JP7253474B2 - 空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法、プログラム、およびシミュレーション装置 - Google Patents

空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法、プログラム、およびシミュレーション装置 Download PDF

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Description

本発明は、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法、プログラム、およびシミュレーション装置に関する。
タイヤをリムに組み付けた空気入りタイヤ組付体において、タイヤとリムとの間で伝達される力を計測することは一般に困難である。実測においては走行中に信号を取得できるように車両のタイヤにセンサを設置することは困難であるし、解析においてもタイヤだけでなくリムを含めた評価が必要となるため、解析モデルが複雑になり、計算コストが増大する。
例えば、特許文献1には、タイヤと当該タイヤに組み付けられたリムとの間のすべりであるリムスリップの生じ易さを評価したシミュレーション方法が開示されている。このシミュレーション方法では、タイヤとリムを含む解析モデルを作成し、有限要素法によって解析を行っている。
特開2016-173276号公報
特許文献1のような完全な解析モデルを作成するシミュレーション方法では、タイヤとリムを複数の要素に分割し、材料物性値をそれぞれ定義し、解析を実行する必要がある。従って、解析工数および計算コストが大きくなる傾向がある。そのため、より簡略化された方法が求められている。
本発明は、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法、プログラム、およびシミュレーション装置において、解析工数および計算コストを低減してタイヤからリムへと伝達される力の分布を解析することを課題とする。
本発明の第1の態様は、タイヤの形状データを複数の要素に分割したタイヤFEMモデルを取得し、リムの形状データを複数のセグメントに分割したリム分割モデルを取得し、前記タイヤFEMモデルに対して材料物性値および境界条件を設定し、前記リム分割モデルに対して境界条件を設定するとともに前記複数のセグメントのそれぞれを剛体として設定し、前記リム分割モデルに組み付けられた前記タイヤFEMモデルについて力や変位、回転を付加する解析を行い、前記複数のセグメントのそれぞれにかかる力を確認することにより前記タイヤFEMモデルから前記リム分割モデルへの力の伝達分布を解析することを含む、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法を提供する。
この方法によれば、タイヤからリムへと伝達される力の分布を簡易に評価できる。特に、リム分割モデルの各セグメントは剛体として設定されるため、材料物性値を設定する必要もなく、解析工数および計算コストが著しく大きくなることはない。従って、タイヤとリムを含めた完全な解析モデルを作成して解析する場合に比べて解析工数および計算コストを低減してタイヤからリムへと伝達される力の分布を解析できる。なお、リム分割モデルは剛体として定義されるため、各セグメントにかかる力を全て足し合わせるとタイヤ軸力となる。ここで、力や変位、回転を付加する解析は、タイヤに内圧を付与して膨張させるインフレート解析、タイヤに接地荷重を付与する接地解析、タイヤの様々な転動状態を再現する転動解析を含む。
前記リム分割モデルは、前記リムの形状データが少なくともタイヤ幅方向に複数分割されることによって構成されてもよい。
この方法によれば、タイヤからリムへと伝達される横力(タイヤ幅方向にかかる力)のタイヤ幅方向分布を評価できる。ここでの複数とは、2以上のことをいう。これにより、例えば旋回性能を評価できる。
前記リム分割モデルは、タイヤ幅方向において、前記タイヤFEMモデルのビードヒールに対応する位置と、中央の位置とで分割されてもよい。
この方法によれば、タイヤからリムへと伝達される横力を、タイヤのビード部からの押圧力と摩擦力とに分解して評価できる。詳細には、タイヤ組付体では、タイヤ幅方向においてビードコアの外側にリムのフランジ部が配置される。そのため、上記分割により、タイヤのビード部がリムのフランジ部をタイヤ幅方向外側へ押面する力と、それ以外のせん断による摩擦力とに分解して評価できる。
前記リム分割モデルは、前記リムの形状データがさらにタイヤ周方向に複数分割されることによって構成されてもよい。
この方法によれば、タイヤからリムへと伝達される力のタイヤ周方向における分布を評価できる。ここでの複数とは、2以上のことをいう。これにより、例えば制動性能を評価できる。
前記力や変位、回転を付加する解析において、接地荷重が付加された際に、接地部付近の前記セグメントと、それ以外の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価してもよい。
この方法によれば、タイヤからリムへと伝達される力を、接地部からの押圧力の成分と、接地部以外の部分からの引張力の成分とに分解できる。例えば、タイヤの接地部を位相上180度としてタイヤ1周を360度の位相範囲で評価すると、接地部の直上に対応する180度の近傍ではタイヤは接地面からの押圧力を受けてタイヤからリムへと上方に働く押圧力が伝達される。また、接地部から離れた0度、90度、および270度の近傍では、タイヤからリムに対して上方に働く引張力が伝達される。このようにして、上記方法によって、タイヤからリムへと伝達される力を押圧によるものと引張によるものに分解できる。例えば、接地部における荷重分担率を低減することで、タイヤ全体で荷重を支え、接地部付近のひずみエネルギーの低減による転がり抵抗の低減や、コーナリング時の応答性の向上が見込まれる。
