JP2006111223A - シミュレーション方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、補強材の適切な初期張力を用いることにより、タイヤの性能をより正確に予測することができる。
【解決手段】本発明は、タイヤ周方向に巻かれた有機繊維の補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、該３つ以上の平均値の入力を促すステップと、入力された平均値を有する要素を含む集合体でタイヤのモデルを設定するステップと、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの性能を予測するステップとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法に関する。

従来では、実際にタイヤが設計・製造され、製造されたタイヤが車両に装着された後に、製造されたタイヤの性能が試験される。そして、試験結果が予め定められた規定の範囲内でなければ、再度、設計・製造がやり直されていた。ところが、近年では、有限要素法などによる解析手法が発達し、コンピュータは、タイヤを構成する各種材料の特性、境界条件などを用いてシミュレーションを行うことにより、タイヤの性能を予測している。これにより、シミュレーションがタイヤの製造前に行われているため、製造のやり直しが低減される。

例えば、タイヤの周方向に巻かれている有機繊維の補強材の初期張力の値が入力されることにより、タイヤの性能を解析する従来技術が開示されている（特許文献１参照）。ここで、(1)生タイヤが製造されてから最終的なタイヤが製造されるまでに、補強材の拡張率に変化が生じること、(2)加硫時において補強材の熱膨張率に変化が生じること、(3)加硫が行われた直後に内圧が張られて、タイヤの形状が整われながら余加硫が行われることなどにより、製造時における補強材には初期張力が存在する。このため、車両に装着されたタイヤの接地形状及び補強材の端部において発生する歪などの要因に対しては補強材の初期張力が大きく影響することとなる。したがって、補強材の初期張力の値がシミュレーションに用いられることにより、コンピュータはタイヤの性能をより正確に予測することができる。
特開２００４−１０２４２４号公報

しかしながら、上記補強材の初期張力の値はシミュレーションを行う上での重要な値であるにも関わらず、その補強材の初期張力の値は任意に測定された１つの値であるため、コンピュータはタイヤの性能を正確に予測することができなかった。すなわち、補強材が配置されている場所に応じて、補強材の初期張力がそれぞれ異なるため、コンピュータは任意に測定された補強材の初期張力を用いてもタイヤの性能を正確に予測することができない。

そこで、本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、補強材の適切な初期張力を用いることにより、タイヤの性能をより正確に予測することができるシミュレーション方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法であって、タイヤ周方向に巻かれた有機繊維の補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、該３つ以上の平均値を有する要素を含む集合体でタイヤのモデルを設定するステップと、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの性能を予測するステップとを備えることを特徴とする。

このような本発明によれば、補強材の測定された初期張力の値が任意の値ではなく、補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、その平均値を用いたモデルが設定されるため、タイヤの性能をより正確に予測することができる。

上記発明においては、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、補強材の端部に発生する歪を予測するステップを備えてもよい。この場合には、補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、その平均値を用いたモデルが設定されるため、タイヤの寿命に寄与する補強材の端部に発生する歪をより正確に予測することができる。

上記発明においては、設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、タイヤの接地形状を予測するステップを備えてもよい。この場合には、補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、その平均値を用いたモデルが設定されるため、車両の連成解析、ハイドロプレーニング解析、雪上・泥上での解析、音・振動の解析、磨耗の解析に寄与するタイヤの接地形状をより正確に予測することができる。

本発明によれば、補強材の適切な初期張力を用いることにより、タイヤの性能をより正確に予測することができる。

（空気入りタイヤの構成）
本実施形態における空気入りタイヤ１について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態における空気入りタイヤ１の断面を示す図である。図１に示すように、空気入りタイヤ１は、溝で区画された陸部を有するトレッド部２と、トレッド部２の両端からタイヤ半径方向内方に延びるサイドウォール部３と、サイドウォール部３の半径方向内端に位置しているビードコア４と、ビードコア４の上部に埋設され、細切り上の硬質のゴムで形成されているビードフィラー５と、トレッド部２からサイドウォール部３を通りビードコア４に至るカーカス６と、トレッド部２の内側とカーカス６の半径方向外側との間にトレッド部２の周方向に沿って延びる少なくとも２層のベルト層７と、トレッド部２の内側とベルト層７の半径方向外側との間にベルト層７を覆うキャップ層８とを備えている。

