JP6845677B2

JP6845677B2 - 前後力シミュレーション方法、装置及びプログラム

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Publication number: JP6845677B2
Application number: JP2016240459A
Authority: JP
Inventors: 幸司荒川
Original assignee: Toyo Tire Corp
Current assignee: Toyo Tire Corp
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2021-03-24
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP2018096783A

Description

本発明は、前後力シミュレーション方法、装置及びプログラムに関する。

コンピュータが解析可能なタイヤＦＥＭ（ＦＥＭ；Finite Element Method）モデルを作成し、タイヤの特性値をシミュレーションする方法が提案され、実用化されつつある。路面と接触するタイヤの性能を予測する主要な方法としては、タイヤを複数要素に分割して要素毎に運動方程式を解く有限要素法等の数値解析手法を用い、所定荷重及び所定内圧等の解析条件の下で接触解析を実施する。

特許文献１には、タイヤＦＥＭモデルを用いて、接地圧、すべり速度を算出し、対応する摩擦係数を特定し、接地面に生じる力を算出する記載がある。

特開２０１２−３７２８０号公報

タイヤ全体での摩擦係数μとスリップ率Ｓとの組をプロットすることで得られるμ−Ｓカーブを適切に得ることが可能な手法が求められるが、これは文献に明示されていない。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、タイヤ全体での摩擦係数とスリップ率とのカーブを適切に得ることが可能な前後力シミュレーション方法、装置及びプログラムを提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、次のような手段を講じている。

すなわち、本発明の前後力シミュレーション方法は、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データから接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定し、特定した摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行い、接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するステップと、前記要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数を算出するステップと、を含み、前記シミュレーションの実行、前記タイヤ全体での摩擦係数の算出をそれぞれ、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率を異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率とタイヤ全体での摩擦係数の関係を複数組取得する。

また、本発明の前後力シミュレーション装置は、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データから接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定し、特定した摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行い、接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するシミュレーション実行部と、前記要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数を算出するタイヤ摩擦係数算出部と、を備え、前記シミュレーションの実行、前記タイヤ全体での摩擦係数の算出をそれぞれ、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率を異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率とタイヤ全体での摩擦係数の関係を複数組取得する。

このように、前後力シミュレーションにより接地圧、すべり速度、摩擦係数を要素毎に算出し、要素毎に算出した摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づきタイヤ全体での摩擦係数を算出するので、分布を考慮したうえでタイヤ全体での摩擦係数を適切に算出可能となる。また、スリップ率を異ならせて繰り返し演算するので、摩擦係数μ−スリップ率Sカーブを適切に得ることが可能となる。

本発明の前後力シミュレーション装置を模式的に示すブロック図。本発明の前後力シミュレーション処理を示すフローチャート。他の例の前後力シミュレーション処理を示すフローチャート。他の例の前後力シミュレーション処理を示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

［前後力シミュレーション装置］
図１に示す装置１は、予め与えられた解析条件（所定荷重、所定内圧、タイヤに対する路面速度（車速）、タイヤ回転速度）において、タイヤを接地及び転動させるシミュレーションを実行する装置である。

具体的に、装置１は、図１に示すように、設定部１０と、シミュレーション実行部１１と、タイヤ摩擦係数算出部１３と、スリップ率設定部１４と、を有する。シミュレーション実行部１１は摩擦係数特定部１２を有する。これら各部１０〜１４は、ＣＰＵ、メモリ、各種インターフェイス等を備えたパソコン等の情報処理装置においてＣＰＵが予め記憶されている図示しない処理ルーチンを実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。

図１に示す設定部１０は、キーボードやマウス等の既知の操作部を介してユーザからの操作を受け付け、解析対象となるタイヤ有限要素（Finite Element）モデルデータ、解析で利用する各種設定値（例えば、タイヤモデルにかける荷重値、回転速度、タイヤに対する路面速度(車速)、内圧、荷重）などの有限要素法を用いたシミュレーションに必要な各種解析条件の設定を実行し、これら設定値をメモリに記憶する。タイヤＦＥＭモデルデータは、有限要素法に対応した要素分割（例えば、メッシュ分割）により分割された有限個の要素で構成される。要素の境界には節点が定義され、節点毎に運動方程式が演算される。タイヤモデルは、主溝及び横溝で形成されるパターンを有する。なお、タイヤの進行方向に対するタイヤの向き（スリップ角ＳＡ）は０°（直進）に設定されている。また、回転速度及びタイヤに対する路面速度として、解析手法によるが、変位や力を代わりに用いても良い。