前記リム分割モデルは、前記リムをタイヤ幅方向において内側の前記セグメントと外側の前記セグメントとに分割することによって構成されてもよい。
この方法によれば、内側のセグメントと外側のセグメントのそれぞれにかかる力を確認することで、横力を内側と外側に分解できる。
旋回時に対応する力や変位、回転を付加する解析を実行し、旋回の外側の前記セグメントと、旋回の内側の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価してもよい。
この方法によれば、横力の大きさだけでなく、内側と外側の力の分担率から内側と外側のどちらを改善すべきか確認できる。具体的には、旋回時の内側と外側での横力発生分担率を適正化することで、タイヤの横剛性およびコーナリングフォースを最大化でき、旋回時の応答性を向上でき、さらには摩耗性能を向上させ、偏摩耗を抑制できる。
本発明の第2の態様は、コンピュータにロードされることにより、前記コンピュータに、前記シミュレーション方法を実行させる、プログラムを提供する。
本発明の第3の態様は、タイヤの形状データを複数の要素に分割したタイヤFEMモデルを取得するタイヤモデリング部と、リムの形状データを複数のセグメントに分割したリム分割モデルを取得するリム分割モデリング部と、前記タイヤFEMモデルに対して材料物性値および境界条件を設定するタイヤ解析条件設定部と、前記リム分割モデルに対して境界条件を設定するとともに前記複数のセグメントのそれぞれを剛体として設定するリム解析条件設定部と、前記リム分割モデルにリム組みされた前記タイヤFEMモデルについて力や変位、回転を付加する解析を行い、前記複数のセグメントのそれぞれにかかる力を確認することにより前記タイヤFEMモデルから前記リム分割モデルへの力の伝達分布を解析する解析演算部とを備える、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置を提供する。
前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データを少なくともタイヤ幅方向に複数分割することによって前記リム分割モデルを構成してもよい。
前記リム分割モデリング部は、タイヤ幅方向において、前記タイヤFEMモデルのビード部との接触位置と、中央位置とで前記リムの形状データを分割することにより、前記リム分割モデルを構成してもよい。
前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データをさらにタイヤ周方向に複数分割することによって前記リム分割モデルを構成してもよい。
前記解析演算部は、前記力や変位、回転を付加する解析において、接地荷重が付加された際に、接地部付近の前記セグメントと、それ以外の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価してもよい。
前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データをタイヤ幅方向において内側の前記セグメントと外側の前記セグメントとに分割することによって前記リム分割モデルを構成してもよい。
前記解析演算部は、旋回時に対応する力や変位、回転を付加する解析を実行し、旋回の外側の前記セグメントと、旋回の内側の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価してもよい。
本発明によれば、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法、プログラム、およびシミュレーション装置において、リム分割モデルの各セグメントを剛体として扱うため、解析工数および計算コストを低減してタイヤからリムへと伝達される力の分布を解析できる。
空気入りタイヤ組付体の部分断面図。 本発明の一実施形態に係るシミュレーション装置のブロック図。 解析モデルの側面図。 一実施形態に係るシミュレーション方法を示すフローチャート。 解析結果の一例を示すグラフ。 変形例における空気入りタイヤ組付体の部分断面図。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本実施形態のシミュレーション装置は、自動車等に用いられる空気入りタイヤ組付体(以降、単にタイヤ組付体ともいう。)において、タイヤからリムへと伝達される力の分布を解析するものである。
図1は、タイヤ組付体100の模式的なタイヤ子午線断面図である。タイヤ組付体100は、タイヤ110と、リム120とを備える。
タイヤ110は、一対のビードコア111間にカーカス112を掛け渡し、カーカス112の中間部の外周側に巻き付けたベルト部材113によって補強し、そのタイヤ径方向(図中A方向)の外側にゴム材料からなるトレッド部114を有する構成となっている。トレッド部114のタイヤ幅方向(図中B方向)の両外側にはサイドウォール部115が連続している。サイドウォール部115のタイヤ径方向の内側には、ビード部116が連続している。ビード部116において、タイヤ110はリム120と接続される。
