JP5584004B2 - タイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測装置 - Google Patents

Description

本発明は、タイヤに関する性能を予測するタイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測装置に関する。

空気入りタイヤの開発において、有限要素法（ＦＥＭ）などのシミュレーション手法や、コンピュータ性能の向上により、空気入りタイヤを製造し、自動車に装着して走行試験を行わなくても、新たに設計した空気入りタイヤの性能の予測・評価が可能になってきている（特許文献１参照）。

有限要素法などのシミュレーション手法では、空気入りタイヤを複数の要素でモデル化したタイヤモデルを作成し、路面をモデル化した路面モデル上でタイヤモデルを転動させる転動解析等の解析計算によって、タイヤモデルの各要素に生じる物理量が計算される。

特許文献１に記載の技術では、タイヤのトレッド部の性能を高精度に予測する他ために、微少な凹凸を有する路面モデルを設定し、トレッド部を構成する各要素の挙動を解析可能としている。

特開２００６−１９９２１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、トレッド部の性能を予測できるものの、タイヤ内部の骨格部材（カーカスプライやベルト等）の性能を予測することは困難である。特に、骨格部材の耐久性能は、タイヤ全体の耐久性能を決定づける一つの要因であるため、骨格部材の耐久性能を予測する技術の確立が望まれている。

そこで、本発明は、タイヤ内部の骨格部材の耐久性能を予測できるタイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有している。まず、本発明の第１の特徴は、骨格部材（カーカスプライ１１、ベルト１２）及びトレッド部（トレッド部１３）を有する空気入りタイヤ（空気入りタイヤ１０）を複数の要素に分割したタイヤモデル（タイヤモデル１００）を設定するタイヤモデル設定ステップ（ステップＳ１）と、路面にある突起物を模した構造体であって前記空気入りタイヤを構成するゴム部材よりも剛性が高い構造体をモデル化した突起物モデル（突起物モデル２００）を設定する突起物モデル設定ステップ（ステップＳ２）と、前記タイヤモデルの変形解析を行う際の境界条件を設定する境界条件設定ステップ（ステップＳ３）と、前記境界条件設定ステップで設定された境界条件に従って前記タイヤモデル及び前記突起物モデルを用いた変形解析を行うことによって、前記タイヤモデルにおいて前記骨格部材と対応する各要素に生じる物理量を計算する変形解析ステップ（ステップＳ４）とを有し、前記突起物モデル設定ステップでは、前記タイヤモデルに対する前記突起物モデルの射影面積（射影面積Ａ）が、前記タイヤモデルのトレッド幅（トレッド幅Ｗ）の１／２の長さを直径とする円（円Ｃ１）の面積よりも小さく、且つ、前記トレッド幅の１／２０の長さを直径とする円（円Ｃ２）の面積よりも大きくなるように前記突起物モデルを設定し、前記境界条件設定ステップでは、前記突起物モデルを前記タイヤモデルに押し込むように境界条件を設定することを要旨とする。

このような特徴によれば、空気入りタイヤを構成するゴム部材よりも剛性が高い構造体をモデル化した突起物モデルを設定する。そして、タイヤモデルに対する突起物モデルの射影面積がタイヤモデルのトレッド幅の１／２の長さを直径とする円の面積よりも小さく設定されるため、突起物モデルがタイヤモデルに押し込むように変形解析を行う際に、突起物モデルがタイヤモデルに貫入していく挙動を解析できるとともに、骨格部材と対応する各要素を変形させることができる。ただし、骨格部材の評価に当たり、突起物モデルがタイヤモデルを裂いて貫入していくようなケースは除外することが好ましい。このため、タイヤモデルに対する突起物モデルの射影面積がタイヤモデルのトレッド幅の１／２０の長さを直径とする円の面積よりも大きく設定することによって、タイヤの骨格部材に重要な変形を与えるに十分大きい突起物モデルとすることができる。従って、第１の特徴によれば、タイヤ内部の骨格部材の耐久性能を予測できるタイヤ性能予測方法が提供される。

本発明の第２の特徴は、本発明の第１の特徴に係り、前記タイヤモデル設定ステップでは、前記タイヤモデルにおいて前記突起物モデルが接する表面部分（表面部分１０１）近傍の各要素を前記表面部分以外の各要素よりも小さくした前記タイヤモデルを設定することを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、本発明の第２の特徴に係り、前記表面部分近傍の各要素は、実寸に換算した場合に、１辺の長さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、本発明の第１〜第３の何れかの特徴に係り、前記タイヤモデル設定ステップでは、タイヤ新品時と比較して前記トレッド部のゴム部材を薄くした前記タイヤモデルを設定することを要旨とする。