本実施形態におけるベルト層７は、ゴム７１とゴム７１で被覆されたコード７２とを備えている。同様にしてキャップ層８も、ゴム８１とゴム８１で被覆されたコード８２とを備えている。このゴム７１（又はゴム８１）で被覆されたコード７２（又はコード８２）がタイヤ赤道ＣＬに対して小角度θ（後述する図6参照）で配置されている。なお、キャップ層８におけるコードは、タイヤ周方向に巻かれている有機繊維の補強材に該当する。

（コンピュータの構成）
本実施形態におけるコンピュータ２００について図面を参照しながら説明する。図２は、本実施形態におけるコンピュータ２００の構成を示す図である。図２に示すように、コンピュータ２００は、タイヤの性能をシミュレーションするのに必要な値の入力を促す入力部２１１と、処理部２１３により処理を実行するためのプログラムなどを記憶する記憶部２１２と、入力部２１１により入力された値及び記憶部２１２に記憶された値に基づいて有限要素法等の解析手法により、タイヤの性能を予測する処理部２１３と、処理部２１３により予測された性能の結果を表示する表示部２１４とを備えている。

（シミュレーション方法）
本実施形態におけるコンピュータ２００の動作について図面を参照しながら説明する。図３は、本実施形態にけるコンピュータ２００の動作を示すフロー図である。図３に示すように、ステップ１において、処理部２１３は、数値解析が可能な要素の集合体である空気入りタイヤ１のモデルを設定する。

本実施形態では、処理部２１３は、路面に接触している空気入りタイヤ１の面の形状（以下では単に接地形状と称する）を解析するために、後述する空気入りタイヤ１のモデル１００を設定する。また、処理部２１３は、補強材（ここではベルト層７におけるコード７２ａ，７２ｂ）の端部Ｔ（図１参照）において発生する歪を解析するために、後述するベルト層７のモデル１１０及びキャップ層８のモデル１２０を設定する。ここで、処理部２１３は、微小な空気入りタイヤ１の回転角毎に、空気入りタイヤ１の幅方向の断面に対応する各要素を設定し、これらの要素を集合することにより後述するモデル１００，１１０，１２０などを設定する。

図４は、本実施形態における処理部２１３により設定された空気入りタイヤ１のモデル１００を示す図である。図４に示すように、モデル１００は、要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…の集合体であり、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…は、処理部２１３により数値解析が可能なデータである。例えば、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…には、２次元の３角形・４角形からなる膜要素、又は３次元の四面体からなるソリッド要素などが挙げられる。また、要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…には、座標のデータが定義されている。

また、コードを含む補強材は、異方材平面（コード方向の剛性とコードに直角方向の剛性とが異なる平面）の要素でモデル化されている。本実施形態では、タイヤモデル周方向に対するコードの角度の平均値に関するデータ、その他座標データ等が補強材のモデルに設定されている。

なお、後述するステップ２においてキャップ層８の初期張力（ｋｇ／本）の値が入力されることにより、キャップ層８のモデルを構成する各要素に当該初期張力の値も定義される。

ステップ２において、処理部２１３は、タイヤ周方向に巻かれている有機繊維の補強材の測定された初期張力の３つ以上の平均値の入力を促す。以下では、補強材であるコード８２などの初期張力の測定方法について説明する。図５及び図６は、キャップ層８のコード８２を採取する部位を示す図である。

この測定方法では、周上がカットされていない未使用の空気入りタイヤが用いられる。これにより、空気入りタイヤの周上がカットされていないため、初期張力に変化が生じておらず、より正確な初期張力の測定が可能となる。先ず、測定者は、この空気入りタイヤのトレッド部２のゴムをキャップ層８の全幅で、且つキャップ層８に達する手前まで剥がし取る（図５に示す斜線部分、図６参照）。そして、測定者は、コード８２の上部に存在するキャップ層８のゴムを取除く。この際に、測定者は、キャップ層８のゴムがコード８２に残らないようにするとともに、コード７８２を傷つけないように細心の注意を払う必要がある。

