JP4469172B2 - Tire simulation method - Google Patents
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Description
本発明は、比較的簡易にタイヤの転がり抵抗をコンピュータを用いて予測しうるタイヤのシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a tire simulation method capable of predicting rolling resistance of a tire using a computer in a relatively simple manner.
車両の燃費に関して、タイヤの転がり抵抗の影響は大きく、その寄与率は10%程度と考えられている。したがって、車両の燃費性能を改善するために、タイヤの転がり抵抗を解析することは重要な意味がある。従来、タイヤの転がり抵抗の評価は、タイヤを実際に試作しかつ試験を行うことにより行われていた。しかしながら、これらの方法では、試作タイヤを製造するため又試作タイヤの試験を行なうために多大の時間、費用、労力を必要とする。従って、開発効率のさらなる向上が望まれている。そこで、近年では、下記非特許文献1ないし2のように、タイヤの転がり抵抗をコンピュータを用いたシミュレーションにより解析することが行われている。
Regarding the fuel efficiency of a vehicle, the influence of tire rolling resistance is large, and the contribution rate is considered to be about 10%. Therefore, it is important to analyze the rolling resistance of the tire in order to improve the fuel efficiency performance of the vehicle. Conventionally, evaluation of rolling resistance of a tire has been performed by actually making a prototype of a tire and performing a test. However, these methods require a great deal of time, cost, and labor for producing prototype tires and testing prototype tires. Therefore, further improvement in development efficiency is desired. Therefore, in recent years, as described in
非特許文献1では、タイヤモデルを静的に路面モデルに接地させた静的解析が記載されている。この解析では、タイヤの粘弾性によるエネルギーロスは、要素iについて、その歪エネルギー密度Uiと、体積Viと、損失正接tanδiとの積Ui・Vi・tanδiにより計算される。また非特許文献2は、FEMを用いたタイヤモデルの静的解析が記載されている。この文献では、タイヤの転がり抵抗を求めるために、単位体積当たりのエネルギーロスを、動的損失弾性率G”と、振幅歪とを用いて計算している。しかしながら、これらの方法は、いずれもタイヤが転動するときに生じる歪の履歴を正確に考慮していない。
Non-Patent
発明者らは、静的解析を採用しつつも、タイヤのゴム材をモデル化した要素については、より詳細な解析が可能となるように、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算することを新たに知見した。 While adopting static analysis, the inventors have analyzed the tire meridian direction, the tire circumferential direction, and the tire thickness direction so that a more detailed analysis can be performed on the modeled element of the tire rubber material. It has been newly found out that the history of one rotation of a tire with six component strains including vertical strain and shear strain is calculated from the strain distribution in the circumferential direction of the grounded tire model.
以上のように、本発明は、タイヤのゴム材をモデル化した要素について、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算するステップを含ませることにより、精度の良い解析が可能なタイヤのシミュレーション方法を提供することを目的としている。 As described above, according to the present invention, for a modeled tire rubber material, one rotation of a tire having six component strains including vertical strain and shear strain in the tire meridian direction, tire circumferential direction, and tire thickness direction, respectively. It is an object of the present invention to provide a tire simulation method capable of analyzing with high accuracy by including a step of calculating the time history from the strain distribution in the circumferential direction of the grounded tire model.
本発明のうち請求項1記載の発明は、コンピュータを用いてタイヤのシミュレーションを行うタイヤのシミュレーション方法であって、ゴム材、カーカスとベルトとを含む繊維複合材及び非伸張性のビードコアがタイヤ周方向に同一断面形状で連続しかつ数値解析が可能な要素でモデル化されたタイヤモデルを設定するステップと、予め定めた境界条件に基づいてタイヤモデルを転動させることなく路面モデルに接地させるステップと、少なくともゴム材をモデル化した要素について、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算するステップと、前記ゴム材の少なくとも一つの要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいてエネルギーロスを計算するステップとを含み、前記エネルギーロスは、下式で計算されることを特徴としている。
W=Σπ・E・(εp /2) 2 ・tanδ
(ここで、Σは、全タイヤ座標系についての総和を示し、Eは各要素の貯蔵弾性率、tanδは各要素の損失正接である。)
The invention according to
W = Σπ · E · (εp / 2) 2 · tan δ
(Here, Σ represents the sum for all tire coordinate systems, E is the storage elastic modulus of each element, and tan δ is the loss tangent of each element.)
また請求項2記載の発明は、コンピュータを用いてタイヤのシミュレーションを行うタイヤのシミュレーション方法であって、ゴム材、カーカスとベルトとを含む繊維複合材及び非伸張性のビードコアがタイヤ周方向に同一断面形状で連続しかつ数値解析が可能な要素でモデル化されたタイヤモデルを設定するステップと、予め定めた境界条件に基づいてタイヤモデルを転動させることなく路面モデルに接地させるステップと、少なくともゴム材をモデル化した要素について、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算するステップと、前記ゴム材の少なくとも一つの要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいてエネルギーロスを計算するステップとを含み、前記エネルギーロスは、下式で計算されることを特徴としている。
W=Σ(μ・|εi+1 −εi |)
(ここで、μは各要素の減衰特性で、上記ゴム材についての実際の粘弾性特性試験から得られる応力−歪曲線のヒステリシスループの面積Aを粘弾性特性試験において用いた歪振幅εmで除した値、εi とεi+1 とは、周方向で隣り合う2つの要素の各歪、i=1〜nであるが、i=nのとき、i+1には1を代入する。)
The invention according to
W = Σ (μ · | εi + 1 -εi |)
(Where μ is the damping characteristic of each element, and the area A of the hysteresis loop of the stress-strain curve obtained from the actual viscoelastic characteristic test for the rubber material is divided by the strain amplitude εm used in the viscoelastic characteristic test. The values εi and εi + 1 are distortions of two elements adjacent in the circumferential direction, i = 1 to n, but when i = n, 1 is substituted for i + 1.)
