JP5539058B2 - タイヤ性能シミュレーション方法及びタイヤ性能シミュレーションプログラム - Google Patents

Description

本発明は、タイヤ性能シミュレーション方法及びタイヤ性能シミュレーションプログラムに係り、より詳しくは、有限要素法等の数値解析法によりタイヤの性能を解析するためのタイヤ性能シミュレーション方法及びタイヤ性能シミュレーションプログラムに関する。

従来、タイヤ開発において、トレッド部を除いたタイヤ本体の断面形状及び構造と、トレッド部のトレッドパターンとの様々な組み合わせについてタイヤ性能を評価しようとした場合、トレッドパターン数分の金型を作成する必要があり、工数が膨大となり現実的ではない。

また、トレッドパターンの無いスムースタイヤにトレッドパターンを手彫りしてトレッドパターンの異なるタイヤを作製する方法もあるが、タイヤの断面形状及び構造を変更してタイヤ性能を評価しようとすると、タイヤの断面形状や構造が異なるスムースタイヤを用意してトレッドパターンを手彫りしなければならず、やはり工数が膨大となって現実的ではない。

近年では、タイヤの性能をシミュレーションする方法として、評価しようとするタイヤを有限個の多数の要素に分割したタイヤ有限要素モデルで近似するとともに、各有限要素に密度や弾性率などの特性を与え、上記モデルに内圧、荷重などの境界条件を与えて上記各要素の変形状態を計算してタイヤの変形や転がり抵抗などのタイヤの動特性を数値解析する有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ）が多く用いられている。

例えば、特許文献１には、トレッドパターン付きのタイヤモデルに対して転動計算を実行することにより、タイヤ性能を予測する方法が記載されている。

特開２００６−９６２６０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法は、比較的短時間で異なるトレッドパターンを用いた場合のタイヤ性能の評価を得ることができるが、基本的に単一のタイヤ本体と、複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによる複数種類のタイヤモデルについてのタイヤ性能について評価することを想定しており、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤモデルのタイヤ性能について評価することができない、という問題があった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤモデルのタイヤ性能について評価することができるタイヤ性能シミュレーション方法及びタイヤ性能シミュレーションプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のタイヤ性能シミュレーション方法は、コンピュータが、（ａ）タイヤのタイヤ本体を複数の要素に要素分割したタイヤ本体モデルを複数種類作成するステップ、（ｂ）前記タイヤのトレッドパターンを複数の要素に要素分割したトレッドパターンモデルを複数種類作成するステップ、（ｃ）前記タイヤ本体モデルの接地形状に合わせて前記トレッドパターンモデルを変形させてから、前記タイヤ本体モデルと前記トレッドパターンモデルとを合成したタイヤモデルを作成するステップ、（ｄ）前記タイヤモデルの変形計算を実行するステップ、（ｅ）前記タイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤ性能を予測するステップ、（ｆ）複数種類の前記タイヤ本体モデルと複数種類のトレッドパターンモデルとの組み合わせの各々について、前記ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップ、を含む処理を実行する。

この発明によれば、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤモデルのタイヤ性能について評価することができる。

また、請求項２に記載したように、前記タイヤ性能は、耐摩耗性能、騒音性能、及びハイドロプレーニング性能の少なくとも一つを含むことができる。

請求項３記載の発明のタイヤ性能シミュレーションプログラムは、（ａ）タイヤのタイヤ本体を複数の要素に要素分割したタイヤ本体モデルを複数種類作成するステップ、（ｂ）前記タイヤのトレッドパターンを複数の要素に要素分割したトレッドパターンモデルを複数種類作成するステップ、（ｃ）前記タイヤ本体モデルの接地形状に合わせて前記トレッドパターンモデルを変形させてから、前記タイヤ本体モデルと前記トレッドパターンモデルとを合成したタイヤモデルを作成するステップ、（ｄ）前記タイヤモデルの変形計算を実行するステップ、（ｅ）前記タイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤ性能を予測するステップ、（ｆ）複数種類の前記タイヤ本体モデルと複数種類のトレッドパターンモデルとの組み合わせの各々について、前記ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップ、を含む処理をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

