JP5602038B2

JP5602038B2 - 自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法

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Publication number: JP5602038B2
Application number: JP2011018744A
Authority: JP
Inventors: ▲ろ▼ 余
Original assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Rubber Industries Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-10-08
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: JP2012159378A

Description

本発明は、実用性が高くタイヤの設計を効率化するのに役立つ自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法に関する。

自動車用タイヤは、走行中、スリップアングルが与えられるとコーナリング・フォースが発生する。このコーナリングフォースは、車両にモーメントを発生させ車体の向きを変えて旋回させる。

また、コーナリングフォースは、スリップアングルの増加とともに大きくなり、これらの間の比例定数をコーナリングパワーと呼ぶ。本明細書では、便宜上、スリップアングルが１°のときのコーナリングフォースがコーナリングパワーと定義される。このコーナリングパワーは、従来より、自動車用タイヤのコーナリング性能を評価するための指標として用いられている。

ところで、従来から、タイヤの各部の物性からコーナリングパワーを推定する方法が種々提案されている。例えば下記非特許文献１では、コーナリングパワーの推定式として、下記式（３）が提案されている。

ここで
ＣＰ：コーナリングパワー（Ｎ／deg）
Ｃｙ：トレッドゴムの横剛性
Ｋｙ：カーカスの横剛性
Ｅ：ベルト層の弾性定数
Ｉ：ベルト層のＺ軸回りの断面二次モーメント（mm⁴）
ｌ：接地面の周方向最大長さ（mm）
ｗ：接地面のタイヤ軸方向の最大幅（mm）

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しかしながら、上記式（３）で表されるコーナリングパワーの推定式に入力される物性値等は、そのほとんどが抽象的な物理量であるため、実際のタイヤの設計にはあまり役に立たず実用的ではない。

本発明は、以上のような問題点に鑑み案出なされたもので、実用性が高くタイヤの設計を効率化するのに役立つ自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法を提供することを主たる目的としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、下記式（１）を用いて、自動車用タイヤのコーナリングパワーを予測する工程を含むことを特徴とする。

ここで
ＣＰ：コーナリングパワー（Ｎ／deg）
ｌ：タイヤの接地面の周方向最大長さ（mm）
ｗ：タイヤの接地面のタイヤ軸方向の最大幅（mm）
Ｔｇ：トレッドゴムの捻り方向弾性率（ＭＰａ）
Ｂｗ：ベルトプライのタイヤ軸方向の最大幅（mm）
α：ベルトコードのタイヤ軸方向に対する角度（°）
Ｆ：接地時の接線力（Ｎ）
ｙ：トレッド部の陸部のタイヤ軸方向の変位（mm）
ｈ：トレッド部の陸部の高さ（mm）
Ｅｙ：トレッドゴムのヤング率（Ｎ／cm²）
Ｇ：トレッドゴムの剪断剛性（Ｎ／cm²）
Ｉｍ：トレッド部の陸部の断面２次モーメント（mm⁴）
Ａ：トレッド部の陸部の断面積（cm²）
Ａｐ：空気圧（ｋＰａ）
Ｐｎ：カーカスプライの枚数（枚）
Ｈｉ：外側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｈｏ：内側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｂｎ：ビード補強層の枚数（枚）
Ｃｗ：クリンチゴムの最大厚さ（mm）
Ｂｈ：ビードエーペックスの高さ（mm）
Ｂｇ：ビードエーペックスのゴム硬度（度）
ａ１〜ａ７：定数

また、請求項２記載の発明は、上記式（１）には、前記自動車用タイヤのトレッド部にサイピングが設けられる場合、下記式（２）で修正される値Ｋ’が用いられる請求項１に記載の自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法である。

ここで
Ｗ：トレッド部の陸部の幅（mm）
Ｌ: サイピングの周方向方向成分長さ（mm）
ｈｓ：サイピングの深さ（mm）

なお、本明細書では、特に断りがない限り、タイヤの各部の寸法は、正規リムにリム組みされかつ正規内圧が充填された無負荷の正規状態において特定される値とする。

また、前記「正規リム」とは、タイヤが基づいている規格を含む規格体系において、当該規格がタイヤ毎に定めるリムであり、例えばＪＡＴＭＡであれば "標準リム" 、ＴＲＡであれば "Design Rim" 、ＥＴＲＴＯであれば "Measuring Rim" とする。

さらに「正規内圧」とは、タイヤが基づいている規格を含む規格体系において、各規格がタイヤ毎に定めている空気圧であり、ＪＡＴＭＡであれば "最高空気圧" 、ＴＲＡであれば表 "TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES" に記載の最大値、ＥＴＲＴＯであれば "INFLATION PRESSURE" とするが、タイヤが乗用車用である場合には一律に１８０ｋＰａとする。