その後、測定者は、剥ぎ取った領域から、タイヤ軸方向にキャップ層全幅に対して少なくとも６つの領域以上、等間隔になるようにコード８２を特定する。測定者は、特定した３つのコード８２を採取する前に、それぞれのコード８２に対して始点Ｐ１とその始点Ｐ１から３００ｍｍの箇所である終点Ｐ２とにマーキングする。測定者は、そのマーキングした箇所よりも外側にそれぞれ２００ｍｍ以上離れた箇所でコード８２をカットする。

採取されたコード８２は、初期張力が掛からなくなり、そのまま放置されると空気中の湿度の影響により収縮する場合があるため、測定者は、直ち（約５分以内）に採取したコード８２の初期張力を島津製作所オートグラフで測定する。図７は、本実施形態における島津製作所オートグラフ２０を示す図である。図７に示すように、島津製作所オートグラフ２０は、コード８２を固定するチャック２１を備えている。測定者は、採取したコード８２をチャック２１にセットする。そして、測定者が島津製作所オートグラフ２０を作動させると、コード８２が１０ｍｍ／分の速度で引っ張られるため、測定者は、コード８２のマークの間隔が元の３００ｍｍに達した時の張力、すなわち初期張力を読み取る。測定者は、採取した６つのコード８２についての初期張力を測定し、図１１に示すようなキャップ層幅方向に対する初期張力分布を得る。これにより、初期張力を少なくとも３つ以上の領域（図５及び図６に示すＷ１〜Ｗ３参照）で分割、平均化する。測定者は、入力部２１１を操作することにより算出した平均値を入力する。なお、ここでは３以上のコード８２の初期張力の平均値が算出されていればよい。

ステップ３において、処理部２１３は、上記初期張力の平均値以外の材料特性値の入力を促す。この材料特性値には、ゴム７１，８１又はコード７２，８２の密度、弾性係数などが挙げられる。ステップ４において、処理部２１３は、境界条件の入力を促す。この境界条件には、空気入りタイヤ１の空気圧、荷重、スリップ角、速度、又はリム幅などの空気入りタイヤ１の使用条件が挙げられる。なお、ステップ２乃至ステップ４までの入力順序は、この順序に限定されるものではなく、いずれの順序であってもよい。

ステップ５において、処理部２１３は、ステップ２乃至ステップ３により入力された値に基づいて有限要素法解析（いわゆるＦＥＭ）などにより、タイヤの性能を解析する。ステップ６において、表示部２１４は、解析された結果を表示する。ここで、上述したように、処理部２１３が有限要素法解析によりタイヤの性能を解析する前は、空気入りタイヤ１のモデル１００は、図４に示す有限個の要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、要素１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ…、要素１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ…に分割されており、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などは、座標データとして記憶部２１２に記憶されている。そして、ステップ４において処理部２１３は、記憶されている各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などの座標データと、ステップ２乃至ステップ３により入力された値に基づいて有限要素法解析により、各要素１００ａ，１００ｂ，１００ｃ…、補強材のモデルを構成する異方材平面の要素などの歪、応力等を算出し、補強材の端部Ｔにおける歪、空気入りタイヤ１の接地形状などの空気入りタイヤ１の性能を予測する。なお、有限要素法解析などによる数値解析は一般的であるため、詳細な説明は省略する。

（シミュレーション方法の作用及び効果）
このような本願に係る発明によれば、タイヤ周方向に巻かれた有機繊維の補強材の測定された初期張力の値が任意の値ではなく、タイヤ周方向に巻かれた有機繊維の補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、その平均値を用いたモデルが設定されるため、コンピュータ２００は、空気入りタイヤ１の寿命に寄与する補強材の端部に発生する歪をより正確に予測することができるとともに、車両の連成解析、ハイドロプレーニング解析、雪上・泥上での解析、音・振動の解析、磨耗の解析に寄与するタイヤの接地形状をより正確に予測することができる。

（実施例）
本実施形態におけるシミュレーションの実施例について以下詳細に説明する。図８は、空気入りタイヤ１に備えられた１−２層の補強材の端部に発生する歪（剪断歪）、空気入りタイヤ１の接地形状（ここでは矩形率）のシミュレーション結果を示す図である。タイヤ周方向に巻かれたキャップ層８の幅方向の初期張力の分布は、図１１中のＢのようになり、それによりキャップ層８の幅方向に対する分割数を３〜５（図１１中のＡは３分割）にしたときのそれぞれの分割領域での平均値を用いており、図８はその初期張力の平均値がシュミレーションに用いられた場合の矩形率及び歪を分割数毎に示している。また、補強材の端部に発生する歪はメッシュ法を用いたシミュレーション結果である。

