JP5075323B2 - タイヤモデルの作成方法、及びタイヤモデルの作成装置 - Google Patents

タイヤモデルの作成方法、及びタイヤモデルの作成装置 Download PDF

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本発明は、トレッド部と、複数のコードをゴムで被覆した複数の補強層とを備えるタイヤを、有限個の要素でモデル化したタイヤモデルの作成方法及びタイヤモデルの作成装置に関する。
従来、空気入りタイヤ等の性能を、この空気入りタイヤを有限個の要素でモデル化し、有限要素法(Finite Element Method(FEM))を用いて解析及び予測する方法が知られている。この場合において、カーカス層やベルト層等は、１枚の平面なシェル要素で簡略化して表されることが一般的である。
しかし、近年において、これらのカーカス層やベルト層等を、要素を用いて忠実に表すタイヤ性能のシミュレーション方法がある(例えば、特許文献１)。具体的には、図９に示すように、タイヤモデル１００におけるカーカス層１２０と、このカーカス層１２０のタイヤ径方向Ｒ外側に配置されているベルト層１３０とをそれぞれ有限個の要素でモデル化する。なお、同図においては、ベルト層１３０のタイヤ径方向Ｒ外側に、タイヤ周方向に有機繊維コードを配置したキャップベルト１４０が配置されており、このキャップベルト１４０も有限個の要素でモデル化されている。
これにより、複数枚積層されているベルト層を構成するコードの向きが、複数枚のベルト層のタイヤ径方向中心を境として非対称となる場合に発生するカップリングによるプライステアの発生も予測することが可能となり、タイヤの予測性能を向上させることができる。
特開平１１−１５３５２０号公報
しかしながら、上記の方法では、タイヤに複数設けられているベルト層やカーカス層を構成する全ての要素の解析を行うことが必要となるため、解析する作業に多くの時間を有してしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上述の問題に鑑み、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができるタイヤモデルの作成方法及びタイヤモデルの作成装置を提供することを目的とする。
本発明の第１の特徴は、トレッド部と、タイヤ赤道線に対して所定の角度傾斜する複数のコードをゴムで被覆した複数の補強層とを備え、コードが該補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であるタイヤを、有限個の要素でモデル化したタイヤモデルの作成方法において、複数の補強層を１層の複合体に置き換えるステップと、コードが補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であることにより生ずるカップリングの度合を示すカップリング剛性を予測するステップと、を備え、複数の補強層を複合体に置き換えるステップは、複数の各補強層の剛性を算出するステップと、各補強層の剛性に基づいて、複合体の膜力及びモーメントを算出するステップと、複合体の膜力及びモーメントに基づいて、複合体の剛性を算出するステップと、複合体の配置位置である複数の補強層のタイヤ径方向中心である中立面位置を算出するステップと、を有することを特徴とするタイヤモデルの作成方法であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、タイヤモデルの作成方法が、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換えるステップを有するため、１層の複合体に複数の補強層の剛性を与えることができ、解析モデルを簡略化することができる。また、複数の補強層をそれぞれ有限個の要素でモデル化し、解析する場合に比べ、タイヤ性能を解析する時間を短縮することができる。
また、カップリング剛性を予測するステップを有するため、カップリングによって発生するプライステアを予測することができる。
すなわち、上記のステップを有することにより、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができる。
また、複合体は、シェル要素でモデル化されていることが好ましい。複合体が、シェル要素でモデル化されているため、解析モデルの節点数を減らすことができる。
また、複合体は、ソリッド要素でモデル化されていることが好ましい。複合体が、ソリッド要素でモデル化されているため、実際のタイヤの補強層と同じ厚さで解析モデルを作成することができる。
また、タイヤモデルは、トレッド部におけるトレッドパターンを有することが好ましい。タイヤモデルが、トレッド部におけるトレッドパターンを有するため、スリップ角が０度であり、キャンバー角も０度である場合に、トレッドパターンの影響で発生する横力も考慮して解析することができる。
本発明の第２の特徴は、トレッド部と、タイヤ赤道線に対して所定の角度傾斜する複数のコードをゴムで被覆した複数の補強層とを備え、該コードが該補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であるタイヤを、有限個の要素でモデル化したタイヤモデルの作成装置において、複数の補強層を１層の複合体に置き換える複合体置換手段と、コードが補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であることにより生ずるカップリングの度合を示すカップリング剛性を予測するカップリング剛性予測手段と、を備え、複合体置換手段は、複数の各補強層の剛性を算出する手段と、各補強層の剛性に基づいて、複合体の膜力及びモーメントを算出する手段と、複合体の膜力及びモーメントに基づいて、複合体の剛性を算出する手段と、複合体の配置位置である複数の補強層のタイヤ径方向中心である中立面位置を算出する手段と、を有することを特徴とするタイヤモデルの作成装置であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換える複合体置換手段を有するため、複数の補強層をそれぞれ有限個の要素でモデル化し、解析する場合に比べ、タイヤ性能を解析する時間を短縮することができる。
