイヤの外形の形状と寸法、タイヤの構成部材の寸法と材質、トレッドパターンの形状と寸法等の設計変数の種類により、手法を使い分ける。例えば、寸法変更には、 タイヤモデルの格子点(有限要素法では節点と呼ばれる。)を単純に移動したり、 数種類の基本形状を重み付きベクトル合成するベーシスベクトル法、有限要素法で多用される形状関数等で面や中実体を写像する方法等を使用する。構成部材の有無やトレッドパターンのトポロジーを変更するには、二値化コーディングと特殊関数を組み合わせる方法や、 多くの小直方体連結に構造を分解するボクセル法等を使用する。
【0070】
以上のように、本発明においては、コンピュータシミュレーションを駆使することにより、タイヤ開発のコストを低減させ、開発期間を短縮させ、タイヤ設計データを一元管理することができ、その結果、設計効率を大幅に向上させることができる。
【0071】
本発明の空気入りタイヤの製造方法は、このようなタイヤ設計方法によって得られた設計値に基づいて、タイヤを製造する空気入りタイヤを製造する方法である。当該設計値に基づいて製造する以外は、従来公知の製造方法と同じであり、それらを何れも採用することができる。
【0072】
【実施例】
以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。
【0073】
実施例1
評価するタイヤとして、図1(a)に示すような、215/45ZR17のサイズを有する一般のラジアルタイヤと、カーカスコードの巻き上げ部をラジアル方向から左右同じ方向に40°傾斜させたコード傾斜タイヤとを用いた。これらのタイヤについて、表1に示すように、JIS D4230の試験条件(3段階まで)に更に促進試験条件を追加してタイヤ回転周速80km/hにてドラム耐久性試験を実施した。促進試験としては、20%づつ負荷荷重を増加しながら24時間づつドラム試験を延長した。その結果、一般のラジアルタイヤの破壊までの走行距離を100とすると、コード傾斜タイヤでは82であり、両者の比率の逆数からコード傾斜タイヤの耐久性劣化率は122%であることが分かった。
【0074】
【表1】
*1:最大負荷荷重(5341N)に対する百分率。
【0075】
一方、市販のソフトウエア(ABAQUS)を用いて、図1(b)に示すような、タイヤ有限要素モデルの要素分割(全て8節点ソリッド要素、節点数58859、要素数51444)を行い、材料定義などの物理量の設定を行った。
【0076】
これを剛体の仮想ホイルに装着し、剛体の仮想路面に接地させる際の設定条件として、遠心力F1としてタイヤ回転周速80km/hに相当する遠心力を、ホイル軸Oからの垂直荷重F2として表1の第5段階までの値(第5段階は24時間とした)を、タイヤ内面への外力F3として内圧220kPaに相当する値を、仮想路面に対する摩擦係数μとして0.6の値を、前記ホイル軸Oの回転角θとして0〜4°を設定した。それに基づいて、図4に示すような順序でシミュレーションを繰り返した後(n=5)、ステップ#8の値(セパレーション代用値)を計算した。その結果を図5に示す。その結果から、回転解析では、回転角θ=1〜2°の場合にセパレーション代用値が約120%となって最も実試験に一致することが分かった。また、この結果から回転角θ=0.5〜5°において、従来法より有効であることが分かる。
【0077】
従来例
従来例として、実施例1において、回転角θ=0°に固定し、垂直荷重F2を5341Nに固定する以外は同様にしてシミュレーションを行った。その結果、一般のラジアルタイヤに対するコード傾斜タイヤの耐久性劣化率は99%であることが分かった。つまり、本発明のように回転角θを付与し、更に垂直荷重F2を好ましくは段階的に変化させることで、実試験に近い予測値が得られることが分かった。
【0078】
実施例2
実施例1において、回転角θ=0〜4°を設定する代わりに、仮想路面に平行な変位1〜5mmを設定すること以外は同様にして、並進解析によるシミュレーションを行った。その結果、図6に示すように、特に変位3〜5mmの場合にセパレーション代用値が約120%となって最も実試験に一致し、変位3〜5mmの場合に並進解析が有効であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における(a)実タイヤと(b)タイヤ有限要素モデルとの関係の一例を示すタイヤ子午線断面図
【図2】本発明の静的シミュレーション方法の一例を示すフローチャート
【図3】 本発明における外力等の負荷状態を示す説明図
【図4】 本発明のシミュレーション方法によりJIS D4230の試験結果の予測値を算出する場合のフローチャート
【図5】実施例1における回転解析によるシミュレーション結果を示すグラフ
【図6】 実施例1及び実施例2のシミュレーション結果を実試験の結果と対比して示すグラフ
【符号の説明】
2 タイヤ有限要素モデル
7 仮想路面
O ホイル軸(軸心)
F1 遠心力
F2 垂直荷重
F3 タイヤ内面への外力
θ ホイル軸の回転角
X ホイル軸の変位
μ 仮想路面に対する摩擦係数
Claims (6)
- 有限個の多数の要素に分割されたタイヤ有限要素モデルによって評価しようとするタイヤを近似し、有限要素法を用いて前記タイヤ有限要素モデルからタイヤ性能をシミュレーションするタイヤ性能の静的なシミュレーション方法において、