本発明の第５の特徴は、本発明の第１〜第４の何れかの特徴に係り、前記突起物モデルは、前記タイヤモデルと接する部分であって、且つ前記タイヤモデルに向かって湾曲する接触部分（接触部分２０１）を含むことを要旨とする。

本発明の第６の特徴は、本発明の第１〜第５の何れかに記載のタイヤ性能予測方法を実行するタイヤ性能予測装置であることを要旨とする。

本発明によれば、タイヤ内部の骨格部材の耐久性能を予測できるタイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測装置を提供できる。

第１実施形態〜第３実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するためのタイヤ性能予測装置としてのコンピュータを示す概略図である。 第１実施形態に係るタイヤモデル作成方法においてモデル化の対象となる空気入りタイヤの一部切り欠き斜視図である。 第１実施形態に係るタイヤモデル及び突起物モデルの斜視図である。 第１実施形態に係るタイヤモデル及び突起物モデルの正面図である。 第１実施形態に係る突起物モデルの大きさを説明するための図である。 第１実施形態〜第３実施形態に係るタイヤ性能予測方法を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態に係るタイヤモデル及び突起物モデルの斜視図である。 第２実施形態に係るタイヤモデルの他の構成例を説明するための斜視図である。 図８に示すタイヤモデルの変形解析時の変形状態を示す図である。 図７に示すタイヤモデル及び図８に示すタイヤモデルのそれぞれを用いて骨格部材の耐久性能予測を行った結果を示す図である。 図１１（ａ）は、新品タイヤをモデル化したタイヤモデルの変形状態を示す図であり、図１１（ｂ）は、新品タイヤよりもトレッド部のゴム部材を薄くしたものをモデル化したタイヤモデルの変形状態を示す図である。 図１１（ａ）に示すタイヤモデル及び図１１（ｂ）に示すタイヤモデルのそれぞれを用いて骨格部材の耐久性能予測を行った結果を示す図である。

図面を参照して、本発明の第１実施形態〜第３実施形態を説明する。以下の各実施形態における図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

［タイヤ性能予測装置］
先ず、第１実施形態〜第３実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するためのタイヤ性能予測装置について説明する。図１は、当該タイヤ性能予測装置としてのコンピュータ３００を示す概略図である。

図１に示すように、コンピュータ３００は、半導体メモリやハードディスク等の記憶部（不図示）、ＣＰＵ等の処理部（不図示）を有する本体部３１０と、キーボードやマウス等の入力部３２０と、液晶モニタ等の表示部３３０とを備える。

コンピュータ３００は、第１実施形態〜第３実施形態に係るタイヤ性能予測方法を実行するためのタイヤ性能予測プログラムを実行する。例えば、コンピュータ３００は、タイヤ性能予測プログラムを記録した外部記憶媒体からタイヤ性能予測プログラムを読み出して実行してもよい。あるいは、コンピュータ３００の記憶部に格納（インストール）されたタイヤ性能予測プログラムを読み出して実行してもよい。コンピュータ３００は、ネットワークを介してタイヤ性能予測プログラムを取得して実行してもよい。

［第１実施形態］
以下において、本実施形態に係るタイヤ性能予測方法について、（１）タイヤモデル及び突起物モデル、（２）タイヤ性能予測方法の順に説明する。

（１）タイヤモデル及び突起物モデル
図２は、本実施形態に係るタイヤモデル作成方法においてモデル化の対象となる空気入りタイヤ１０の一部切り欠き斜視図である。

図２に示すように、空気入りタイヤ１０は、カーカスプライ１１、ベルト１２、トレッド部１３、サイド部１４、及びビードワイヤ１５を有する。

カーカスプライ１１は空気入りタイヤ１０の骨格をなす部分であり、ビードワイヤ１５で折り返されている。本実施形態では１枚のカーカスプライ１１が設けられるが、２枚以上であってもよい。ベルト１２は、カーカスプライ１１のタイヤ径方向Ｄ１外側に設けられる。本実施形態では１層のベルト１２が設けられるが、２層以上であってもよい。本実施形態において、カーカスプライ１１及びベルト１２は、骨格部材に相当する。

トレッド部１３は、ベルト１２よりもタイヤ径方向Ｄ１外側に設けられており、路面と接する部分である。サイド部１４は、カーカスプライ１１よりも外側であってベルト１２ベルトが存在しない位置と対応して設けられる。サイド部１４は、カーカスプライ１１のトレッド幅方向Ｄ２外側に設けられる。