また請求項3記載の発明は、前記タイヤモデルは、前記ゴム材が、線形弾性体又は非圧縮性超弾性体からなるソリッド要素でモデル化され、かつ前記繊維複合材が、直交異方性を有する膜要素でモデル化されてなる請求項1又は2に記載のタイヤのシミュレーション方法である。
According to a third aspect of the present invention, in the tire model, the rubber material is modeled by a solid element made of a linear elastic body or an incompressible superelastic body, and the fiber composite material has orthogonal anisotropy. The tire simulation method according to
請求項1記載の発明では、コンピュータを用いてタイヤが1回転したときの歪の履歴を計算しうるため、実際にタイヤを試作しかつ実験する工程を低減させることができ、タイヤの開発効率を向上するのに役立つ。またタイヤモデルは、ゴム材をモデル化した要素と繊維複合材をモデル化した要素とを含んで設定されるため、精度良く例えば複合材としてのエネルギーロスなどを計算するのに役立つ。
In the invention of
また、少なくともゴム材をモデル化した要素は、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算されるため、動的解析を行うことなく、精度の高いシミュレーションを行うことができる。 In addition, at least the element modeled on the rubber material causes the history of one rotation of the tire having six component strains including vertical strain and shear strain in the tire meridian direction, the tire circumferential direction and the tire thickness direction to be grounded. Since it is calculated from the strain distribution in the circumferential direction of the tire model, a highly accurate simulation can be performed without performing dynamic analysis.
また請求項1ないし2記載の発明のように、各要素のエネルギーロスを、各要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいて計算したり、歪の履歴と要素の減衰特性とに基づいて計算することにより、歪の履歴の波形ピーク数などに左右されることなく、より精度の良い結果を得ることができる。そしてエネルギーロスを比較等することにより、タイヤの転がり抵抗について大凡の評価が可能となる。
In addition, as in the first or second aspect of the invention, the energy loss of each element is calculated based on a value obtained by accumulating the absolute value of the amount of change in strain for one revolution of the tire model, Thus, a more accurate result can be obtained without being affected by the number of waveform peaks in the distortion history. Then, by comparing the energy loss, etc., it is possible to roughly evaluate the rolling resistance of the tire.
以下本発明の実施の一形態を図面に基づき説明する。
図1には、本発明の転がり抵抗予測方法を実施するためのコンピュータ装置1が示されている。このコンピュータ装置1は、本体1aと、入力手段としてのキーボード1b、マウス1cと、出力手段としてのディスプレイ装置1dとから構成されている。本体1aには、図示していないが、演算処理装置(CPU)、ROM、作業用メモリー、磁気ディスクなどの大容量記憶装置、CD−ROMやフレキシブルディスクのドライブ1a1、1a2を適宜具えている。そして、前記大容量記憶装置には後述する方法を実行するための処理手順(プログラム)が記憶されている。コンピュータ装置1にはEWSなどが好適である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a
図2には、本実施形態の処理手順の一例が示される。本実施形態では、先ずタイヤモデル2を設定する処理を行う(ステップS1)。図3には、タイヤモデル2の一例を3次元上に視覚化して示している。また図4には、タイヤモデル2のタイヤ回転軸を含むタイヤ子午線断面を示す。本実施形態では、トレッド面に溝を有しないタイヤモデル2が例示される。
FIG. 2 shows an example of the processing procedure of this embodiment. In this embodiment, the process which sets the
タイヤモデル2は、解析しようとするタイヤ(実存するか否かは問わない)を有限個の小さな要素2a、2b、2c…に分割してモデル化される。これにより、前記コンピュータ装置1にて取り扱い可能な数値データを構成する。またタイヤモデル2は、ゴム材と、カーカス、ベルトを含む繊維複合材と、非伸張性のビードコアとがタイヤ周方向に同一断面形状で連続するようにモデル化される。本実施形態では、ゴム材として、タイヤのトレッド部に配されたトレッドゴム、サイドウォール部に配されたサイドウォールゴム及びビード部に配されたビードゴム、ビードエーペックスゴムなどを含んでいるが、他のゴム材(例えばトッピングゴム)を含ませても良い。繊維複合材についても、カーカス、ベルトの他に、例えばバンド、ビード補強層などを含ませることができる。
The
各要素は、数値解析が可能に定められる。数値解析が可能とは、例えば有限要素法、有限体積法、差分法又は境界要素法といった数値解析法にて計算が可能なことを意味する。具体的には、各要素2a、2b、2c…について、節点座標値、形状、材料特性(例えば密度、弾性率、損失正接又は減衰係数)などが定義される。各要素2a、2b、2c…には、例えば2次元平面としての三角形ないし四角形の膜要素、3次元要素としては、例えば4ないし6面体ソリッド要素が好ましい。
Each element is determined so that numerical analysis is possible. The possibility of numerical analysis means that calculation can be performed by a numerical analysis method such as a finite element method, a finite volume method, a difference method, or a boundary element method. Specifically, for each of the