シミュレーション実行部１１は、タイヤに対する路面速度（車速）及びタイヤ回転速度を含む上記所定の解析条件の下、タイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行する。シミュレーションでは、摩擦係数特定部１２により特定された摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行う。この演算では、圧力、すべり速度及び摩擦係数がそれぞれ影響しあうため、平衡状態となるまで演算を行う。シミュレーションの結果、接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出する。結果は要素毎に算出される。本実施形態では、定常輸送解析を行っているが、これに限定されず、種々の解析法を利用できる。

摩擦係数特定部１２は、摩擦係数データ１５を用いる。摩擦係数データ１５は、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す。摩擦係数データ１５は、圧力、すべり速度及び摩擦係数の少なくとも３つからなるデータであり、次のように関数で表現することができる。
摩擦係数＝Ｆ（圧力，すべり速度）

本実施形態では、摩擦係数が温度によっても変化することに着目して、摩擦係数データ１５は、圧力、すべり速度、摩擦係数に、更に温度の対応関係を示すデータにしている。この場合、次の関数で表現される。
摩擦係数＝Ｆ（圧力，すべり速度，温度）
摩擦係数データ１５の構築方法は、種々存在する。例えば、温度に応じて摩擦係数が変化する数式モデルを設けてもよい。また、少なくとも２つの温度について圧力、すべり速度、摩擦係数の対応関係を示すデータを有し、データが存在する温度以外の温度を参照する場合には、存在するデータから線形補間した値を用いることが挙げられる。

摩擦係数データ１５は、実験値に基づく値である。ドライ路面、ウエット路面、アイス路面、スノー路面などの環境が異なる毎に複数用意してもよく、路面粗さ違いの路面を複数用意することが考えられる。摩擦係数の計測は、ターンテーブル上に例えば研磨布路面を設け、その上をゴムサンプルを転動させて圧力及びすべり速度を異ならせて計測する。
または、ブロック状のサンプルを用いて路面上を一方向に滑らせる形で圧力及びすべり速度を異ならせて計測する。
研磨布路面よりも、骨材を並べて構成した路面や実際のアスファルト路面の方が好ましい。

摩擦係数特定部１２は、摩擦係数データ１５を用い、シミュレーション実行部１１で算出した接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を、要素毎に特定する。

温度を用いる場合には、接地面における温度を予測する温度予測部１６が設けられている。温度予測部１６は、環境温度をそのまま接地面の温度として設定するように構成してもよい。また、実測の接地面温度分布に基づき設定しても良い。さらには、シミュレーション実行部１１での計算結果に基づき接地面の温度分布を予測するように構成してもよい。温度予測部１６が設けられる形態では、摩擦係数特定部１２は、摩擦係数データ１５を用い、シミュレーション実行部１１で算出した接地圧及びすべり速度と、温度予測部１６で予測した温度とに対応する摩擦係数を、要素毎に特定する。温度を用いない場合には、温度予測部１６は省略でき、それに伴い摩擦係数データ１５も温度を入力パラメータとしてないデータにすることができる。

タイヤ摩擦係数算出部１３は、要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づきタイヤ全体での摩擦係数を算出する。具体的には、要素毎の摩擦係数及び接地圧で定まる前後力を合計してタイヤ全体での前後力を算出し、タイヤ全体での荷重を用いてタイヤ全体での摩擦係数を算出する。他の方法では、タイヤ全体にかかる軸力を出力し、荷重Ｆｚと前後力Ｆｘの比から摩擦係数を算出してもよい。

スリップ率設定部１４は、タイヤに対する路面速度（車速Ｖ_Ｖ）及びタイヤの回転速度Ｖ_Ｔで定まるスリップ率Ｓを異ならせるために、路面速度（車速Ｖ_Ｖ）及びタイヤの回転速度Ｖ_Ｔを変更する。スリップ率Ｓは（Ｖ_Ｖ−Ｖ_Ｔ）／Ｖ_Ｖで表現される。

シミュレーション実行部１１、摩擦係数特定部１２、及び、タイヤ摩擦係数算出部１３の処理それぞれを、スリップ率Ｓを異ならせて複数回繰り返して実行し、スリップ率Ｓとタイヤ全体での摩擦係数μの関係を複数組取得する。