この発明によれば、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤモデルのタイヤ性能について評価することができる。

本発明によれば、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤモデルのタイヤ性能について評価することができる、という効果を有する。

タイヤの性能予測を実施するためのパーソナルコンピュータの概略図である。 コンピュータ本体の概略ブロック図である。 タイヤ性能シミュレーションプログラムのフローチャートである。 トレッドパターンの一例を示す図である。 タイヤ本体モデルの接地形状の一例を示す図である。 トレッドパターンの一例を示す図である。 タイヤ本体モデルの一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には一例として空気入りタイヤのタイヤモデルの作成や性能予測を実施するためのタイヤ性能シミュレーション装置としてのパーソナルコンピュータの概略が示されている。このパーソナルコンピュータは、データ等を入力するためのキーボード１０、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの３次元モデルを作成したり性能を予測したりするコンピュータ本体１２、コンピュータ本体１２による演算結果や各種画面等を表示するディスプレイ１４、及びディスプレイ１４に表示されたカーソルを所望の位置に移動させたり、カーソル位置のメニュー項目やオブジェクト等を選択したり選択解除したりドラッグしたりする操作を行うためのマウス１６を含んで構成されている。

コンピュータ本体１２は、図２に示すように、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１２Ａ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｂ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１２Ｃ、不揮発性メモリ１２Ｄ、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏ）１２Ｅがバス１２Ｆを介して各々接続された構成となっている。

Ｉ／Ｏ１２Ｅには、キーボード１０、ディスプレイ１４、マウス１６、ハードディスク１８、及び記録媒体としてのＣＤ−ＲＯＭ２０が挿抜可能なＣＤ−ＲＯＭドライブ２２が接続されている。

ハードディスク１８には、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラムや、これらの実行に必要な各種パラメータやデータ等が記憶されている。ＣＰＵ１２Ａは、ハードディスク１８に記憶されたタイヤ性能シミュレーションプログラムを読み込んで実行する。

なお、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラム等は、例えばＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を用いてＣＤ−ＲＯＭ２０に対して読み書き可能とすることもできるので、後述するタイヤ性能シミュレーションプログラムは、予めＣＤ−ＲＯＭ２２に記録しておき、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２０を介してＣＤ−ＲＯＭ２２に記録されたタイヤ性能シミュレーションプログラムを読み込んで実行してもよい。また、記録媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭに限らず、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスクや、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクがあり、これらを用いるときには、上記ＣＤ−ＲＯＭドライブ２０に代えて、またはさらにＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＤドライブ、ＭＯドライブ等を用いればよい。

次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ本体１２のＣＰＵ１２Ａで実行されるタイヤ性能シミュレーションプログラムの処理ルーチンについて、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

ステップ１００では、タイヤ本体モデルの３次元モデルを複数種類作成する。タイヤ本体は、タイヤを構成するカーカスやベルト、サイドウォール、ビード部等のトレッド部以外の部分をいい、具体的には、例えばトレッドパターンのないスムースタイヤや、トレッドパターンが摩耗し、更生タイヤの生産に用いられる台タイヤ等をいう。

タイヤ本体モデルの作成処理は、種々公知の方法を用いることができる。例えば、まずタイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面の形状（クラウン部、サイド部、内面の形状）やサイズ、構造（カーカス部材やベルト部材の角度や枚数、材料種、配置、幅等）等のタイヤ本体モデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、タイヤの径方向におけるタイヤ本体の断面のモデルを作成し、これをメッシュ分割してタイヤの周方向に展開することにより、タイヤ本体モデルを作成することができる。

タイヤ本体モデル及び後述するトレッドパターンモデルの作成は、用いる数値解析手法により若干異なる。本実施の形態では数値解析手法として有限要素法（ＦＥＭ）を用いるものとする。従って、本実施形態で作成するタイヤ本体モデル及びトレッドパターンモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、すなわち、メッシュ分割によって複数の要素に分割されたモデルを、数値解析手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。