本発明の自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法では、上記式（１）を用いて、自動車用タイヤのコーナリングパワーを予測する工程を含む。上記式（１）に入力される物性値は、いずれもタイヤを設計する際に決定される具体的な設計因子である。従って、本発明の予測方法では、実用性が高く、コーナリング性能に優れたタイヤ設計の効率化を図ることができる。

本実施形態のコーナリング性能の予測方法で評価される空気入りタイヤの断面図である。図１のトレッド展開図である。（ａ）はブロックを示す斜視図、（ｂ）はサイピング入りブロックを示す斜視図である。本実施形態の予測方法で予測されたコーナリングパワーと、実測されたコーナリングパワーとの相関を示したグラフである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
本発明の自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法（以下、単に「予測方法」ということがある）では、コーナリングパワーＣＰを予測する工程を含み、自動車用タイヤのコーナリング性能を評価するものである。本明細書では、上記のとおり、前記コーナリングパワーＣＰを、スリップアングルが１°のときのコーナリングフォースで定義される。

図１に示されるように、本実施形態の予測方法で評価される自動車用タイヤ（以下、単に「タイヤ」ということがある）１は、例えば、乗用車用タイヤとして構成され、トレッド部２からサイドウォール部３をへてビード部４のビードコア５に至るカーカス６と、このカーカス６のタイヤ半径方向外側かつトレッド部２の内方に配されたベルト層７とを具える。

前記トレッド部２には、ベルト層７のタイヤ半径方向外側にトレッドゴム２Ｇが配されている。トレッドゴム２Ｇの外面には、図２に示されるように、例えば、タイヤ周方向に連続してのびる主溝１１と、該主溝１１と交わる向きにのびる複数本の横溝１２とが設けられ、これらの主溝１１及び横溝１２により、複数の陸部１３が区分される。この陸部１３には、溝幅が１．５mm以下の切り込みであるサイピング１６（図３（ｂ）に示す）が１、又は２本以上設けられてもよい。

図１に示されるように、前記カーカス６は、トレッド部２からサイドウォール部３を経てビード部４に至る本体部６ａと、この本体部６ａに連なりかつビード部４に埋設されたビードコア５で両端が折り返された折返し部６ｂとを含む２枚のカーカスプライ、即ち、内側カーカスプライ６Ａ、及び外側カーカスプライ６Ｂから構成される。なお、前記「内側、外側」は、タイヤ赤道Ｃの位置で区別される。

前記内側カーカスプライ６Ａ、及び外側カーカスプライ６Ｂは、例えば、タイヤ赤道Ｃに対して８０〜９０°の角度で配列されたカーカスコードが、互いに交差する向きに重ねられる。また、内側、外側カーカスプライ６Ａ、６Ｂの本体部６ａと折返し部６ｂとの間には、ビードコア５からタイヤ半径方向外側にのびかつＪＩＳデュロメータＡ硬さが、例えば７５〜９０度の硬質ゴムからなるビードエーペックス８が配され、ビード部４が適宜補強される。また、ビード部４には、該ビード部４の外側面をなすリムずれ防止用のクリンチゴム９と、ビードコア５の周りをＵ字に囲むビード補強層１０とが配されている。

本実施形態の前記ベルト層７は、ベルトコードをタイヤ赤道Ｃに対して例えば１０〜３５°の小角度で傾けて配列した２枚、即ち内側ベルトプライ７Ａ、及び外側ベルトプライ７Ｂをベルトコードが互いに交差する向きに重ね合わせて構成される。本実施形態のベルトコードは、スチールコードが採用されている。

そして、本実施形態のタイヤ１の横バネ定数を予測する工程では、下記式（１）が用いられる。

ここで
ｌ：接地面の周方向最大長さ（mm）
ｗ：接地面のタイヤ軸方向の最大幅（mm）
Ｔｇ：トレッドゴムの捻り方向弾性率（ＭＰａ）
Ｂｗ：ベルトプライのタイヤ軸方向の最大幅（mm）
α：ベルトコードのタイヤ軸方向に対する角度（°）
Ｆ：接地時の接線力（Ｎ）
ｙ：陸部のタイヤ軸方向の変位（mm）
ｈ：陸部の高さ（mm）
Ｅｙ：トレッドゴムのヤング率（Ｎ／cm²）
Ｇ：トレッドゴムの剪断剛性（Ｎ／cm²）
Ｉｍ：陸部の断面２次モーメント（mm⁴）
Ａ：陸部の断面積（cm²）
Ａｐ：空気圧（ｋＰａ）
Ｐｎ：カーカスプライの枚数（枚）
Ｈｉ：外側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｈｏ：内側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｂｎ：ビード補強層の数（個）
Ｃｗ：クリンチゴムの最大厚さ（mm）
Ｂｈ：ビードエーペックスの高さ（mm）
Ｂｇ：ビードエーペックスのゴム硬度（度）
ａ１〜ａ７：定数