次に、第１実施形態に係るタイヤモデル及び突起物モデルについて説明する。

タイヤモデルは、有限要素法に従った要素分割（メッシュ分割）によって、空気入りタイヤ１０を複数の要素の集合体としてモデル化したものであり、コンピュータ３００が数値解析可能なものである。第１実施形態では、各要素は、六面体、五面体もしくは四面体の形状である。

タイヤモデルは、トレッド部１３やサイド部１４などのゴム部材とビードワイヤ１５とをソリッド要素でモデル化し、ベルト１２やカーカスプライ１１等の骨格部材はシェル要素でモデル化されている。なお、ベルト１２やカーカスプライ１１等の骨格部材を膜要素又はリバー要素でモデル化することも可能である。ビードワイヤ１５は、複数本のスチールコード全体を含むソリッド要素でモデル化されているが、各スチールコードを個別にソリッド要素、リバー要素、又はビーム要素でモデル化することも可能である。

突起物モデルは、路面にある突起物を模した構造体をモデル化したものである。タイヤが突起を踏んだ時に問題となるタイヤ内部の骨格部材の耐久性能を予測する場合、突起物がゴムに貫入していく様子を正確に予測する必要がある。ここでいう突起物とは、路面の粗さを示すような突起ではなく、石などの明らかに路面の粗さより大きい突起物を意味している。また、一般的な舗装道路などに見られる縁石でもなく、タイヤがその突起を踏んだ際に、タイヤの周及び幅の両方向に包み込むような突起物を示している。さらに、ここで対象としている突起物は、タイヤが突起物を踏んだ時に、ゴムを裂いて貫入していくような突起を対象とはせずに、ゴムを押しのけながらタイヤの骨格部材に影響を与えるような突起を意味している。上記突起物は、ゴムの変形だけではなく、タイヤの骨格部材に重要な変形を与えるに十分大きい突起を対象とする。

図３は、タイヤモデル１００及び突起物モデル２００Ａの斜視図である。図４は、タイヤモデル１００及び突起物モデル２００Ａの正面図である。

図３及び図４に示すように、タイヤモデル１００は、複数の要素によって構成されている。タイヤモデル１００のタイヤ周方向分割数は４４分割以上が好ましい。第１実施形態に係るタイヤモデル１００は、変形解析時に突起物モデル２００Ａと接する部分付近の分割角度が小さい不等分割モデルである。なお、タイヤモデル１００において突起物モデル２００Ａとの接触部付近の周方向分割の角度は２．５度以下とすることができる。

ただし、このような不等分割モデルに限らず、タイヤ全周の分割角度が等しい等分割モデルとしてもよい。図４に示すように、第１実施形態に係るタイヤモデル１００は、トレッドパターンがモデル化されていない。しかしながら、計算精度を向上させるために、トレッドパターンをモデル化しても良い。

第１実施形態に係る突起物モデル２００Ａは、ある程度の長さを有しており、その両端部が円弧状の形状を有する。変形解析時には、突起物モデル２００Ａは、突起物モデル２００Ａの長手方向がタイヤ径方向に沿う状態で、突起物モデル２００Ａがタイヤモデル１００に押し込まれる。突起物モデル２００Ａは、空気入りタイヤ１０を構成するゴム部材よりも剛性が高い構造体としてモデル化されている。

突起物モデル２００Ａは、変形解析時にタイヤモデル１００と接する部分であって、且つタイヤモデル１００に向かって湾曲する接触部分２０１を含む。ゴムを傷つけることなく、ゴムの緩衝帯を通してタイヤの骨格部材に変形を与えることが必要である。したがって、突起形状は鋭利なタイプではなく、滑らかでなければならない。そうしなければ、ゴム表面近傍で大きな変形を局所的に生じさせ、非常に非効率になる。なお、接触部分２０１は、複数の曲率を連続させて滑らかな曲面を持つ形状としてもよい。

次に、突起物モデル２００Ａの大きさについて説明する。突起物モデル２００Ａの大きさを、タイヤモデル１００においてトレッド部１３と対応する部分の射影面積で規定する。図５は、突起物モデル２００Ａの大きさを説明するための図である。

図５に示すように、タイヤモデル１００に対する突起物モデル２００Ａの射影面積Ａは、タイヤモデル１００のトレッド幅Ｗの１／２の長さを直径とする円Ｃ１の面積よりも小さい。また、タイヤモデル１００に対する突起物モデル２００Ａの射影面積Ａは、タイヤモデル１００のトレッド幅Ｗの１／２０の長さを直径とする円Ｃ２の面積よりも大きい。これは、射影面積がタイヤトレッド幅の1／２の直径の円内に収まらないような突起の場合は、タイヤの周及び幅の両方向から包み込むような変形とはならず、射影面積がタイヤトレッド幅の1／２０の直径の円内に納まるような小さな突起の場合は、骨格部材に大きな影響を与えるような突起にならないからである。