リム120は、図1に示す断面において、タイヤ110の2つのビード部116をそれぞれ配置する2つのフランジ部121と、タイヤ幅方向において2つのフランジ部121の間でタイヤ径方向内側に向かって凹形状を有する中央部122を有している。リム120は、アルミ合金製、マグネシウム合金製、または鋼鉄製などの金属製であり得る。
本実施形態では、タイヤ組付体100の解析においてタイヤ110からリム120へと伝達される力の分布を評価する。以下、当該解析を実行する本実施形態のシミュレーション装置について説明する。
図2を参照して、本実施形態のシミュレーション装置1は、コンピュータであり、入力部10と、表示部20と、記憶部30と、制御部(プロセッサ)40とを備える。
入力部10は、シミュレーション装置1に対する入力データを生成する若しくは受け取る部位であり、例えば、キーボード、マウス、またはタッチパネル等により構成される。ユーザは、入力部10を介して解析に関する種々の条件やデータを入力することができる。
表示部20は、制御部40の処理結果等を表示する部位であり、例えば、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ、またはプラズマディスプレイ等により構成される。
記憶部30は、制御部40で稼働するプログラムや解析のためのモデル生成に必要なデータ等が記録されている。
制御部40は、タイヤモデリング部41と、タイヤ解析条件設定部42と、リム分割モデリング部43と、リム解析条件設定部44と、解析演算部45とを備える。これらは、ハードウェア資源であるプロセッサと、記憶部30などに記録されるソフトウェアであるプログラムとの協働により実現される。
タイヤモデリング部41は、タイヤ110の形状データを複数の要素に分割したタイヤFEM(Finite Element Method)モデル210を取得する(図3参照)。例えば、タイヤモデリング部41は、加硫成形金型(図示せず)の内面形状に対応する外面形状を有するタイヤ110を複数の要素に分割したタイヤFEMモデル210を取得してもよい。
タイヤ解析条件設定部42は、タイヤFEMモデル210に対して材料物性値および境界条件を設定する。ここで設定される条件は、入力部10を介して入力されてもよいし、予め記憶部30に記憶されていてもよい。
リム分割モデリング部43は、リム120の形状データを複数のセグメント221に分割したリム分割モデル220を取得する(図3参照)。本実施形態では、図3に示すように、リム120の形状データをタイヤ周方向(図3中C方向)に均等に30個のセグメント221に分割してリム分割モデル220を構成している。また、図示しないが、リム分割モデル220はタイヤ幅方向には中心線CL(図1参照)で分割されている。即ち、本実施形態では、リム120の形状データは、60個のセグメント221に分割されている。
リム解析条件設定部44は、リム分割モデル220に対して境界条件を設定するとともに全てのセグメント221をそれぞれ剛体として設定する。リム分割モデル220は剛体として定義されるため、材料物性値は設定されない。ここでの設定される条件は、入力部10を介して入力されてもよいし、予め記憶部30に記憶されていてもよい。
解析演算部45は、リム分割モデル220に組み付けられたタイヤFEMモデル210について力や変位、回転を付加する解析を実行する。具体的には、リム分割モデル220に組み付けられたタイヤFEMモデル210について所定内圧および所定荷重をかけて路面G(図3参照)に接地させるように解析を実行する。解析によって得られた結果は、表示部20に表示される。よって、リム分割モデル220の複数のセグメント221のそれぞれにかかる力を確認することにより、タイヤFEMモデル210(タイヤ110)からリム分割モデル220(リム120)への力の伝達分布を評価することができる。
本実施形態のシミュレーション装置1で実行するシミュレーション方法ないしプログラムについて、図4のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態のシミュレーション方法を開始すると(ステップS4-1)、タイヤモデリング部41によって、タイヤFEMモデル210(図3参照)が取得される(ステップS4-2)。このタイヤFEMモデル210は、前述のように例えば加硫成形金型(図示せず)の内面形状に対応する外面形状を有するタイヤ110を複数の要素に分割したものである。加硫成形金型の内面形状に対応する外面形状を有するタイヤ110の形状データは、入力部10を介して入力されてもよいし、予め記憶部30に記憶されていてもよい。
また、リム分割モデリング部43によって、複数のセグメント221からなるリム分割モデル220(図3参照)が取得される(ステップS4-3)。このリム分割モデル220は、例えばリム120の形状データを前述のように60分割したものである。リム120の形状データは、入力部10を介して入力されてもよいし、予め記憶部30に記憶されていてもよい。
次いで、タイヤ解析条件設定部42によって、タイヤFEMモデル210に対して材料物性値および境界条件が設定される(ステップS4-4)。また同様に、リム解析条件設定部44によって、リム分割モデル220に対して境界条件が設定されるとともに複数のセグメント221がそれぞれ剛体として設定される(ステップS4-5)。
次いで、解析演算部45によって、解析が実行される(ステップS4-6)。解析の結果は、表示部20に出力され(ステップS4-7)、解析を終了する(ステップS4-8)。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