図２に示されるように、前記タイヤの接地面の周方向最大長さｌ、及びタイヤの接地面のタイヤ軸方向の最大幅ｗは、例えば、タイヤ１が前記正規リムにリム組みされかつ前記正規内圧が充填されるとともに正規荷重を負荷して平面に接地させた正規荷重負荷状態における接地面１４の周方向最大長さと、最大幅とする。

前記「正規荷重」とは、タイヤが基づいている規格を含む規格体系において、各規格がタイヤ毎に定めている荷重であり、ＪＡＴＭＡであれば最大負荷能力、ＴＲＡであれば表 "TIRE LOAD LIMITS AT VARIOUS COLD INFLATION PRESSURES" に記載の最大値、ＥＴＲＴＯであれば "LOAD CAPACITY"とする。

前記トレッドゴムの捻り方向弾性率Ｔｇは、前記トレッド部２のトレッドゴム２Ｇの捻り方向の複素弾性率Ｇ＊であり、次に示される条件でRheometric Scientic社製ねじり型高出力粘弾性測定器（Dynamic Analyzer RDAIII）を用いて測定された値である。
初期歪：０％
動歪み（振幅）：±２％
周波数：１０Ｈｚ
測定温度：３０℃

なお、トレッドゴム２Ｇが多層構造をなす場合、前記捻り方向弾性率Ｔｇは、接地しているゴム層の捻り方向弾性率の値が用いられる。

前記最大幅Ｂｗは、図１に示されるように、ベルト層７に複数のベルトプライ７Ａ、７Ｂが含まれる場合、トレッド部２の外面側に近いベルトプライ（本実施形態では外側ベルトプライ７Ｂ）で特定される。

前記ベルトコードのタイヤ軸方向に対する角度αは、本実施形態のように、ベルト層７に複数のベルトプライ７Ａ、７Ｂが含まれる場合、トレッド部２の外面側に近いベルトプライ（本実施形態では外側ベルトプライ７Ｂ）で特定される。

また、上記式（１）中の前記パターン横剛性Ｋは、図２に示されるように、前記正規荷重負荷状態における接地面１４において、トレッド接地端２ｅ、２ｅを通るタイヤ周方向線Ｌｅ、Ｌｅに挟まれた全周の範囲にある全ての陸部１３を対象に以下の要領で特定される。

先ず、前記陸部１３がブロック１５である場合には、図３（ａ）に示されるように、そのタイヤ半径方向の内端側で支持された片持ち梁として擬似的にモデル化することができ、これに梁の曲げとせん断とを適用して陸部１３のパターン横剛性Ｋが求められる。

また、図２に示されるように、トレッド接地端２ｅ側に配されるショルダーブロック１５Ｓについては、陸部１３の幅Ｗを、トレッド接地端２ｅまでの長さであるＷｓとみなしてパターン横剛性が算出される。

なお、図３（ｂ）に示されるように、ブロック１５にサイピング１６があるときは、ブロック１５の横剛性が低下することを考慮し、下記式（２）で修正された値Ｋ’が用いられるのが好ましい。

ここで
Ｗ：トレッド部の陸部の幅（mm）
Ｌ: サイピングの周方向方向成分長さ（mm）
ｈｓ：サイピングの深さ（mm）

また、陸部１３がタイヤ周方向に連続するリブの場合には、接地面１４内の周方向長さを有し、かつ陸部１３の半分の高さを有するブロックとみなして、パターン横剛性Ｋを求めるものとする。

なお、実際のブロック１５には、矩形状以外の種々のものが含まれるため、個々のブロック１５のパターン横剛性を求める際には、求積法や座標変換などを用いて算出することもできる。

上記式（１）中のＫｙは、カーカスの横剛性が示される。外側カーカスプライの折返し部の高さＨｉ、内側カーカスプライの折返し部の高さＨｏ、及びビードエーペックスの高さＢｈは、図１に示されるように、それぞれのビードベースラインＢＬからのタイヤ半径方向の最外端の高さで特定される。また、カーカス６が１枚のカーカスプライ６Ａからなる場合は、内側カーカスプライの折返し部の高さＨｏに、該カーカスプライ６Ａの最外端の高さが代入され、外側カーカスプライの折返し部の高さＨｉに０が代入される。

なお、前記「ビードベースライン」とは、タイヤが基づく規格で定められるビード径位置を通るタイヤ軸方向線とする。

また、前記ビードエーペックスのゴム硬度Ｂｇは、ＪＩＳ−Ｋ６２５３に準拠し、２３℃の環境下におけるデュロメータータイプＡによる硬さとする。

前記定数ａ１〜ａ７は、７本のタイヤ１の実測したコーナリングパワーを上記式（１）のコーナリングパワーＣＰに代入するとともに、各タイヤの設計因子（パラメータ）を上記式（１）に代入することにより成立する７個の連立方程式を解くことにより求められる。