（２）タイヤ性能予測方法
図６は、本実施形態に係るタイヤ性能予測方法を説明するためのフローチャートである。

図６に示すように、ステップＳ１においてコンピュータ３００は、上述したタイヤモデル１００を設定する。コンピュータ３００は、例えば、設計図面から採取したデータに基づいてタイヤモデル１００を作成する。或いは、空気入りタイヤ１０の外形をレーザー形状測定器等で計測して採取したデータに基づいてタイヤモデル１００を作成する。

ステップＳ２において、コンピュータ３００は、上述した突起物モデル２００Ａを設定する。突起物モデル２００Ａは、ステップＳ１で設定されたタイヤモデル１００に合わせて大きさが設定される。

ステップＳ３において、コンピュータ３００は、境界条件を設定する。境界条件とは、タイヤモデル１００の挙動をシミュレートする上でタイヤモデル１００に与える各種条件である。例えば、タイヤモデル１００に与える内圧や負荷荷重を設定する。第１実施形態では、境界条件として、タイヤモデル１００に突起物モデル２００Ａを相対的に近接、接触させ、タイヤモデル１００に突起物モデル２００Ａを押し込むような荷重条件を設定する。

ステップＳ４において、コンピュータ３００は、ステップＳ３で設定された境界条件に従って変形解析を行う。コンピュータ３００は、タイヤモデル１００に突起物モデル２００Ａを十分に押し込み、タイヤ骨格部材と対応する要素が十分に変形したところにおいて、骨格部材と対応する要素のコード方向歪、応力、又は張力の少なくとも１つを計算する。

ステップＳ５において、コンピュータ３００は、ステップＳ４で計算したコード方向歪や、応力、張力を出力する。これらの計算結果から、タイヤ骨格部材の耐久性能を求めることができる。

このように、第１実施形態に係るタイヤ性能予測方法は、タイヤが突起を踏んだ時のタイヤ骨格部材のコード方向歪もしくは応力もしくは張力に着目して、骨格部材の耐久性能を効率よく予測できる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、第１実施形態との相違点を説明する。

図７は、第２実施形態に係るタイヤモデル１００Ａ及び突起物モデル２００Ｂの斜視図である。

図７に示すように、第２実施形態に係る突起物モデル２００Ｂは、円状に構成されている。突起物モデル２００Ｂは、変形解析時にタイヤモデル１００Ａと接する部分であって、且つタイヤモデル１００Ａに向かって湾曲する２０１を含む。突起物モデル２００Ｂの大きさは、第１実施形態と同様にして定められている。すなわち、タイヤモデル１００Ａに対する突起物モデル２００Ｂの射影面積は、タイヤモデル１００Ａのトレッド幅Ｗの１／２の長さを直径とする円の面積よりも小さい。また、タイヤモデル１００Ａに対する突起物モデル２００Ｂの射影面積は、タイヤモデル１００Ａのトレッド幅Ｗの１／２０の長さを直径とする円の面積よりも大きい。

タイヤモデル１００Ａにおいては、突起物モデル２００Ｂが接する表面部分１０１近傍の各要素を表面部分１０１以外の各要素よりも小さくしている。さらに、突起物モデル２００Ｂが接する表面部分１０１よりもトレッド幅方向外側の各要素も表面部分１０１と同様に小さくしている。

図８は、他の構成例に係るタイヤモデル１００Ｂを説明するための斜視図である。

図８に示すように、タイヤモデル１００Ｂは、表面部分１０１のみ各要素を小さくしている。

図９は、タイヤモデル１００Ｂの変形解析時の変形状態を示す図である。

図９に示すように、突起物モデル２００Ｂと接触する表面部分１０１は大きな変形を受けるため、表面部分１０１のタイヤ径方向内側の要素と比較して細かい方が、解析精度が高い。しかしながら、全ての要素を細かくすると計算時間が非常に長くなるために、効率的に表面部分１０１近傍の要素を細かくする方が良い。

図１０は、図７に示したタイヤモデル１００Ａ、及び図８に示したタイヤモデル１００Ｂのそれぞれを用いて骨格部材の耐久性能予測を行った結果を示す図である。図１０において、タイヤモデル１００Ａの結果は「メッシュ１」、タイヤモデル１００Ｂの結果は「メッシュ２」として示している。入力エネルギとして、突起の反力と押し込み量をかけたものを横軸に、コード方向の歪を縦軸にとり、評価を行った。