前記ゴム材とビードコアとは、3次元形状のソリッド要素でモデル化されている。ゴム材をモデル化した要素は、例えば非圧縮超弾性体として定義される。すなわち、変形によって体積が変化せず、かつ大変形が可能で荷重を取り除くと元の形状に戻る。一方、ビードコア5には、表面が剛をなし実質的に変形不能なソリッド要素が定義される。またカーカスやベルトといった繊維複合材は、図5に示すように、コード配列体cを例えば四辺形の膜要素5a、5bに、またコード配列体cを内外から被覆しているトッピングゴムtについてはソリッド要素5c〜5eにそれぞれモデル化し、これらを厚さ方向に積層した複合シェル要素5としてモデル化することが可能である。
The rubber material and the bead core are modeled by a three-dimensional solid element. An element modeling a rubber material is defined as an incompressible superelastic body, for example. That is, the volume does not change due to deformation, and large deformation is possible. When the load is removed, the original shape is restored. On the other hand, the
膜要素5a、5bには、例えばコードc1の直径に等しい厚さと、コードc1の配列方向(直線にて示す)とこれと直交する方向とにおいて剛性の異なる直交異方性とが定義される。なお、各要素は、各ゴム材、コード材などの弾性率(縦弾性係数、横弾性係数)、コードやゴムなどの複素弾性率、損失正接tanδ、ビードコアの弾性率などに基づき材料特性が定義される。ただし、繊維複合材をモデル化する方法は、この例に限定されるものではなく、膜要素だけでモデル化することもできる。
For the
タイヤモデル2の作成に際しては、例えば図4に示したように、先ずタイヤ子午線断面形状(2次元断面形状)を節点nを用いて特定する。そして、図6に示されるように、そのタイヤ子午線断面形状で得られた各節点n…をタイヤ回転軸の回りに小角度ピッチs毎に連続して複写する。そして、隣り合う節点を2次元又は3次元の要素として互いに関連付けることにより、簡単に3次元形状のタイヤモデル2をモデル化しうる。これにより、タイヤモデル2は、タイヤ周方向に同一断面形状が連続することとなる。また各要素は、タイヤ周方向の長さはそれぞれ等しい。
When creating the
次に本実施形態では、路面モデルを設定する(ステップS2)。図7に示されるように、本実施形態の路面モデル6は平坦な剛表面要素によってモデルされたものを示す。ただし、路面モデル6は、凹凸を有しても良い。
Next, in this embodiment, a road surface model is set (step S2). As shown in FIG. 7, the
次に本実施形態では、予め定めた境界条件に基づいてタイヤモデル2を転動させることなく路面モデル6に接地させる処理を行う(ステップS3)。本実施形態では、図7に示されるように、タイヤモデル2を回転させることなく静止した状態で路面モデル6に接地させかつ縦荷重Pを作用させるものを示す。設定される境界条件としては、例えば装着リムによるリム組み条件、タイヤモデル2の内圧、前記縦荷重又は路面摩擦係数などの条件が含まれる。
Next, in the present embodiment, a process of causing the
前記リム組みをタイヤモデル2でシミュレーションするためには、例えばタイヤモデル2のビードコアcを、ビード巾BWがリム巾に等しくなるように強制的に変位させるか又はタイヤモデル2のリム接触域b、bを移動不能に拘束して前記タイヤモデル2のビード部の巾BWをリム巾に等しく強制変位させる方法が挙げられる。なおリム接触域bは装着されるリムの寸法に応じて定めることができる。このときタイヤモデル2の仮想のタイヤ回転軸CLと前記リム接触域bとの間の相対距離r1を常に一定とする。
In order to simulate the rim assembly with the
またタイヤモデル2に内圧を充填した状態をシミュレートするには、図7に示されるように、タイヤモデル2のタイヤ内腔面にタイヤ内圧に相当する等分布荷重wを作用させて変形シミュレーションを行う。また、タイヤモデル2に縦荷重Pを負荷するには、タイヤ回転軸CL又は路面モデル6から路面と垂直な荷重Pが作用するように条件を与える。なおタイヤモデル2と路面モデル6との間の摩擦係数は、走行する路面に応じた値が定義される。これにより、リム組みされかつ所定の内圧を充填されたタイヤが所定の縦荷重で路面に接触している状況をタイヤモデル2、路面モデル14を用いてシミュレーションしうる。なおこの他に、必要によりキャンバー角などが設定できる。
Further, in order to simulate the state in which the
次に本実施形では、タイヤモデル2を構成する各要素、具体的にはゴム材を表しているソリッド要素やコード材を表している膜要素5a、5bから、内圧と縦荷重及び路面からの反力によって生じる歪を計算する(ステップS4)。各要素に作用する歪は、例えば図3に示すように、X軸、Y軸及びZ軸の全体座標系において、それぞれ引張、圧縮方向の垂直歪εx 、εy 、εz 、及び各方向のせん断方向の歪εxy、εyz、εzxとして計算できる。ただし、膜要素については、その形状より、厚さ方向の垂直歪と、各方向のせん断歪との計算が省略できる。有限個の要素からなるモデルに各種の境界条件を与え、その系全体の力、変位、歪などの情報を取得する有限要素法の手順については、公知の例に従いアプリケーションソフト等で行うことができる。
Next, in the present embodiment, from the elements constituting the
また本実施形態では、前記X軸、Y軸及びZ軸の全体座標系の歪から、タイヤ座標系を基準とした歪を計算するものを示す。例えば図6に示すように、タイヤ座標系を基準とした場合、ゴム材等を表す1つのソリッド要素2fに作用する歪は、タイヤ子午線方向に沿う垂直歪ε11、タイヤ周方向に沿う垂直歪ε22、タイヤ子午線方向と直角な厚さ方向に沿う垂直歪ε33、さらに図8(A)〜(C)に示すようにタイヤ子午線方向にせん断変形するせん断歪ε12、タイヤ周方向にせん断変形するせん断歪ε23及び前記厚さ方向にせん断変形するせん断歪ε31とからなる合計6成分のものとして計算しうる。
Further, in the present embodiment, the distortion is calculated based on the tire coordinate system from the distortion of the entire coordinate system of the X axis, the Y axis, and the Z axis. For example, as shown in FIG. 6, when the tire coordinate system is used as a reference, the strain acting on one