［前後力シミュレーション方法］
上記装置１の動作について図２〜４を参照しつつ説明する。図２は、別途に予め定めた温度分布を利用する例である。図３は、前の解析で求めた温度分布を用いて、前後力シミュレーションの前に熱解析を行い、その結果を反映した前後力シミュレーションを行う例である。図４は、前後力シミュレーションと熱解析を同時に行う例であり、駆動・制動状態により発生する熱を摩擦係数に反映させる例である。

まず、ステップＳＴ１において、設定部１０は、解析対象となるタイヤ有限要素（Finite Element）モデルデータ、解析で利用する各種設定値（例えば、タイヤモデルにかける荷重値、回転速度、タイヤに対する路面速度(車速)、内圧、荷重）などの有限要素法を用いたシミュレーションに必要な各種解析条件の設定を実行し、これら設定値をメモリに記憶する。使用する摩擦係数データ１５を指定してもよい。

次のステップＳＴ２において、温度予測部１６は、接地面における温度を予測する。図２では、予め設定された温度分布を設定する。図３では、設定された解析条件にて熱解析を行い、接地面の温度を予測する。図４では、ステップＳＴ２とＳＴ３を同時に行う。

次のステップＳＴ３において、シミュレーション実行部１１は、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行する。シミュレーションにおいて、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データ１５から接地圧及びすべり速度と、温度予測部１６で予測した温度とに対応する摩擦係数を特定し、特定した摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行う。接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出する。詳細には、所定内圧でインフレート解析を行って内圧付与による変形を算出し、所定荷重をかけた接地解析を行って接地による変形を算出し、解析条件（タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度）で転動させた前後力シミュレーション（制動解析又は駆動解析）を行い、接地面に生じる接地圧、すべり速度、摩擦係数を要素毎に算出する。

次のステップＳＴ４において、タイヤ摩擦係数算出部１３は、要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数μを算出する。

次のステップＳＴ５では、ステップＳＴ２〜４を条件（回数、データ数など）を満たすまで行ったかを判定する。条件を満たすまで、ステップＳＴ２〜４を、スリップ率を異ならせて複数回実行する。スリップ率（タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度）は、スリップ率設定部１４が変更する。

シミュレーションの実行、タイヤ全体での摩擦係数の算出をそれぞれ、スリップ率を異ならせて複数回繰り返し実行するので、スリップ率Ｓとタイヤ全体での摩擦係数μの関係を複数組取得する。よって、これらをプロットすれば、μ−Ｓカーブを得ることができる。

以上のように、本実施形態の前後力シミュレーション方法は、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データ１５から接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定し、特定した摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行い、接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するステップ（ＳＴ３）と、要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数を算出するステップ（ＳＴ４）と、を含み、シミュレーションの実行（ＳＴ３）、タイヤ全体での摩擦係数の算出（ＳＴ４）をそれぞれ、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率Ｓを異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率Ｓとタイヤ全体での摩擦係数μの関係を複数組取得する。

本実施形態の前後力シミュレーション装置は、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データ１５から接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定し、特定した摩擦係数を更に入力パラメータとして、平衡状態に至るまで演算を行い、接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するシミュレーション実行部１１と、要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での荷重を用いてタイヤ全体での摩擦係数μを算出するタイヤ摩擦係数算出部１３と、を備え、シミュレーションの実行、タイヤ全体での摩擦係数の算出をそれぞれ、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率Ｓを異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率Ｓとタイヤ全体での摩擦係数μの関係を複数組取得する。

本実施形態の方法では、接地面における温度を予測するステップ（ＳＴ２）を更に含み、摩擦係数データ１５は、圧力、すべり速度、摩擦係数、更に温度の対応関係を示すデータであり、シミュレーションを実行するステップ（ＳＴ３）では、算出した接地圧及びすべり速度と、予測した温度とに対応する摩擦係数を、摩擦係数データ１５を用いて特定する。
本実施形態の装置では、接地面における温度を予測する温度予測部１６を更に備え、摩擦係数データ１５は、圧力、すべり速度、摩擦係数、更に温度の対応関係を示すデータであり、シミュレーション実行部１１は、算出した接地圧及びすべり速度と、温度予測部１６で予測した温度とに対応する摩擦係数を、摩擦係数データ１５を用いて特定する。