前記タイヤ有限要素モデルを仮想ホイルに装着し、仮想路面に接地させる際の設定条件として、タイヤの仮想回転に相当する遠心力と、前記仮想ホイルのホイル軸からの垂直荷重と、タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力と、仮想路面に対する摩擦係数と、前記ホイル軸の回転角0.5〜5°又は回転トルク58000〜1010000N・mmとを与えることを特徴とするタイヤ性能のシミュレーション方法。 - 有限個の多数の要素に分割されたタイヤ有限要素モデルによって評価しようとするタイヤを近似し、有限要素法を用いて前記タイヤ有限要素モデルからタイヤ性能をシミュレーションするタイヤ性能の静的なシミュレーション方法において、
前記タイヤ有限要素モデルを仮想ホイルに装着し、仮想路面に接地させる際の設定条件として、タイヤの仮想回転に相当する遠心力と、前記仮想ホイルのホイル軸からの垂直荷重と、タイヤの仮想内圧に相当するタイヤ内面への外力と、仮想路面に対する摩擦係数と、前記ホイル軸に仮想路面に平行な変位1〜5mm又は平行な力675〜3175Nとを与えることを特徴とするタイヤ性能のシミュレーション方法。 - 前記設定条件の下でタイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、評価する部位におけるタイヤ全周の密度分布の振幅から、その部位に起因するタイヤ耐久性を評価する請求項1又は2に記載のタイヤ性能のシミュレーション方法。
- 負荷荷重を段階的に増加させて行うドラム耐久性試験の予測値を得るべく、前記垂直荷重を段階的な値で設定して、その段階毎にタイヤ有限要素モデル各部の歪エネルギー密度を計算し、タイヤ全周の密度分布の振幅に各段階に対応する試験時間の比率を乗じたものの和を、前記ドラム耐久性試験の予測値とする請求項3記載のタイヤ性能のシミュレーション方法。
- 請求項1〜4いずれかに記載のタイヤ性能のシミュレーション方法により、所定の設計値に基づいてモデル化したタイヤに対してタイヤ性能の評価を行い、得られた評価結果が目標性能を達成していない場合に、前記タイヤの設計値を変更し、前記目標性能を達成するまで、前記タイヤ性能のシミュレーション方法を繰り返して、目標性能を達成する設計値を得るタイヤ設計方法。
- 請求項5記載のタイヤ設計方法によって得られた設計値に基づいて、タイヤを製造する空気入りタイヤの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003144702A JP4275991B2 (ja) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003144702A JP4275991B2 (ja) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004345497A JP2004345497A (ja) | 2004-12-09 |
JP4275991B2 true JP4275991B2 (ja) | 2009-06-10 |
Family
ID=33532089
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003144702A Expired - Lifetime JP4275991B2 (ja) | 2003-05-22 | 2003-05-22 | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4275991B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4967466B2 (ja) * | 2006-06-12 | 2012-07-04 | 横浜ゴム株式会社 | タイヤの性能予測方法及びタイヤの性能予測用コンピュータプログラム、並びにタイヤの性能予測装置 |
JP5482036B2 (ja) * | 2009-09-03 | 2014-04-23 | 横浜ゴム株式会社 | タイヤのシミュレーション方法およびこれを実行可能なプログラム |
JP6178548B2 (ja) * | 2012-05-23 | 2017-08-09 | 住友ゴム工業株式会社 | タイヤのシミュレーション方法及びシミュレーション装置 |
JP6393027B2 (ja) * | 2013-08-28 | 2018-09-19 | 住友ゴム工業株式会社 | タイヤのシミュレーション方法 |
JP6366410B2 (ja) * | 2014-08-01 | 2018-08-01 | 東洋ゴム工業株式会社 | タイヤのフォースバリエーションを算出する方法、装置及びコンピュータプログラム |
CN104573178B (zh) * | 2014-12-02 | 2017-05-31 | 中国航空动力机械研究所 | 一种整体叶轮强度有限元计算方法 |
CN110688794B (zh) * | 2019-09-24 | 2023-05-02 | 青岛科技大学 | 一种免充气轮胎有限元仿真分析与性能优化方法 |
CN113378421B (zh) * | 2021-03-29 | 2024-03-19 | 南京航空航天大学 | 一种机械弹性车轮径向疲劳寿命评价及预测方法 |
CN115809582B (zh) * | 2022-12-22 | 2023-07-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种通过轮胎接地压力分布判断轮胎耐久性能的方法 |
-
2003