また、繊維複合材をモデル化した膜要素5a又は5bについては、本実施形態では図9に示すように、タイヤ子午線方向に沿う垂直歪ε11及びタイヤ周方向に沿う垂直歪ε22の合計2成分の歪に変換できる。膜要素では、前記厚さ方向に沿う垂直歪ε33は実質的に小さいため無視し、またせん断歪は生じない。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 9, the
図10には、タイヤモデル2の任意の1要素2fがタイヤ回転軸CL回りに1回空転する場合が示されている。タイヤモデル2に内圧条件を作用させると、当該要素2fは例えばタイヤ半径方向の歪aが生じる。全体座標系では、要素2fが(1)から(2)の状態に回転した場合、次のような歪状態を持つことになる。
(1)の位置 X方向:0、Y方向:a
(2)の位置 X方向:a、Y方向:0
FIG. 10 shows a case where any one
Position (1) X direction: 0, Y direction: a
Position (2) X direction: a, Y direction: 0
要素2fはただ空転しているだけであるから、本来、歪の変化はないにも拘わらず、計算上、X方向の歪は0→aに、またY方向の歪はa→0にそれぞれ変化してしまう。一方、タイヤ座標系の歪を用いると、このような不具合が無い。即ち、要素2fは、(1)から(2)へ空転しても、タイヤ半径方向の垂直歪aが変化することなく作用する状態を表現できる。
Since the
なお、本実施形態では、これらのタイヤ座標系を基準とした歪は、先に全体座標系の歪を求めてこれを座標変換して計算しているが、全体座標系の歪を計算することなく直接計算することもできる。 In the present embodiment, the distortion based on the tire coordinate system is calculated by calculating the distortion of the global coordinate system and converting it, but calculating the distortion of the global coordinate system. You can also calculate directly.
次に本実施形態では、各要素のタイヤ周方向の歪の分布からタイヤモデル2が1回転したときの歪の履歴を計算する(ステップS5)。歪の履歴は、図11(A)、(B)に示されるように、例えばゴム材をモデル化した一つの要素2fについて説明すれば、タイヤモデル2が路面モデル6を1回転(θ=0〜360°)する間にこの要素2fが受ける歪の変化を連続的に記録したものである。図11(B)には、横軸にタイヤモデルの回転角、縦軸に歪の大きさを取って歪の履歴の一例を示している。
Next, in the present embodiment, a history of strain when the
タイヤは転動によって各部が動き、内部抵抗力が生じるとともに、見かけの剛性が変化する。タイヤの転がり抵抗をより正確にシミュレーションするためには、歪の履歴をタイヤモデル2を実際に転動させる転動シミュレーションを行って計算することが望ましい。しかし、そのような方法では、計算時間が大幅に増加する。そこで、本実施形態では、タイヤモデル2が路面モデル6に静的に接触した状態で受ける歪をタイヤが負荷転動しているときの一瞬間に受ける動的な歪と実質的に等しいものとして仮定し、静的な計算結果から動的な歪の履歴を求める。これは、計算を迅速に行うのに役立つ。
Each part of the tire moves due to rolling, generating an internal resistance and changing the apparent rigidity. In order to more accurately simulate the rolling resistance of the tire, it is desirable to calculate the strain history by performing a rolling simulation that actually rolls the
図11(A)のように、静的にタイヤモデル2を路面モデル14に接触させたとき、例えば要素2fにはある歪が作用する。一方、この要素2fとタイヤ周方向の一方側で順次隣り合う要素2g、2h…にも各々歪が作用している。ここで、本実施形態のタイヤモデル2は、タイヤ周方向長さが等しい要素が連続して配されかつ同一断面形状が連続する。従って、例えば要素2gが受けている歪は、タイヤモデル2が1要素分回転し要素2fが当該要素2gの位置へ移動したときに受ける歪と実質的に等しいものとみなしうる。同様に、要素2hが受けている歪は、タイヤモデル2が2要素分回転し要素2fが当該要素2hの位置へ移動したときに受ける歪と実質的に等しいと仮定しうる。従って、タイヤモデル2の静的な接地シミュレーション結果から、タイヤ周方向で連続する他の要素の歪を参照することによって、各要素についてタイヤモデル2が1回転したときの歪の履歴を擬似的に計算しうる。
As shown in FIG. 11A, when the
図12、図13には、このようにして得られたトレッドゴムの一部を表した要素2fについての歪の履歴の一例を示す。図12(A)〜(C)、及び図13(A)〜(C)には、トレッドゴムの1要素の歪の履歴を前記6成分に変換して示している。図のグラフは、縦軸に歪、横軸にタイヤ回転角(0〜360゜)をとっており180゜の位置を接地中心とする。本実施形態では、このような歪の履歴は、コンピュータ装置1により、図4のタイヤ子午線断面に現れる全ての要素毎に計算されかつ記憶される。
FIG. 12 and FIG. 13 show an example of a history of distortion for the
次に本実施形態では、各要素の歪の履歴からタイヤモデル2の少なくとも一つの要素(好ましくはゴムを表す要素)についてエネルギーロスを計算する(ステップS6)。エネルギーロスは、転がり抵抗と相関があるため、この値を比較することによっても、大凡の転がり抵抗の予測が可能となる。従来、エネルギーロスの計算方法の一例として、図11(B)で得られた歪の履歴の波形から、歪の最大値εmax と最小値εmin との差である最大振幅εp を求め、下記理論式により単位体積当たりのエネルギーロスWを計算することが知られている。
W=Σπ・E・(εp /2)2 ・tanδ …(1)
ここで、Σは各成分の全ての和を意味し、Eは各要素の貯蔵弾性率、tanδは各要素の損失正接である。
Next, in this embodiment, energy loss is calculated for at least one element (preferably an element representing rubber) of the
W = Σπ · E · (εp / 2) 2 · tan δ (1)
Here, Σ means the sum of all components, E is the storage modulus of each element, and tan δ is the loss tangent of each element.