この構成によれば、接地面の温度を予測し、温度に対応する摩擦係数を使用するので、温度の影響を考慮でき、より精度を向上させることが可能となる。

本実施形態では、摩擦係数データ１５は、少なくとも２つの異なる温度について、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示すデータを有し、データが存在する温度以外の温度を参照する場合には、存在するデータから線形補間した値を用いる。

この構成によれば、摩擦係数データ１５のデータ量を或る程度抑制しつつ、精度も或る程度担保することができ、実装上では有用である。

本実施形態のプログラムは、上記方法を構成する各ステップをコンピュータに実行させるプログラムである。
これらプログラムを実行することによっても、上記方法の奏する作用効果を得ることが可能となる。言い換えると、上記方法を使用しているとも言える。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１１…シミュレーション実行部
１３…タイヤ摩擦係数算出部
１５…摩擦係数データ
１６…温度予測部

Claims

（１）タイヤに対する路面速度、タイヤ回転速度及び摩擦係数を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、要素毎に接地圧、すべり速度及び摩擦係数を算出するステップと、
（２）圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データから、シミュレーションで得られた接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定するステップと、
（３）前記（２）で特定された摩擦係数を入力パラメータに含め、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、要素毎に接地圧、すべり速度及び摩擦係数を算出するステップと、
（４）前記（２）及び前記（３）のステップを平衡状態に至るまで繰り返す定常解析を実行し、平衡状態における接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するステップと、
（５）前記要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数を算出するステップと、を含み、
（６）前記（１）〜（５）のステップを、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率を異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率とタイヤ全体での摩擦係数の関係を複数組取得する、前後力シミュレーション方法。
接地面における温度を予測するステップを更に含み、
前記摩擦係数データは、圧力、すべり速度、摩擦係数、更に温度の対応関係を示すデータであり、
前記（２）のステップでは、前記算出した接地圧及びすべり速度と、前記予測した温度とに対応する摩擦係数を、前記摩擦係数データを用いて特定する、請求項１に記載の方法。
前記摩擦係数データは、少なくとも２つの異なる温度について、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示すデータを有し、データが存在する温度以外の温度を参照する場合には、存在するデータから線形補間した値を用いる、請求項２に記載の方法。
（１）タイヤに対する路面速度、タイヤ回転速度及び摩擦係数を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、要素毎に接地圧、すべり速度及び摩擦係数を算出するステップと、
（２）圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示す摩擦係数データから、シミュレーションで得られた接地圧及びすべり速度に対応する摩擦係数を特定するステップと、
（３）前記（２）で特定された摩擦係数を入力パラメータに含め、タイヤに対する路面速度及びタイヤ回転速度を含む所定の解析条件の下、タイヤを複数の要素に分割したタイヤＦＥＭモデルを所定荷重で接地及び転動させるシミュレーションを実行し、要素毎に接地圧、すべり速度及び摩擦係数を算出するステップと、
（４）前記（２）及び前記（３）のステップを平衡状態に至るまで繰り返す定常解析を実行し、平衡状態における接地面における接地圧分布、すべり速度分布、摩擦係数を算出するステップと、を実行する、シミュレーション実行部と、
（５）前記要素毎の摩擦係数、接地圧及びすべり速度に基づき、タイヤ全体での摩擦係数を算出するタイヤ摩擦係数算出部と、を備え、
前記シミュレーション実行部による前記（１）〜（４）のステップの実行、前記タイヤ摩耗係数算出部による前記（５）のタイヤ全体での摩擦係数の算出をそれぞれ、路面速度及びタイヤの回転速度で定まるスリップ率を異ならせて複数回繰り返し実行し、スリップ率とタイヤ全体での摩擦係数の関係を複数組取得する、前後力シミュレーション装置。
接地面における温度を予測する温度予測部を更に備え、
前記摩擦係数データは、圧力、すべり速度、摩擦係数、更に温度の対応関係を示すデータであり、
前記シミュレーション実行部は、前記（２）のステップにおいて、前記算出した接地圧及びすべり速度と、前記温度予測部で予測した温度とに対応する摩擦係数を、前記摩擦係数データを用いて特定する、請求項４に記載の装置。
前記摩擦係数データは、少なくとも２つの異なる温度について、圧力、すべり速度及び摩擦係数の対応関係を示すデータを有し、データが存在する温度以外の温度を参照する場合には、存在するデータから線形補間した値を用いる、請求項５に記載の装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の方法をコンピュータに実行させるプログラム。