なお、コーナリングパワーの実測値は、前記正規状態のタイヤ１を、室内試験機を用いて、スリップアングルが１度のときのコーナリングフォースで測定される。

図４には、カーカス６やベルト層７等の設計因子が異なる複数のタイヤにおいて、上記式（１）で予測されたコーナリングパワーをＸ、実測したコーナリングパワーをＹとしてプロットしたグラフが示される。このグラフに示されるように、上記式（１）を用いて予測されたコーナリングパワーは、実測したコーナリングパワーとの相関が非常に高いことが確認できる。このように、本発明の予測方法は、コーナリングパワーを実測することなく、タイヤ構成部材の具体的な設計因子を上記式（１）に代入することにより容易に予測できるので、実用性が高く、コーナリング性能に優れたタイヤ設計の効率化を図ることができる。

また、定数ａ１〜ａ７は、タイヤサイズの異なるタイヤ１を用いて求められることにより、コーナリングパワーをより高い精度で求めることができる。

以上、本発明の特に好ましい実施形態について詳述したが、本発明は図示の実施形態に限定されることなく、種々の態様に変形して実施しうる。

上記式（１）を用いて、タイヤ構成部材が異なる１５８本のタイヤについてコーナリングパワーを予測するとともに、それらのタイヤのコーナリングパワーを実測した。予測されたコーナリングパワーをＸ、実測したコーナリングパワーをＹとしてプロットされたグラフを図４に示す。
なお共通仕様は次のとおりである。
定数ａ１：０．０００２５
定数ａ２：５．４２
定数ａ３：６９７．７０
定数ａ４：１．０７
定数ａ５：３．９５６
定数ａ６：０．５
定数ａ７：０．１５

また、上記の定数ａ１〜ａ７は、７本のタイヤの実測したコーナリングパワーと、各タイヤの設計因子を上記式（１）に代入することにより成立する７個の連立方程式を解くことにより求められた。
７本のタイヤの設計因子の詳細を表１に示す。

テストの結果、本発明の予測方法で予測されたコーナリングパワーは、実測したコーナリングパワーとの相関係数が０．８７であり、相関が非常に高く、高精度でコーナリングパワーを予測できることが確認できた。従って、本発明の予測方法は、設計因子を代入するだけでコーナリングパワーを容易に予測できるため、実用性が高く、コーナリング性能に優れたタイヤ設計の効率化を図りうることが確認できた。

１自動車用タイヤ
２トレッド部
３サイドウォール部
４ビード部
６Ａ内側カーカスプライ
６Ｂ外側カーカスプライ
７Ａ内側ベルトプライ
７Ｂ外側ベルトプライ
８ビードエーペックス
９クリンチゴム
１０ビード補強層

Claims

下記式（１）を用いて、自動車用タイヤのコーナリングパワーを予測する工程を含むことを特徴とする自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法。

ここで
ＣＰ：コーナリングパワー（Ｎ／deg）
ｌ：タイヤの接地面の周方向最大長さ（mm）
ｗ：タイヤの接地面のタイヤ軸方向の最大幅（mm）
Ｔｇ：トレッドゴムの捻り方向弾性率（ＭＰａ）
Ｂｗ：ベルトプライのタイヤ軸方向の最大幅（mm）
α：ベルトコードのタイヤ軸方向に対する角度（°）
Ｆ：接地時の接線力（Ｎ）
ｙ：トレッド部の陸部のタイヤ軸方向の変位（mm）
ｈ：トレッド部の陸部の高さ（mm）
Ｅｙ：トレッドゴムのヤング率（Ｎ／cm²）
Ｇ：トレッドゴムの剪断剛性（Ｎ／cm²）
Ｉｍ：トレッド部の陸部の断面２次モーメント（mm⁴）
Ａ：トレッド部の陸部の断面積（cm²）
Ａｐ：空気圧（ｋＰａ）
Ｐｎ：カーカスプライの枚数（枚）
Ｈｉ：外側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｈｏ：内側カーカスプライの折返し部の高さ（mm）
Ｂｎ：ビード補強層の枚数（枚）
Ｃｗ：クリンチゴムの最大厚さ（mm）
Ｂｈ：ビードエーペックスの高さ（mm）
Ｂｇ：ビードエーペックスのゴム硬度（度）
ａ１〜ａ７：定数
上記式（１）には、前記自動車用タイヤのトレッド部にサイピングが設けられる場合、下記式（２）で修正される値Ｋ’が用いられる請求項１に記載の自動車用タイヤのコーナリング性能の予測方法。

ここで
Ｗ：トレッド部の陸部の幅（mm）
Ｌ: サイピングの周方向方向成分長さ（mm）
ｈｓ：サイピングの深さ（mm）