この要素分割とは、タイヤを多数の（有限の）要素（小部分）に分割することをいう。各要素は、例えば四面体要素や五面体要素、六面体要素等とすることができる。この要素ごとに数値計算を行い全ての要素について計算した後、全部の要素を組み合わせることにより全体の応答を得ることができる。なお、数値解析手法には有限要素法に限らず、差分法や有限体積法、個別要素法（ＤＥＭ）等の他の公知の数値解析手法を用いても良い。

ステップ１０２では、トレッドパターンの３次元モデルを複数種類作成する。このトレッドパターンモデルの作成では、トレッドパターンを構成するトレッドブロックの形状（サイズ）、配置（タイヤ周方向及びタイヤ幅方向の配置）、材料、トレッドブロック間の溝の幅、溝の深さ、溝の配置等、トレッドパターンモデルの作成に必要な各種のパラメータをオペレータに入力（指定）させる。そして、入力されたパラメータに基づいて、トレッドパターンの３次元モデル、すなわちタイヤ本体モデルと同様に複数の要素にメッシュ分割したトレッドパターンモデルを作成する。例えば、１ピッチ分のトレッドパターンの３次元モデルを作成し、これをタイヤの周方向に展開することで３次元のトレッドパターンモデルを作成することができる。図４（Ａ）、（Ｂ）には、トレッドパターンの一例を示した。

ステップ１０４では、ステップ１００で作成した複数種類のタイヤ本体モデルから何れかのタイヤ本体モデルを選択すると共に、ステップ１０２で作成した複数種類のトレッドパターンモデルから何れかのトレッドパターンモデルを選択し、選択したタイヤ本体モデルとトレッドパターンモデルとを合成したタイヤモデルを作成する。具体的には、トレッドパターンモデルをタイヤ本体モデルの外周側に貼り合わせる、すなわち、トレッドパターンモデルとタイヤ本体モデルとの接合面における各メッシュを整合させることにより、タイヤモデルを作成する。

このとき、タイヤ本体モデルの接地形状を求め、この接地形状に合わせてトレッドパターンモデルが変形するように、トレッドパターンモデルとタイヤ本体モデルとの接合面における各メッシュを整合させる。図５（Ａ）、（Ｂ）には、接地形状の一例を示した。

例えば、選択されたトレッドパターンが図４（Ａ）に示すようなトレッドパターン３０Ａであり、選択されたタイヤ本体モデルの接地形状が図５（Ａ）に示すような接地形状３２Ａであった場合、この接地形状３２Ａに合わせてトレッドパターン３０Ａを変形させた上で、トレッドパターンモデルとタイヤ本体モデルとを合成する。これにより、精度良くタイヤモデルを作成することができ、タイヤ性能を精度良く予測することができる。

ステップ１０６では、路面モデルの作成と共に路面状態の入力がなされる。このステップ１０６は、路面をモデル化し、そのモデル化した路面を実際の路面状態に設定するために入力するものである。路面のモデル化は、路面形状を要素分割してモデル化し、路面の摩擦係数μを選択設定することで路面状態を入力する。例えば、路面状態により乾燥（ＤＲＹ）、濡れ（ＷＥＴ）、氷上、雪上、非舗装等に対応する路面の摩擦係数μが存在するので、摩擦係数μについて適正な値を選択することで、実際の路面状態を再現させることができる。

ステップ１０８では、タイヤの転動解析が実行される。この転動解析は有限要素法を用いた公知の手法により実行される。まず、境界条件の設定がなされる。この境界条件とは、タイヤモデルに解析上すなわちタイヤの挙動をシミュレートする上で必要なものであり、タイヤモデルに付与する各種条件である。この境界条件の設定では、まず、タイヤモデルには内圧を与えて、タイヤモデルに回転変位及び直進変位（変位は力、速度でも良い）の少なくとも一方と、予め定めた負荷荷重と、の少なくとも１つを与える。なお、路面との摩擦を考慮する場合は、回転変位（または力、速度でもよい）もしくは直進変位（または力、速度でもよい）のどちらか一方のみでよい。

そして、路面に対してタイヤを転動させ、タイヤモデルの変形計算を有限要素法に基づく公知の転動解析手法により行うことにより、後述する各種タイヤ性能の予測に必要な各種物理量（応力、摩耗エネルギー等）を要素毎に取得する。