タイヤ110からリム120へと伝達される力の分布を簡易に評価できる。特に、リム分割モデル220の各セグメント221は剛体として設定されるため、材料物性値を設定する必要もなく、解析工数および計算コストが著しく大きくなることはない。従って、タイヤ110とリム120を含めた完全な解析モデルを作成して解析する場合に比べて解析工数および計算コストを低減してタイヤ110からリム120へと伝達される力の分布を解析できる。なお、リム分割モデル220は剛体として定義されるため、各セグメント221にかかる力を全て足し合わせるとタイヤ軸力となる。
また、リム分割モデル220では、タイヤ周方向に分割されたセグメント221が設けられているため、タイヤ110からリム120へと伝達される力のタイヤ周方向における分布を評価できる。例えば、タイヤ110からリム120へと伝達される力を、接地部からの押圧力の成分と、接地部以外の部分からの引張力の成分とに分解できる。
図3を参照して、タイヤの接地部を位相上180度としてタイヤ1周を360度の位相範囲で評価した解析結果を図5に示す。図5のグラフでは、横軸がタイヤの周上角度を示し、縦軸が各セグメント221の分担荷重を示している。0度ではタイヤ110からリム120へと上方に働く引張力が伝達され、180度ではタイヤ110からリム120へと上方に働く押圧力が伝達される。また、接地部から離れた90度および270度の近傍では、タイヤ110からリム120に対して引張力が伝達される。このようにして、タイヤ110からリム120へと伝達される力を押圧によるものと引張によるものに分解でき、様々な設計に役立てることができる。
また、リム分割モデル220では、タイヤ幅方向に分割されたセグメント221も設けられているため、タイヤ110からリム120へと伝達される横力(タイヤ幅方向にかかる力)のタイヤ幅方向分布を評価できる。例えば、タイヤ幅方向の内側のセグメント221と外側のセグメント221のそれぞれにかかる力を確認することで、横力を内側と外側に分解できる。
また、解析の条件として旋回時に対応する条件を設定してもよい。これにより、横力の大きさだけでなく、旋回の内側のセグメント221と外側のセグメント221の力の分担率から内側部分と外側部分のどちらを改善すべきかを確認できる。具体的には、旋回時の内側と外側での横力発生分担率を適正化することで、タイヤ組付体100の横剛性およびコーナリングフォースを最大化でき、旋回時の応答性を向上でき、さらには摩耗性能を向上させ、偏摩耗を抑制できる。
(変形例)
図6は、図1に対応する変形例におけるタイヤ組付体100の部分的な断面図である。ただし、図6においては、断面であることを示すハッチングを省略し、リム120(図1参照)が複数のセグメント221に分割されたリム分割モデル220として示されている。
本変形例では、リム120を、タイヤ周方向において均等に30分割するとともに、タイヤ幅方向において、タイヤFEMモデル210のビードヒールに対応する位置と、中央の位置とで分割している。図6において、リム120をタイヤ周方向に均等に30分割するラインをDL1として示し、タイヤFEMモデル210のビードヒールに対応する位置で分割するラインをDL2として示し、中央の位置で分割するラインをDL3として示している。特に、ラインDL2は、タイヤ幅方向においてタイヤFEMモデル210と接触するリムのフランジ部に対応するセグメント221aと、タイヤ径方向においてタイヤFEMモデル210と接触するリムの中央部に対応するセグメント221bとにリムを分割している。当該分割は、リム分割モデリング部43によって行われてもよい。
本変形例によれば、タイヤ110からリム120へと伝達される横力を、タイヤのビード部からの押圧力F1,F4と摩擦力F2,F3とに分解して評価できる。詳細には、タイヤ組付体100では、タイヤ幅方向おいてビードコア111の外側にリム120のフランジ部121が配置される。そのため、上記分割により、タイヤ110のビード部116がリム120のフランジ部121をタイヤ幅方向外側へ押面する力F1,F4と、それ以外のせん断による摩擦力F2,F3とに分解して評価できる。
以上より、本発明の具体的な実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
1 シミュレーション装置
10 入力部
20 表示部
30 記憶部
40 制御部(プロセッサ)
41 タイヤモデリング部
42 タイヤ解析条件設定部
43 リム分割モデリング部
44 リム解析条件設定部
45 解析演算部
100 空気入りタイヤ組付体(タイヤ組付体)
110 タイヤ
111 ビードコア
112 カーカス
113 ベルト部材
114 トレッド部
115 サイドウォール部
116 ビード部
120 リム
121 フランジ部
122 中央部
210 タイヤFEMモデル
220 リム分割モデル
221,221a,221b セグメント

Claims (15)

  1. タイヤの形状データを複数の要素に分割したタイヤFEMモデルを取得し、
    リムの形状データを複数のセグメントに分割したリム分割モデルを取得し、
    前記タイヤFEMモデルに対して材料物性値および境界条件を設定し、
    前記リム分割モデルに対して境界条件を設定するとともに前記複数のセグメントのそれぞれを剛体として設定し、
    前記リム分割モデルに組み付けられた前記タイヤFEMモデルについて力や変位、回転を付加する解析を行い、前記複数のセグメントのそれぞれにかかる力を確認することにより前記タイヤFEMモデルから前記リム分割モデルへの力の伝達分布を解析する