しかしながら、このようなエネルギーロスの計算方法は、単に歪の履歴において最大振幅だけに着目するものであるため、図11(B)のように、歪の履歴の波形において、ピークが2カ所以上ある場合にはエネルギーロスが実際の値よりも小さく計算されてしまい例えば転がり抵抗の計算精度を低下させるという問題がある。そこで本実施形態では、エネルギーロスを歪経路法を用いて計算する。この方法では、タイヤモデル2の少なくとも一つの要素、好ましくは全てのゴム材を表す要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算し、その値に基づいてエネルギーロスが計算される。
However, such an energy loss calculation method simply focuses only on the maximum amplitude in the distortion history, and therefore there are two or more peaks in the distortion history waveform as shown in FIG. In this case, the energy loss is calculated to be smaller than the actual value, and there is a problem that, for example, the calculation accuracy of the rolling resistance is lowered. Therefore, in this embodiment, the energy loss is calculated using the strain path method. In this method, for at least one element of the
例えば、ある要素について、タイヤ座標系の1成分について、図14(A)に示すような歪の履歴が得られた場合を考える。この波形は、2つのピークを持っており、図14(B)のように、第1の平坦領域a1、第1の増加領域b1、第1の減少領域c1、第2の増加領域b2、第2の減少領域c2及び第2の平坦領域a2に仮想区分できる。そして、図14(C)に示すように、第1の平坦領域a1、第1の増加領域b1、第2の増加領域b2、第1の減少領域c1、第2の減少領域c2及び第2の平坦領域a2という様に、増加領域、減少領域をまとめて入れ替えると、一つのピークをもつ波形へと変換できる。このときの最大振幅εp は、図15に示す簡単な方法により計算できる。 For example, consider a case in which a strain history as shown in FIG. 14A is obtained for one component of a tire coordinate system for a certain element. This waveform has two peaks. As shown in FIG. 14B, the first flat region a1, the first increase region b1, the first decrease region c1, the second increase region b2, The virtual area can be virtually divided into two decreasing areas c2 and a second flat area a2. Then, as shown in FIG. 14C, the first flat region a1, the first increase region b1, the second increase region b2, the first decrease region c1, the second decrease region c2, and the second If the increasing region and the decreasing region are replaced together like the flat region a2, it can be converted into a waveform having one peak. The maximum amplitude εp at this time can be calculated by a simple method shown in FIG.
図15(A)には、図14(A)と同じ歪の履歴の波形を示している。
歪の増分と減分とはタイヤ1回転において同量であるため、歪の変化量(周方向で隣り合う要素間での歪の差)の絶対値を積算することにより、図15(B)に示す、Σ|Δε|が得られる。この積算値Σ|Δε|の半分の値が前記図14(C)のεp に相当する。このような歪経路法では、エネルギーロスが、歪の変化量に基づいて計算される。従って、歪の履歴の波形においてピークが複数個ある場合でも、該ピーク数による影響を受けず比較的精度良くエネルギーロスが計算できる。
FIG. 15A shows a waveform of the same distortion history as that in FIG.
Since the increment and decrement of the strain are the same amount in one rotation of the tire, the absolute value of the strain change amount (difference in strain between adjacent elements in the circumferential direction) is integrated to obtain FIG. Σ | Δε | shown in FIG. A half value of the integrated value Σ | Δε | corresponds to εp in FIG. In such a strain path method, energy loss is calculated based on the amount of change in strain. Therefore, even when there are a plurality of peaks in the distortion history waveform, energy loss can be calculated with relatively high accuracy without being affected by the number of peaks.
上述の歪経路法では、下記式(2)により歪の前記積算量εp が計算される。
εp ={Σ|εi+1 −εi |}/2 …(2)
ここで、i=1〜nである。ただし、i=nのとき、i+1には1を代入する。またεi とεi+1 とは、周方向で隣り合う2つの要素の各歪を表す。そして、各要素の単位体積当たりのエネルギーロスWは、下記式(3)により計算することができる。
W=Σπ・E・(εp /2)2 ・tanδ …(3)
ここで、Σは、全タイヤ座標系についての総和(ソリッド要素については、6成分、膜要素については2成分)を示し、Eは各要素の貯蔵弾性率、tanδは各要素の損失正接である。
In the above-described strain path method, the integrated amount εp of strain is calculated by the following equation (2).
εp = {Σ | ε i + 1 −ε i |} / 2 (2)
Here, i = 1 to n. However, when i = n, 1 is substituted for i + 1. Further, ε i and ε i + 1 represent each distortion of two elements adjacent in the circumferential direction. And the energy loss W per unit volume of each element is computable by following formula (3).
W = Σπ · E · (εp / 2) 2 · tan δ (3)
Here, Σ indicates the sum of all tire coordinate systems (6 components for solid elements, 2 components for membrane elements), E is the storage modulus of each element, and tan δ is the loss tangent of each element. .
そして、前記エネルギーロスWを用いて、タイヤ性能を表す一つの物理量として、例えば該タイヤモデル2の転がり抵抗RRを近似的に計算することができる。転がり抵抗RRは、下記式(4)により計算することができる。
RR={Σ(W・V)}/2πR …(4)
ここで、Vは各要素の体積、Rはタイヤの荷重半径であり、Σは、エネルギーロスWとその要素の体積Vとの積について全要素の和を示す。
Then, using the energy loss W, for example, the rolling resistance RR of the
RR = {Σ (W · V)} / 2πR (4)
Here, V is the volume of each element, R is the load radius of the tire, and Σ is the sum of all elements with respect to the product of the energy loss W and the volume V of the element.
このように、本実施形態では、静的解析を前提とし、タイヤモデルが1回転したときの歪の履歴を、歪のタイヤ周方向の分布から計算している。このため、動的解析のように計算量が膨大になることを防止し、計算コストと計算時間との大幅な短縮化が図られる。また各要素のエネルギーロスは、歪の履歴の波形から得られる歪の最大振幅に基づくのではなく、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいて計算される。従って、波形のピーク数などに左右されることなくより精度良くエネルギーロスを計算できる。 Thus, in this embodiment, on the premise of static analysis, the strain history when the tire model makes one revolution is calculated from the distribution of strain in the tire circumferential direction. For this reason, it is possible to prevent the calculation amount from becoming enormous as in the case of dynamic analysis, and to greatly reduce the calculation cost and the calculation time. Further, the energy loss of each element is not calculated based on the maximum strain amplitude obtained from the waveform of the strain history, but based on a value obtained by accumulating the absolute value of the strain change amount for one round of the tire model. . Therefore, energy loss can be calculated more accurately without being influenced by the number of peaks of the waveform.
なお空気入りタイヤの転がり抵抗には、タイヤが回転して進行することにより発生する空気抵抗が関連している。前記空気抵抗は、速度にもよるが、大凡、全転がり抵抗の1〜3%と小さいため本発明ではこのような空気抵抗は無視して取り扱っている。 The rolling resistance of a pneumatic tire is related to the air resistance generated when the tire rotates and travels. Although the air resistance depends on the speed, the air resistance is generally as small as 1 to 3% of the total rolling resistance. Therefore, in the present invention, such air resistance is ignored.
図16〜図17には、タイヤモデルの各要素のエネルギーロスを計算する他の実施形態を示す。この実施形態では、タイヤモデルの少なくとも一つの要素(好ましくはゴムを表す要素)について、前記歪の履歴と、該要素に予め定義された減衰特性とに基づいてエネルギーロスが計算される。 16 to 17 show another embodiment for calculating the energy loss of each element of the tire model. In this embodiment, for at least one element of the tire model (preferably an element representing rubber), an energy loss is calculated based on the strain history and a damping characteristic predefined for the element.
図16には、応力と歪との各履歴が示される。ゴムなどの粘弾性体では、変形の一部が熱として散逸されるため、歪は応力に対して位相差δを持つ。図17(A)には、要素のモデル化の対象とされたゴム材についての実際の粘弾性測定結果が示されている。ゴム材の粘弾性特性は、粘弾性スペクトル試験器などを用いて測定される。即ち、試料片に一定周波数の歪振幅を与え、その時に発生する応力を測定する。図17(A)において、縦軸は応力σ、横軸は歪εを表す。このように、歪の履歴はヒステリシスループを描く。 FIG. 16 shows each history of stress and strain. In a viscoelastic body such as rubber, part of the deformation is dissipated as heat, so that the strain has a phase difference δ with respect to the stress. FIG. 17A shows an actual viscoelasticity measurement result for a rubber material that is an object modeling target. The viscoelastic properties of the rubber material are measured using a viscoelastic spectrum tester or the like. That is, a strain amplitude having a constant frequency is given to the sample piece, and the stress generated at that time is measured. In FIG. 17A, the vertical axis represents stress σ and the horizontal axis represents strain ε. Thus, the strain history draws a hysteresis loop.
減衰特性は、この粘弾性特性試験の結果、具体的にはヒステリシスループに基づいて定められる。図17(B)には、あるゴムの要素についての減衰特性の一例が示される。本明細書では、減衰特性μは、前記ヒステリシスループの面積Aを粘弾性特性試験において用いた歪振幅εmで除した値としている。図17(B)では、縦軸に応力σ、横軸に歪εを設定した座標系において、平行四辺形のグラフが表されている。この平行四辺形が囲む面積は、前記ヒステリシスループの面積Aに等しい。また、その歪εの振幅は、前記歪振幅εmに等しい。このとき、平行四辺形の縦の線分の長さ2μの1/2の長さが減衰特性μとして定義される。
The damping characteristic is determined based on the result of the viscoelastic characteristic test, specifically based on a hysteresis loop. FIG. 17B shows an example of a damping characteristic for a certain rubber element. In this specification, the damping characteristic μ is a value obtained by dividing the area A of the hysteresis loop by the strain amplitude εm used in the viscoelasticity test. In FIG. 17B, a parallelogram graph is represented in a coordinate system in which stress σ is set on the vertical axis and strain ε is set on the horizontal axis. The area surrounded by the parallelogram is equal to the area A of the hysteresis loop. Further, the amplitude of the strain ε is equal to the strain amplitude εm. At this time, a length that is ½ of the
本実施形態では、各要素の歪の変化量の絶対値に、前記減衰特性μを乗じるとともに、これをタイヤモデルの1周分について積算することによりエネルギーロスWが計算される。具体的な計算式は、下記式(5)のようになる。
W=Σ(μ・|εi+1 −εi |) …(5)
ここで、Σはタイヤモデルの1周分についての総和を示し、μは各要素の減衰特性、i=1〜nである。ただし、i=nのとき、i+1には1を代入する。またεi とεi+1 とは、周方向で隣り合う2つの要素の各歪を表す。そして、これらからタイヤモデルの転がり抵抗RRは、前記式(4)に基づいて計算しうる。
In this embodiment, the energy loss W is calculated by multiplying the absolute value of the amount of change in strain of each element by the attenuation characteristic μ and integrating this value for one round of the tire model. A specific calculation formula is as shown in the following formula (5).
W = Σ (μ · | εi + 1−εi |) (5)
Here, Σ indicates the total sum for one round of the tire model, and μ is the attenuation characteristic of each element, i = 1 to n. However, when i = n, 1 is substituted for i + 1. Further, εi and εi + 1 represent respective strains of two elements adjacent in the circumferential direction. From these, the rolling resistance RR of the tire model can be calculated based on the equation (4).
本来、減衰のない歪−応力線図は、原点を通る1本の比例直線となり、引張と圧縮とで同じ経路を通る。本実施形態では、弾性体の変形に際して摩擦抵抗(摩擦減衰)が加わり、図17(B)のように引張では減衰特性μの増加となり、圧縮では減衰特性μの減少となる平行四辺形のループとして考える。本実施形態の減衰特性μを定める平行四辺形のループは、斜辺の傾きである傾斜角βが、実験結果から得られたヒステリシスループの楕円の長軸の傾斜角αに等しく設定される。このような減衰特性μを用いて上記式(5)でエネルギーロスを計算することにより、歪経路法と同様に、タイヤ1周分の歪変化が、複雑でかつ複数のピークを持っている場合であっても、精度の良い結果が得られる。 Originally, a strain-stress diagram without attenuation is a single proportional line passing through the origin, and the same path is taken for tension and compression. In this embodiment, a frictional resistance (friction damping ) is applied when the elastic body is deformed, and as shown in FIG. 17B, the damping characteristic μ increases in tension and the damping characteristic μ decreases in compression, as shown in FIG. Think of it as In the parallelogram loop defining the attenuation characteristic μ of the present embodiment, the inclination angle β, which is the inclination of the hypotenuse, is set equal to the inclination angle α of the long axis of the elliptical loop of the hysteresis loop obtained from the experimental results. When the energy loss is calculated by the above equation (5) using such attenuation characteristic μ, as in the strain path method, the strain change for one tire lap is complicated and has a plurality of peaks. Even so, accurate results can be obtained.
タイヤサイズが195/65R15の空気入りタイヤAないしFについて、本発明を用いたシミュレーション方法にて転がり抵抗を計算した。各タイヤは、夫々表1のように剛性を違えている。本実験では、トレッドパターンを形成していないプレーンなタイヤモデルで行った。要素数はいずれも20000個とした。エネルギーロスの計算には、歪経路法を用いたもの(実施例1)、減衰特性を用いたもの(実施例2)をそれぞれ行った。また比較のために、歪の履歴から最大振幅値を求め、式(1)を用いてエネルギーロスを計算したもの(比較例)も合わせて評価した。そして、夫々同サイズ、同一構造の実タイヤを用いて転がり抵抗を転がり抵抗試験器で計測し、これとの相関係数を求めた。シミュレーション条件はキャンバー角0°、縦荷重4.5kN、速度80km/Hとした。テストの結果などを表1に示す。 For pneumatic tires A to F having a tire size of 195 / 65R15, rolling resistance was calculated by a simulation method using the present invention. Each tire has different rigidity as shown in Table 1. In this experiment, a plain tire model without a tread pattern was used. The number of elements was 20000 for all. The energy loss was calculated using a strain path method (Example 1) and using an attenuation characteristic (Example 2). For comparison, the maximum amplitude value was obtained from the strain history, and the energy loss calculated using Equation (1) (Comparative Example) was also evaluated. And rolling resistance was measured with the rolling resistance tester using the actual tire of the same size and the same structure, respectively, and the correlation coefficient with this was determined. The simulation conditions were a camber angle of 0 °, a longitudinal load of 4.5 kN, and a speed of 80 km / H. Table 1 shows the test results.
テストの結果、実施例の転がり抵抗値は、実測値と非常に接近しており精度の高さが確認できる。また図18には、他のタイヤについて、各種条件でさらに実測の転がり抵抗値(実測RRC)と、シミュレーションで計算された転がり抵抗値(計算RRC)とを測定し比較した結果が示されている。図のように、相関が非常に強い(相関係数:R2 =0.9568)ことも確認でき、シミュレーションの精度の良さが確認できる。 As a result of the test, the rolling resistance value of the example is very close to the actually measured value, and high accuracy can be confirmed. FIG. 18 also shows the results of measuring and comparing the rolling resistance value (measured RRC) actually measured under various conditions with the rolling resistance value (calculated RRC) calculated by simulation for other tires. . As shown in the figure, it can be confirmed that the correlation is very strong (correlation coefficient: R 2 = 0.9568), and the accuracy of the simulation can be confirmed.
2 タイヤモデル
2a、2b… 要素
e1 ソリッド要素
5a、5b 膜要素
2
Claims (3)
ゴム材、カーカスとベルトとを含む繊維複合材及び非伸張性のビードコアがタイヤ周方向に同一断面形状で連続しかつ数値解析が可能な要素でモデル化されたタイヤモデルを設定するステップと、
予め定めた境界条件に基づいてタイヤモデルを転動させることなく路面モデルに接地させるステップと、
少なくともゴム材をモデル化した要素について、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算するステップと、
前記ゴム材の少なくとも一つの要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいてエネルギーロスを計算するステップとを含み、
前記エネルギーロスは、下式で計算されることを特徴とするタイヤのシミュレーション方法。
W=Σπ・E・(εp /2)2 ・tanδ
(ここで、Σは、全タイヤ座標系についての総和を示し、Eは各要素の貯蔵弾性率、εpは、周方向で隣り合う要素間での歪の差の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した積算値の半分の値、tanδは各要素の損失正接である。)
A tire simulation method for simulating a tire using a computer,
Setting a tire model in which a rubber composite, a fiber composite material including a carcass and a belt, and a non-extensible bead core are modeled with elements that are continuous in the tire circumferential direction in the same cross-sectional shape and capable of numerical analysis;
Contacting the road surface model without rolling the tire model based on predetermined boundary conditions;
At least for the element modeled on the rubber material, the tire at the time of one rotation of the six-component strain including the vertical strain and the shear strain in the tire meridian direction, the tire circumferential direction, and the tire thickness direction is the grounded tire. Calculating from the circumferential strain distribution of the model;
Calculating at least one element of the rubber material an energy loss based on a value obtained by integrating the absolute value of the amount of change in strain for one revolution of the tire model,
The energy loss is calculated according to the following equation: a tire simulation method.
W = Σπ · E · (εp / 2) 2 · tan δ
(Where Σ is the sum of all tire coordinate systems, E is the storage modulus of each element, εp is the absolute value of the difference in strain between adjacent elements in the circumferential direction, (Half of the integrated values integrated for minutes, tan δ is the loss tangent of each element.)
ゴム材、カーカスとベルトとを含む繊維複合材及び非伸張性のビードコアがタイヤ周方向に同一断面形状で連続しかつ数値解析が可能な要素でモデル化されたタイヤモデルを設定するステップと、
予め定めた境界条件に基づいてタイヤモデルを転動させることなく路面モデルに接地させるステップと、
少なくともゴム材をモデル化した要素について、タイヤ子午線方向、タイヤ周方向及びタイヤ厚さ方向についてそれぞれ垂直歪とせん断歪とを含んだ6成分歪のタイヤ1回転時の履歴を、前記接地させたタイヤモデルの周方向の歪分布から計算するステップと、
前記ゴム材の少なくとも一つの要素について、歪の変化量の絶対値をタイヤモデルの1周分について積算した値に基づいてエネルギーロスを計算するステップとを含み、
前記エネルギーロスは、下式で計算されることを特徴とするタイヤのシミュレーション方法。
W=Σ(μ・|εi+1 −εi |)
(ここで、Σはタイヤモデルの1周分についての総和を示し、μは各要素の減衰特性で、上記ゴム材についての実際の粘弾性特性試験から得られる応力−歪曲線のヒステリシスループの面積Aを粘弾性特性試験において用いた歪振幅εmで除した値、εi とεi+1 とは、周方向で隣り合う2つの要素の各歪、i=1〜nであるが、i=nのとき、i+1には1を代入する。)
A tire simulation method for simulating a tire using a computer,
Setting a tire model in which a rubber composite, a fiber composite material including a carcass and a belt, and a non-extensible bead core are modeled with elements that are continuous in the tire circumferential direction in the same cross-sectional shape and capable of numerical analysis;
Contacting the road surface model without rolling the tire model based on predetermined boundary conditions;
At least for the element modeled on the rubber material, the tire at the time of one rotation of the six-component strain including the vertical strain and the shear strain in the tire meridian direction, the tire circumferential direction, and the tire thickness direction is the grounded tire. Calculating from the circumferential strain distribution of the model;
Calculating at least one element of the rubber material an energy loss based on a value obtained by integrating the absolute value of the amount of change in strain for one revolution of the tire model,
The energy loss is calculated according to the following equation: a tire simulation method.
W = Σ (μ · | εi + 1 -εi |)
(Where Σ is the total sum for one round of the tire model, μ is the damping characteristic of each element, and the area of the hysteresis loop of the stress-strain curve obtained from the actual viscoelastic property test for the rubber material. The value obtained by dividing A by the strain amplitude εm used in the viscoelastic property test, εi and εi + 1 are the strains of two elements adjacent in the circumferential direction, i = 1 to n, but i = n Then, 1 is substituted for i + 1.)
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