ステップ１１０では、ステップ１０８のタイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤの摩耗エネルギー分布を求め、耐摩耗性能、耐偏摩耗性能を予測する。これは、例えば特開２００６−２１６４８号公報に記載された方法を用いることができる。

ステップ１１２では、ステップ１０８のタイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、車外騒音特性や車室内騒音特性等の騒音特性を予測する。これは、例えば特開２００４−８５２３５号公報に記載された方法を用いることができる。

ステップ１１４では、ステップ１０８のタイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤのハイドロプレーニング性能を予測する。これは、例えば特開２０００−３５２５４９号公報に記載された方法を用いることができる。

ステップ１１６では、計算結果を出力する。例えば、上記のステップ１１０〜１１４で求めた各タイヤ性能の計算結果やタイヤの形状等をディスプレイ１４に表示させたり、ハードディスク１８に記録したりする。

ステップ１１８では、複数種類のタイヤ本体モデルと複数種類のトレッドパターンモデルとの組み合わせ全てについて上記の処理を実行したか否かについて判断する。そして、全ての組み合わせについて上記の処理を実行した場合には、本ルーチンを終了し、全ての組み合わせについて上記の処理を終了していない場合には、ステップ１０４へ移行して、未実行の組み合わせのタイヤモデルについて上記と同様の処理を行う。

このように、本実施形態では、複数種類のトレッドパターンモデル及び複数種類のタイヤ本体モデルを各々組み合わせてタイヤ性能をシミュレーションによって予測することができるので、複数種類のタイヤ本体と複数種類のトレッドパターンとの組み合わせによるタイヤのタイヤ性能を短期間で評価することができる

（実施例）

次に、本発明の実施例について説明する。まず、図４に示したトレッドパターン３０Ａ、３０Ｂのトレッドパターンモデルと、接地形状が図５に示した接地形状３２Ａ、３２Ｂとなるタイヤ本体モデルとを各々組み合わせたタイヤモデルにおいて、耐摩耗性能及び騒音性能を前述した図３に示す処理によりシミュレーションした結果について以下に示す。

上記表１においては、トレッドパターン３０Ａのトレッドパターンモデルを「パターンＡ」、トレッドパターン３０Ｂのトレッドパターンモデルを「パターンＢ」、接地形状３２Ａのタイヤ本体モデルを「タイヤ本体Ａ」、接地形状３２Ｂのタイヤ本体モデルを「タイヤ本体Ｂ」としている。そして、表中の数値はシミュレーション結果を示すインデックスであり、パターンＡとタイヤ本体Ｂとの組み合わせによるシミュレーション結果を１００としており、数値が大きいほど性能が良いことを示す。

上記表１に示すように、耐摩耗性能及び騒音性能共に、パターンＢとタイヤ本体Ｂとの組み合わせがよいことが判る。

そこで、パターンＡとタイヤ本体Ａとの組み合わせによるタイヤ、パターンＢとタイヤ本体Ｂとの組み合わせによるタイヤについて、耐摩耗性能及び騒音性能について実測した結果を以下に示す。

上記表２においては、パターンＡとタイヤ本体Ａとの組み合わせによる実測結果を１００としている。表１に示すシミュレーション結果と表２の実測結果とを比較すると、定性的には、シミュレーション結果と実測結果とが概ね一致していることが判る。

次に、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示したトレッドパターン３４Ａ〜３４Ｃのトレッドパターンモデルと、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示したような断面形状のタイヤ本体モデル３６Ａ〜３６Ｃとを各々組み合わせたタイヤモデルにおいて、耐摩耗性能及び騒音性能を前述した図３に示す処理によりシミュレーションした結果について以下に示す。