    ことを含む、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  2. 前記リム分割モデルは、前記リムの形状データが少なくともタイヤ幅方向に複数分割されることによって構成されている、請求項1に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  3. 前記リム分割モデルは、タイヤ幅方向において、前記タイヤFEMモデルのビードヒールに対応する位置と、中央の位置とで分割されている、請求項2に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  4. 前記リム分割モデルは、前記リムの形状データがさらにタイヤ周方向に複数分割されることによって構成されている、請求項2または請求項3に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  5. 前記力や変位、回転を付加する解析において、接地荷重が付加された際に、接地部付近の前記セグメントと、それ以外の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価する、請求項4に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  6. 前記リム分割モデルは、前記リムをタイヤ幅方向において内側の前記セグメントと外側の前記セグメントとに分割することによって構成されている、請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  7. 旋回時に対応する力や変位、回転を付加する解析を実行し、旋回の外側の前記セグメントと、旋回の内側の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価する、請求項6に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法。
  8. コンピュータにロードされることにより、前記コンピュータに、請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション方法を実行させる、プログラム。
  9. タイヤの形状データを複数の要素に分割したタイヤFEMモデルを取得するタイヤモデリング部と、
    リムの形状データを複数のセグメントに分割したリム分割モデルを取得するリム分割モデリング部と、
    前記タイヤFEMモデルに対して材料物性値および境界条件を設定するタイヤ解析条件設定部と、
    前記リム分割モデルに対して境界条件を設定するとともに前記複数のセグメントのそれぞれを剛体として設定するリム解析条件設定部と、
    前記リム分割モデルにリム組みされた前記タイヤFEMモデルについて力や変位、回転を付加する解析を行い、前記複数のセグメントのそれぞれにかかる力を確認することにより前記タイヤFEMモデルから前記リム分割モデルへの力の伝達分布を解析する解析演算部と
    を備える、空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  10. 前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データを少なくともタイヤ幅方向に複数分割することによって前記リム分割モデルを構成する、請求項9に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  11. 前記リム分割モデリング部は、タイヤ幅方向において、前記タイヤFEMモデルのビードヒールに対応する位置と、中央の位置とで前記リムの形状データを分割することにより、前記リム分割モデルを構成する、請求項10に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  12. 前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データをさらにタイヤ周方向に複数分割することによって前記リム分割モデルを構成する、請求項10または請求項11に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  13. 前記解析演算部は、前記力や変位、回転を付加する解析において、接地荷重が付加された際に、接地部付近の前記セグメントと、それ以外の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価する、請求項12に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  14. 前記リム分割モデリング部は、前記リムの形状データをタイヤ幅方向において内側の前記セグメントと外側の前記セグメントとに分割することによって前記リム分割モデルを構成する、請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
  15. 前記解析演算部は、旋回時に対応する力や変位、回転を付加する解析を実行し、旋回の外側の前記セグメントと、旋回の内側の前記セグメントとに分けて力の伝達分布の比率を評価する、請求項14に記載の空気入りタイヤ組付体のシミュレーション装置。
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