- 2003-05-22 JP JP2003144702A patent/JP4275991B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004345497A (ja) | 2004-12-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1580673B1 (en) | Method and apparatus for estimating tire/wheel performance by simulation | |
JP4469172B2 (ja) | タイヤのシミュレーション方法 | |
JP4401698B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 | |
JP4081330B2 (ja) | 複合材の力学特性シミュレーション方法及び力学特性シミュレーション装置 | |
JP3431818B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法 | |
JP4275991B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 | |
JP4639912B2 (ja) | タイヤ性能の予測方法及びタイヤ性能の予測用コンピュータプログラム、並びにタイヤ/ホイール組立体モデルの作成方法 | |
JPH11153520A (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法及びその装置 | |
JP4318971B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法及びタイヤ設計方法 | |
JP2006240540A (ja) | タイヤの性能予測方法及び設計方法 | |
JP3431817B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法 | |
JP3314082B2 (ja) | タイヤ有限要素モデルの作成方法 | |
JP2002014011A (ja) | タイヤのハイドロプレーニングシミュレーション方法 | |
JP4967466B2 (ja) | タイヤの性能予測方法及びタイヤの性能予測用コンピュータプログラム、並びにタイヤの性能予測装置 | |
JP4392151B2 (ja) | タイヤモデルの作成方法 | |
JP6658108B2 (ja) | タイヤの振動性能評価方法 | |
JP3363443B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法 | |
JP4064192B2 (ja) | タイヤモデル、このタイヤモデルを用いたタイヤ性能予測方法およびタイヤ性能予測プログラム並びに入出力装置 | |
JP3363442B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法 | |
JP4116337B2 (ja) | タイヤ性能のシミュレーション方法及びその装置 | |
JP2017033076A (ja) | タイヤのシミュレーション方法 | |
JP2005075296A (ja) | タイヤの性能予測方法及びタイヤの設計方法 | |
JP2024123824A (ja) | タイヤのシミュレーション方法及びシミュレーション装置 | |
JP5186810B2 (ja) | タイヤの性能予測方法及びタイヤの性能予測用コンピュータプログラム、並びにタイヤの設計方法 | |
JP2013049383A (ja) | シミュレーション方法及びシミュレーション装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060314 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20081210 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081218 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090128 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20090128 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090303 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090305 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4275991 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120313 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120313 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150313 Year of fee payment: 6 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |