JP5189318B2 - 空気入りタイヤの転動特性予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、有限要素法（ＦＥＭ）を用いた空気入りタイヤの転動特性予測方法に関し、定常転動解析及び準静的解析手法を用いることによりタイヤ転動の定常状態に導き、ＦＥＭ解析の計算を効率化し、計算時間の短縮化を図ることができる空気入りタイヤの転動特性予測方法に関する。

例えば、空気入りタイヤの摩耗速度や偏摩耗性などの摩耗特性を有限要素法（ＦＥＭ）による数値シミュレーションを用いて評価する場合、空気入りタイヤのＦＥＭ解析モデルを回転させ、摩擦エネルギーなどの計算値を評価することが知られている。

下記特許文献１には、仮想リムに装着したタイヤ有限要素モデルを仮想路面に接地させて相対移動させたときの挙動をシミュレーションする走行シミュレーション処理と、この走行シミュレーション処理からタイヤ有限要素モデルの摩耗特性を取得する情報取得処理とを含む、有限要素法を用いた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方法が開示されている。

また、下記特許文献２では、形状や構造等のタイヤ設計案から有限要素法によるタイヤをモデル化し、回転接触解析したのち摩耗エネルギー分布を求めて摩耗させたタイヤモデルを作成し、再度回転接触解析したのち摩耗エネルギー分布を求めてタイヤモデルの削り量を決定することを繰り返すことで、摩耗形態の進展過程をシミュレーションする方法が開示されている。

従来の解析方法では、始めにＦＥＭモデルを作成し、このＦＥＭモデルに規定の内圧、垂直加重を負荷し、次にタイヤを回転させるためにホイルセンター周りにトルクあるいは強制変位などの回転させるための外力を与え、静的にタイヤを転動させシミュレーションしていた。
特開平１１−２０１８７５号公報 特開２００６−２１６４８号公報

上記従来の空気入りタイヤの転動特性予測方法では、タイヤが定常状態に至るまでの、すなわちタイヤが捩れた状態になるまでの助走を含んだ計算を必要とし、この助走に要する１５０〜３００度程度タイヤを回転させた後、接地面内での摩擦エネルギーなどを算出し評価していたので、計算時間が長大化していた。

そこで、本発明の目的は、タイヤの転動特性予測が可能となる定常状態に至るまでの回転に要する計算ステップを短縮することで、従来では長大な計算時間を要していた空気入りタイヤの転動特性予測時間を短縮させ、計算コストを低減することのできる空気入りタイヤの転動特性予測方法を提供することにある。

本発明者らは、従来の長大な計算時間を短縮するために検討した結果、定常転動解析法及び準静的解析法を用いてタイヤ転動が定常状態に導き、転動特性解析の計算が可能になる定常状態に至るまでの計算時間を大幅に短縮し得ることを見出したものである。

すなわち、本発明の空気入りタイヤの転動特性予測方法は、空気入りタイヤの転動特性を有限要素法によって予測するにあたり、定常転動解析法により算出されたタイヤの変形を、転動タイヤの準静的解析法に導入し転動タイヤを定常状態に導き、該定常状態にあるタイヤの接地面内での転動特性を算出することを特徴とする。

上記空気入りタイヤの転動特性予測方法は次の各ステップを含む。

（ａ）空気入りタイヤの初期有限要素モデルを作成するステップ。
（ｂ）前記有限要素モデルを用いた定常転動解析法により、該有限要素モデルそのものは回転させずにタイヤ回転時における定常状態での変形を計算するステップ。
（ｃ）前記（ｂ）の計算結果から前記有限要素モデルの節点変位を抽出するステップ。
（ｄ）抽出された節点変位を初期変位とした準静的解析モデルを作成するステップ。
（ｅ）タイヤが定常状態に至るまでの転動の準静的計算を実施するステップであって、前記準静的解析モデルを用いて、当該モデルを構成する節点をタイヤ回転軸周りに実際に回転させながら、回転状態にあるタイヤの変形状態を計算して定常状態に導くステップ。
（ｆ）前記準静的計算により求めた前記定常状態にあるタイヤについて接地面内での転動特性に関する特性値を算出し、評価するステップ。

また、本発明は、空気入りタイヤの接地面内でのトレッド踏面の摩擦エネルギーを算出し、タイヤの摩耗特性を予測するのに好適である。

本発明によれば、実際の走行試験を行わずにタイヤの摩耗特性を始め、コーナリング特性や制動特性などのタイヤの転動特性を解析することができるのは勿論のこと、タイヤが転動特性解析を可能とする定常状態に至るまでに要する計算ステップを短縮することで、長大な計算時間と計算コストを低減することから空気入りタイヤの開発効率を大幅に向上することができる。

本発明は、空気入りタイヤの転動特性を有限要素法によって予測するにあたり、タイヤが回転によって捻れた状態にあり、タイヤ接地面が摩擦エネルギーなどの転動特性の解析計算が可能となる定常状態に至るまでの時間を短縮することで効率的な計算を行い、その計算コストを低減することにある。

すなわち、本発明は、定常転動解析により算出された変形を、転動タイヤの準静的解析法に導入することで転動タイヤを定常状態に短時間で導き、該定常状態にあるタイヤの接地面内での転動特性を算出するものである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は実施形態にかかる空気入りタイヤの転動特性予測方法の流れを示すブロック図であり、コンピュータを用いて実施することができる。より詳しくは、下記ａ〜ｆのステップをコンピュータに実行させるためのプログラムを作成しておき、このプログラムを入力したコンピュータを用いることにより本実施形態の空気入りタイヤの転動特性予測方法を実施することができる。

本実施形態では、まず、第１ステップ（ａ）において、解析対象となる空気入りタイヤについてタイヤ構造体を有限個の多数の要素に分割した有限要素モデルで近似モデル化した初期ＦＥＭモデルを作成する。より詳しくは、タイヤ断面形状を基準形状とし、この基準形状を有限要素法（ＦＥＭ）によりモデル化して、内部構造を含むタイヤ断面形状を表すと共にメッシュ分割によって複数の有限要素に分割されたタイヤのＦＥＭモデルを作成する。タイヤ断面は複数の有限要素に分割されるとともに、図２のタイヤ側面のＦＥＭモデルに示すように、タイヤ周方向に複数に分割され、これによりタイヤ接地面（トレッド部）のブロック内でも有限要素に分割される。

この場合、タイヤ周方向において均等な角度で分割してもよいが、例えば、解析の計算対象となる接地面付近のみをメッシュ分割してもよく、また接地面付近を非解析対象部分よりも細かくメッシュ分割してもよい。

次の第２ステップ（ｂ）では、前記ＦＥＭモデルを定常転動解析法による計算を実施する。定常転動解析法は、タイヤの回転時における定常状態の変形を模擬するため、タイヤ内圧、軸荷重、走行速度、キャンバー角、スリップ角などの回転条件をプログラムに与え、タイヤモデル（メッシュ）そのものは回転せずに静止した状態で回転運動をプログラム内で表現し、変形を計算するものである。

この定常転動解析法は、公知のプログラムを利用することができ、例えば、市販のＦＥＭ解析ソフトウエアのＡＢＡＱＵＳ Ｉｎｃ．社製の「ＡＢＡＱＵＳ」の定常輸送解析（Ｅｕｌｅｒ／Ｌａｇｒａｎｇｅ混合法）手順を使用し、任意の回転条件でタイヤ変形を算出することができる。

上記定常転動解析法により、プログラム中で回転させタイヤの変形を計算することにより、タイヤが捩れた状態にある定常状態を近似することができるので、いわゆる助走時間を短縮することができ、例えば、図２（ａ）に示す従来モデルでは定常状態に至るまでにタイヤを１５０〜３００度程度回転させる必要があったものを、図２（ｂ）に示すように本発明モデルでは定常状態に至るまで１００度前後のタイヤ回転に短縮することが可能となる。従って、図３に示すように、定常状態に至るまでの回転角度（助走時間）が少なくなる間の計算時間とエネルギーを節減し、従来モデルの５０〜７０％の回転量で定常状態に至らすことができる。

第３ステップ（ｃ）は、前記（ｂ）の計算結果から有限要素モデルの各節点における変位を抽出するステップである。

一般に、ＦＥＭ解析手法においては、要素の分割数を大きくする程、計算時間は多くなるが計算精度は高くなる。したがって、計算時間とのバランスを考慮した上で要素分割の数をできるだけ多くすることが行われる。また、ブロックの端部においては、一般的に摩擦エネルギーの変化が大きく、要素分割数が少ないと摩擦エネルギーによる評価精度が低下する。このため、ブロック表面の摩擦エネルギーを予測する場合は、ブロック端部の分割数を特に多くし、そして、節点が受ける接地接線方向のせん断力と、前記各要素の節点についての接地接線方向のすべり量（変位）を掛け合わせ、これらを積算することによって、摩擦エネルギーを算出することができる。

例えば、タイヤのヒールアンドトウ摩耗をシミュレートする場合、ブロック前後（踏み込み側と蹴り出し側）の節点における変位と接線力から、踏み込み側と蹴り出し側それぞれの領域における摩擦エネルギーを求めて、それらの摩擦エネルギーの差分から摩耗進展速度を求めて、その進展速度からブロック前後の摩耗進展に対する時間依存性を求めている。これによって、タイヤのヒールアンドトウ摩耗が進展してゆく過程を正確にシミュレートすることができる。

第４のステップ（ｄ）は、抽出された節点変位を初期変位とした準静的解析モデルを作成するステップである。

準静的解析モデルは、実際にモデルを構成する節点が回転する。つまり、各節点はタイヤ回転軸周りに回転することによってタイヤ接地面内の踏み込みから蹴り出しまで、各時間毎での、例えば、変位、接線力などが計算可能となる。

第５のステップ（ｅ）は、タイヤが定常状態に至るまでの転動の準静的計算を実施するステップである。準静的計算は、タイヤ内圧、軸荷重、走行速度、キャンバー角、スリップ角などの回転条件をプログラムに与え、実際に回転状態にあるタイヤの変形状態を計算し、タイヤ接地面での転動特性の計算を可能にする定常状態に導くステップである。

この準静的計算は、公知のプログラムを利用することもでき、例えば、ＡＢＡＱＵＳ Ｉｎｃ．社製の「ＡＢＡＱＵＳ」などの市販のＦＥＭ解析ソフトウエアを利用して行うことができる。

第６のステップ（ｆ）は、上記定常状態にあるタイヤ接地面内での摩擦エネルギーなどの特性値をコンピュータに入力したプログラムにより算出し、評価するステップであり、摩耗速度や偏摩耗性などの摩耗特性の他に、コーナリング特性、制動特性、転がり抵抗、ノイズ性能などの各種の転動特性を予測することが可能となる。

タイヤサイズが２０５／６５Ｒ１５ ９４Ｖである乗用車用ラジアルタイヤについて、タイヤトレッド部の接地面始まり（踏み込み）から接地面終わり（蹴り出し）までの摩擦エネルギーを、上記した本発明モデルと従来モデルとにより計算した。なお、リムサイズは１５×６．５ＪＪ、空気圧は２００ｋＰａ、荷重は５８８０Ｎとした。計算に要した時間を従来モデルを１００とする指数で表１に示した。

従来モデルに対して、計算時間が大幅に短縮され、計算時間と計算コストを低減することができる。

本発明は、空気入りタイヤの転動特性をＦＥＭにより短時間で予測することができるので、タイヤの開発及び設計ステップの効率化に有効に利用することができる。

本発明の実施形態に係るタイヤ転動特性予測方法の流れを示すブロック図である。 タイヤを複数の有限要素に分割したＦＥＭモデルのタイヤ側面図である。 定常状態に至るまでのタイヤ回転時の横力の変化を示すグラフである。

Claims (2)

1. 空気入りタイヤの転動特性を有限要素法によって予測するにあたり、定常転動解析法により算出されたタイヤの変形を、転動タイヤの準静的解析法に導入し転動タイヤを定常状態に導き、該定常状態にあるタイヤの接地面内での転動特性を算出する空気入りタイヤの転動特性予測方法であって、
   （ａ）空気入りタイヤの初期有限要素モデルを作成するステップと、
   （ｂ）前記有限要素モデルを用いた定常転動解析法により、該有限要素モデルそのものは回転させずにタイヤ回転時における定常状態での変形を計算するステップと、
   （ｃ）前記（ｂ）の計算結果から前記有限要素モデルの節点変位を抽出するステップと、
   （ｄ）抽出された節点変位を初期変位とした準静的解析モデルを作成するステップと、
   （ｅ）タイヤが定常状態に至るまでの転動の準静的計算を実施するステップであって、前記準静的解析モデルを用いて、当該モデルを構成する節点をタイヤ回転軸周りに実際に回転させながら、回転状態にあるタイヤの変形状態を計算して定常状態に導くステップと、
   （ｆ）前記準静的計算により求めた前記定常状態にあるタイヤについて接地面内での転動特性に関する特性値を算出し、評価するステップと、
   を含むことを特徴とする空気入りタイヤの転動特性予測方法。
2. 前記（ｆ）で前記特性値として空気入りタイヤの接地面内でのトレッド踏面の摩擦エネルギーを算出し、タイヤの摩耗特性を予測する
   ことを特徴とする請求項１に記載の空気入りタイヤの転動特性予測方法。

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