図８では、サイズが１９５／６５Ｒ１４であり、正規の内圧・荷重が掛けられた場合の乗用車用ラジアルタイヤのシュミレーション結果が示されている。図８に示す指数は１００に近い程良好な値を示す。従来における補強材は、タイヤ赤道ＣＬに対して一律の小角度θで螺旋巻されているものとする。

ここで、図９は、乗用車用ラジアルタイヤのモデルの接地形状を示す図である。図９に示すＷmaxは、モデル１００の最大の接地幅であり、Ｌ１は接地されたモデル１００のタイヤ赤道での周方向の長さであり、Ｌ２は接地幅Ｗmaxの８０％位置（０．８Ｗmax）での周方向の長さである。これらを用いて矩形率を表現すると、矩形率は（Ｌ２／Ｌ1 ）×１００％となる。

図８に示すように、矩形率の指数は、分割数が３である場合には８２の値を示し、良好な値となっていることが分かる。また、矩形率の指数は、分割数が３から５に増大するに従って、１００に近い値に近づき、より良好な結果となっていることが分かる。同様にして、歪の指数も、分割数が３である場合には１２３の値を示し、良好な値となっていることが分かる。また、歪の指数は、分割数が３から５に増大するに従って、１００に近い値に近づき、より良好な結果となっていることが分かる。

図１０は、サイズが２２５／４５Ｒ１７であり、正規の内圧・荷重が掛けられた場合の乗用車用ラジアルタイヤのシュミレーション結果を示す図である。図１０に示すように、矩形率及び歪の指数も、上記図９に示すシュミレーション結果と同様に、分割数が３である場合には良好な値となっており、分割数が３から５に増大するに従って、１００に近い値に近づき、より良好な結果となっていることが分かる。

図１１は、本実施形態における補強材の初期張力の分布を示す図である。図１１に示すように、タイヤ赤道ＣＬに位置する補強材の初期張力が最も大きく、タイヤ赤道ＣＬからショルダー部に向かうに従って補強材の初期張力が小さくなっている。したがって、空気入りタイヤ１の幅方向が３つ以上の領域に分割され、それぞれの領域における初期張力の値が平均化されることにより、コードの初期張力の値がより適切な値となる。これにより、上述した図８及び図１０で説明したように、コンピュータ２００は、１つの補強材の初期張力の値しか用いない場合よりも、空気入りタイヤ１の性能（補強材の端部に発生する歪、空気入りタイヤ１の矩形率など）をより正確に予測することができる。

本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その１）。 本実施形態におけるコンピュータの構造を示す図である。 本実施形態におけるコンピュータの動作を示すフロー図である。 本実施形態における空気入りタイヤのモデルを示す図である。 本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その２）。 本実施形態における空気入りタイヤの断面を示す図である（その３）。 本実施形態における島津製作所オートグラフを示す図である。 本実施形態における比較例を示す図である（その１）。 本実施形態における空気入りタイヤの接地形状を示す図である。 本実施形態における比較例を示す図である（その２）。 本実施形態におけるベルト幅位置とコードの初期張力との関係を示す図である。

符号の説明

１…空気入りタイヤ、２…トレッド部、３…サイドウォール部、４…ビードコア、５…ビードフィラー、６…カーカス、７…ベルト層、８…キャップ層、２０…島津製作所オートグラフ、２１…チャック、７１，８１…ゴム、７２，７２…コード、２００…コンピュータ、２１１…入力部、２１２…記憶部、２１３…処理部、２１４…表示部

Claims (3)

1. 複数の補強材を備えるタイヤの性能を予測するシミュレーション方法であって、
   タイヤ周方向に巻かれた有機繊維の補強材の測定された初期張力のタイヤ軸方向分布を３つ以上の平均値で表し、該３つ以上の平均値を有する要素を含む集合体で前記タイヤのモデルを設定するステップと、
   設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの性能を予測するステップと
   を備えることを特徴とするシミュレーション方法。
2. 設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記補強材の端部に発生する歪を予測するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
3. 設定されたモデルに基づいて有限要素法解析により、前記タイヤの接地形状を予測するステップを備えることを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
   
   
   

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