図７（Ａ）に示したタイヤ本体モデル３６Ａは、補強層として、２枚のベルト層３８Ａ、３８Ｂ、キャップ層４０、レイヤー層４２が設けられた構造である。また、同図（Ｂ）に示したタイヤ本体モデル３６Ｂは、補強層として、２枚のベルト層３８Ａ、３８Ｂ、キャップ層４０が設けられた構造である。また、同図（Ｃ）に示したタイヤ本体モデル３６Ｃは、補強層の構造は同図（Ａ）に示したタイヤ本体モデル３６Ａと同様であるが、ショルダー部４４の形状がタイヤ本体モデル３６Ａと比較してフラット化しているものである。

上記表３においては、トレッドパターン３４Ａのトレッドパターンモデルを「パターンＡ」、トレッドパターン３４Ｂのトレッドパターンモデルを「パターンＢ」、トレッドパターン３４Ｃのトレッドパターンモデルを「パターンＣ」、タイヤ本体モデル３６Ａのタイヤ本体モデルを「タイヤ本体Ａ」、タイヤ本体モデル３６Ｂのタイヤ本体モデルを「タイヤ本体Ｂ」、タイヤ本体モデル３６Ｃのタイヤ本体モデルを「タイヤ本体Ｃ」としている。

上記表３に示すように、耐摩耗性能については、パターンＢとタイヤ本体Ｃとの組み合わせがよいことが判る。また、耐摩耗性能については、パターンＡ、Ｂ、Ｃの何れについても、タイヤ本体モデルＡ、Ｂ、Ｃの順でインデックスが大きくなるのに対して、騒音性能については、パターンＡでは、タイヤ本体モデルＣ、Ｂ、Ａの順でインデックスが大きくなり、パターンＢについては、タイヤ本体モデルＡ、Ｂ、Ｃの順でインデックスが大きくなっている。すなわち、複数種類のトレッドパターンモデルと複数種類のタイヤ本体モデルとの各組み合わせについてシミュレーションすることにより、最適なトレッドパターンモデルとタイヤ本体モデルとの組み合わせを求めることができ、本発明の有効性を確認することができた。

１０ キーボード
１２ コンピュータ本体
１４ ディスプレイ
１６ マウス
１８ ハードディスク

Claims (3)

1. コンピュータが、次の各ステップを含む処理を実行するタイヤ性能シミュレーション方法。
   （ａ）タイヤのタイヤ本体を複数の要素に要素分割したタイヤ本体モデルを複数種類作成するステップ。
   （ｂ）前記タイヤのトレッドパターンを複数の要素に要素分割したトレッドパターンモデルを複数種類作成するステップ。
   （ｃ）前記タイヤ本体モデルの接地形状に合わせて前記トレッドパターンモデルを変形させてから、前記タイヤ本体モデルと前記トレッドパターンモデルとを合成したタイヤモデルを作成するステップ。
   （ｄ）前記タイヤモデルの変形計算を実行するステップ。
   （ｅ）前記タイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤ性能を予測するステップ。
   （ｆ）複数種類の前記タイヤ本体モデルと複数種類のトレッドパターンモデルとの組み合わせの各々について、前記ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップ。
2. 前記タイヤ性能は、耐摩耗性能、騒音性能、及びハイドロプレーニング性能の少なくとも一つを含む
   請求項１記載のタイヤ性能シミュレーション方法。
3. 次の各ステップを含む処理をコンピュータに実行させるためのタイヤ性能シミュレーションプログラム。
   （ａ）タイヤのタイヤ本体を複数の要素に要素分割したタイヤ本体モデルを複数種類作成するステップ。
   （ｂ）前記タイヤ本体モデルの接地形状に合わせて前記トレッドパターンモデルを変形させてから、前記タイヤのトレッドパターンを複数の要素に要素分割したトレッドパターンモデルを複数種類作成するステップ。
   （ｃ）前記タイヤ本体モデルと前記トレッドパターンモデルとを合成したタイヤモデルを作成するステップ。
   （ｄ）前記タイヤモデルの変形計算を実行するステップ。
   （ｅ）前記タイヤモデルの変形計算の計算結果に基づいて、タイヤ性能を予測するステップ。
   （ｆ）複数種類の前記タイヤ本体モデルと複数種類のトレッドパターンモデルとの組み合わせの各々について、前記ステップ（ｃ）〜（ｅ）を繰り返すステップ。