また、タイヤモデルの作成方法が、カップリング剛性を予測するカップリング剛性予測手段を有するため、カップリングによって発生するプライステアを予測することができる。
すなわち、上記のステップを有することにより、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができる。
本発明によると、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができるタイヤモデルの作成方法及びタイヤモデルの作成装置を提供することができる。
(タイヤモデルの作成装置)
以下において、本実施形態におけるタイヤモデルの作成装置２００について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態におけるタイヤモデルの作成装置２００の構成は、図１に示すように、入力部２１１と、処理部２１２と、記憶部２１３と、表示部２１４と、プログラム保持部２１５とを備える。
入力部２１１は、キーボード及びマウス等の機器であり、タイヤモデル１を作成するための必要な情報を入力する。入力部２１１に対して入力操作が行われることにより、対応するキー情報や位置情報が処理部２１２に伝達される。
処理部２１２は、各種情報設定部２１２ａと、タイヤモデル作成部２１２ｂと、複合体置換部２１２ｃと、カップリング剛性予測部２１２ｄと、性能予測部２１２ｅと、結果出力部２１２ｆとから構成されている。
具体的に、各種情報設定部２１２ａは、入力部２１１に入力された各種情報を、記憶部２１３にデータとして設定する。
ここで、各種情報とは、タイヤ赤道線に対するコードの傾斜角度や、ベルト層やカーカス層等の補強層の数等である。また、各種情報は、タイヤに用いられるゴムやコードの材料やその特性、空気圧や荷重等であってもよい。
タイヤモデル作成部２１２ｂは、各種情報設定部２１２ａによって設定された各種情報やタイヤの形状や構造、トレッドパターン等のデータを示す設計データに基づいて、タイヤを有限個の要素でモデル化したタイヤモデル１を作成する。
ここで、要素とは、タイヤモデル１を複数個の領域に区分けした場合における個々の領域のことである。それぞれの要素には、その要素内(領域内)における各種情報等が対応付けられている。
複合体置換部２１２ｃは、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換える。
ここで、カップリング剛性とは、タイヤ赤道線に対して所定の角度傾斜するコードが、複数の補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であることにより生ずるカップリングの度合を示すものである。カップリングの主な例としては、タイヤにおいて、横滑り角が０度であり、キャンバーが０度であるにも関わらず発生する横力のうち、タイヤの回転方向によって変わるものであるプライステアが挙げられる。
カップリング剛性予測部２１２ｄは、複合材料の剛性を算出する数式を用いて、複合体置換部２１２ｃによって置き換えられた複合体に応じて、カップリング剛性を予測する。
性能予測部２１２ｅは、有限要素法(ＦＥＭ)を用いて、複合体置換部２１２ｃによって置き換えられた複合体を有するタイヤモデルの性能を予測する。
結果出力部２１２ｆは、カップリング剛性予測部２１２ｄ及び性能予測部２１２ｅによって予測されたカップリング剛性及びタイヤモデルの性能を表示部２１４に表示させる。
記憶部２１３は、前述したように、入力部２１１に入力され、各種情報設定部２１２ａによって設定されたデータを記憶する。
表示部２１４は、前述したように、カップリング剛性予測部２１２ｄ及び性能予測部２１２ｅによって予測された結果を表示する。また、この表示部２１４は、入力部２１１によって入力された情報を表示してもよい。
プログラム保持部２１５は、複合体置換処理等を処理部２１２に実行させるためのタイヤモデルの作成プログラムを保存する記憶媒体である。記憶媒体は、例えば、ＲＡＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、コンパクトディスク、ＩＣチップ、カセットテープ等が挙げられる。このようなプログラムを保持した記録媒体によれば、プログラムの保存、運搬、販売等を容易に行うことができる。
(タイヤモデルの作成方法)
次に、本実施形態に係るタイヤモデルの作成方法について、図２を用いて説明する。
図２のステップ１０において、各種情報設定部２１２ａは、入力部２１１に入力された各種情報を、記憶部２１３にデータとして設定する。
ステップ２０において、タイヤモデル作成部２１２ｂは、記憶部２１３に記憶された各種情報及び設計データに基づいて、タイヤを有限個の要素でモデル化したタイヤモデル１を作成する。
なお、ステップ１０の後にステップ２０を行うとして説明しているが、この順序は逆であってもよい。
次に、ステップ３０において、複合体置換部２１２ｃは、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換える。
図３は、本実施形態における複合体２を有するタイヤモデル１を示す図である。