図１０に示すように、タイヤモデル１００Ａは、突起物モデル２００Ｂと接する表面部分１０１以外の部分の要素も小さくしているため、入力エネルギが一定以上で計算が収束しなくなり、計算がストップしている。一方、タイヤモデル１００Ｂは、入力エネルギが大きくなっても良好に計算が行われる。

このような評価により、計算時間と変形の様子から、表面部分１０１近傍の要素の大きさは、１辺が0.1mm以上5mm以下（実寸換算）が効率が良い。

［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態においては、第１実施形態との相違点を説明する。

第３実施形態では、タイヤ新品時と比較してトレッド部のゴム部材を薄くしたタイヤモデルを設定する。図１１（ａ）は、新品タイヤをモデル化したタイヤモデル１００Ｃの変形状態を示し、図１１（ｂ）は、新品タイヤよりもトレッド部のゴム部材を薄くしたものをモデル化したタイヤモデル１００Ｄの変形状態を示す。

図１１（ａ）に示すように、タイヤは新品時はトレッドゲージが十分に存在し、この状況で突起物モデルを押し込んでいっても、緩衝帯としてゴムが存在するため、骨格部材に十分な変形を与えることが出来ない場合がある。これは、数値計算の場合、ゴムなどが非常に大きな変形を受けると収束性が悪くなり、計算が出来なくなるためである。

図１１（ｂ）に示すように、新品タイヤよりもトレッド部のゴム部材を薄くしたタイヤモデル１００Ｄでは、骨格部材に十分な変形を与えることが出来ている。

図１２は、タイヤモデル１００Ｃ及びタイヤモデル１００Ｄのそれぞれを用いて骨格部材の耐久性能予測を行った結果を示す図である。図１２において、タイヤモデル１００Ｃの結果は「新品モデル」、タイヤモデル１００Ｄの結果は「摩耗モデル」として示している。入力エネルギとして、突起の反力と押し込み量をかけたものを横軸に、コード方向の歪を縦軸にとり、評価を行った。図１２に示すように、タイヤモデル１００Ｄについては、コード方向の歪が良好に予測できていることがわかる。

１０…タイヤ、１１…カーカスプライ、１２…ベルト、１３…トレッド部、１４…サイド部、１５…ビードワイヤ、１００，１００Ａ〜１００Ｄ…タイヤモデル、１０１…表面部分、２００，２００Ｂ…突起物モデル、２０１…接触部分、３００…コンピュータ、３１０…本体部、３２０…入力部、３３０…表示部

Claims (4)

1. カーカスプライ、ベルト及びトレッド部を有する空気入りタイヤを複数の要素に分割したタイヤモデルを設定するタイヤモデル設定ステップと、
   路面にある突起物を模した構造体であって前記空気入りタイヤを構成するゴム部材よりも剛性が高い構造体をモデル化した突起物モデルを設定する突起物モデル設定ステップと、
   前記タイヤモデルの変形解析を行う際の境界条件を設定する境界条件設定ステップと、
   前記境界条件設定ステップで設定された境界条件に従って前記タイヤモデル及び前記突起物モデルを用いた変形解析を行うことによって、前記タイヤモデルにおいて前記カーカスプライ及び前記ベルトと対応する各要素に生じる物理量を計算する変形解析ステップとを有し、
   前記突起物モデル設定ステップでは、前記タイヤモデルに対する前記突起物モデルの射影面積が、前記タイヤモデルのトレッド幅の１／２の長さを直径とする円の面積よりも小さく、且つ、前記トレッド幅の１／２０の長さを直径とする円の面積よりも大きくなるように前記突起物モデルを設定し、
   前記境界条件設定ステップでは、前記突起物モデルを前記タイヤモデルに押し込むように境界条件を設定し、
   前記タイヤモデル設定ステップでは、前記タイヤモデルにおいて前記突起物モデルが接する表面部分近傍の各要素を前記表面部分以外の各要素よりも小さくした前記タイヤモデルを設定し、
   前記タイヤモデル設定ステップでは、タイヤ新品時と比較して前記トレッド部のゴム部材を薄くした前記タイヤモデルを設定することを特徴とするタイヤ性能予測方法。
2. 前記表面部分近傍の各要素は、実寸に換算した場合に、１辺の長さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のタイヤ性能予測方法。
3. 前記突起物モデルは、前記タイヤモデルと接する部分であって、且つ前記タイヤモデルに向かって湾曲する接触部分を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタイヤ性能予測方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のタイヤ性能予測方法を実行することを特徴とするタイヤ性能予測装置。

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