同図は、３層のベルト層を１層の複合体２に置き換えたタイヤモデル１である。
同図に示すように、タイヤモデル１は、トレッド部３のタイヤ径方向(矢印Ｒ方向)の内側に、シェル要素でモデル化された複合体２を有する。
複数のベルト層等の補強層を１層の複合体２に置き換えるには、まず、補強層における各層の剛性を算出する。各層の剛性Ｇｅは、下記の式(Ｉ)及び(ＩＩ)を用いて算出する。
ここで、σは垂直応力、Ｅは弾性率、τはせん断応力、γはせん断歪み、εは後述する中立面の歪みを示している。
また、ゴム材料のような均質材の場合は、Ｇｅは、下記の式(ＩＩＩ)を用いて算出する。
ここで、νは、ポアソン比を示している。
次に、上記において算出された各層の剛性Ｇｅを用いて、Ｔ[Ｇ１]、Ｔ３／１２[Ｇ２]及びＴ２[Ｇ４]を算出する。下記の式(ＩＶ)、(Ｖ)及び(ＶＩ)を用いる。
ここで、Ｔは、断面板厚、Ｇ１は面内変形における剛性、Ｇ２は面外変形における剛性、Ｇ４はカップリング剛性、ｙiはi層の板厚を示している。
次に、上記において算出されたＴ[Ｇ１]、Ｔ３／１２[Ｇ２]及びＴ２[Ｇ４]を下記式(ＶＩＩ)に当てはめ、複合体２の膜力Ｆ及びモーメントＭが算出される。
ここで、χは曲率を示している。
このように、膜力Ｆ及びモーメントＭが算出されることにより、複合体２の剛性が求められる。
また、複合体２は、複数の補強層のタイヤ径方向中心である中立面位置Ｃに配置されている。
この中立面位置Ｃの算出方法について、図４を参照しながら説明する。
同図に示すように、中立面位置Ｃは、複数積層されている補強層のタイヤ径方向中央の位置である。ここで、ｔ１乃至ｔｎは、図５(a)及び(ｂ)に示すように、複数積層されている補強層を、コード補強層と、ゴムのみの層とに分けたものである。
中立面位置Ｃは、下記の式(ＶＩＩＩ)を用いて算出される。
ここで、ｇは各層の弾性係数、ｙはタイヤ径方向最内側に配置されている補強層のタイヤ径方向最内側の位置から中立面位置Ｃまでの距離を示している。
ステップ４０において、カップリング剛性予測部４０は、上式を用いて、複合体置換部２１２ｃによって置き換えられた複合体２に応じ、カップリングの剛性を予測する。
ステップ５０において、性能予測部２１２ｅは、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、複合体置換部２１２ｃによって置き換えられた複合体２を有するタイヤモデル１の性能を予測する。
ステップ６０において、結果出力部２１２ｆは、カップリング剛性予測部２１２ｄ及び性能予測部２１２ｅによって予測されたカップリング剛性及びタイヤモデル１の性能を表示部２１４に表示させる。
(変更例１)
以下において、本発明の実施形態における変更例１について、図６を用いて説明する。
同図は、３層のベルト層を１層の複合体２０に置き換えたタイヤモデル１０である。
同図に示すように、タイヤモデル１０は、トレッド部３０のタイヤ径方向(矢印Ｒ方向)の内側に、異方性ソリッド要素でモデル化された複合体２０を有する。
なお、変更例１は、本実施形態と異なる点についてのみ説明し、同一の点については説明を省略する。
(変更例２)
以下において、本発明の実施形態における変更例２について、図７を用いて説明する。
同図に示すように、タイヤモデル１００は、トレッド部におけるトレッドパターンを有している。
このトレッドパターンは、タイヤ周方向(矢印Ｓ方向)に延びる周方向溝１０１や、タイヤ幅方向(矢印Ｗ方向)に延びる幅方向溝１０２等、予測したい実際のタイヤのトレッドパターンを模したものである。
なお、変更例２は、本実施形態と異なる点についてのみ説明し、同一の点については説明を省略する。
(変更例３)
以下において、本発明の実施形態における変更例３について、図８を用いて説明する。
同図に示すように、本発明のタイヤモデル１を車輌モデル１０５と複合させることにより、タイヤ車輌複合モデル１１０を作成する。
このように、本発明のタイヤモデル１と予測したい車輌モデルとを複合させることにより、タイヤを車輌に装着し、走行させた場合における性能についても、精度よく予測することができる。
また、このタイヤモデル１ではなく、トレッドパターンを有するタイヤモデル１０を車輌モデルと複合させることにより、より精度よく予測することが可能となる。
なお、変更例３は、本実施形態と異なる点についてのみ説明し、同一の点については説明を省略する。
(本実施形態に係るタイヤモデルの作成方法及びタイヤモデルの作成装置の作用・効果)
本発明のタイヤモデルの作成方法によれば、このタイヤモデルの作成方法が、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換えるステップを有するため、１層の複合体に複数の補強層の剛性を与えることができるため、解析モデルを簡略化することができる。また、複数の補強層をそれぞれ有限個の要素でモデル化し、解析する場合に比べ、タイヤ性能を解析する時間を短縮することができる。
また、カップリング剛性を予測するステップを有するため、カップリングによって発生するプライステアを予測することができる。
すなわち、上記のステップを有することにより、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができる。
また、複合体が、シェル要素でモデル化されているため、解析モデルの節点数を減らすことができる。
また、複合体が、ソリッド要素でモデル化されているため、実際のタイヤの補強層と同じ厚さで解析モデルを作成することができる。
また、タイヤモデルが、トレッド部におけるトレッドパターンを有するため、スリップ角が０度であり、キャンバー角も０度である場合に、トレッドパターンの影響で発生する横力も考慮して解析することができる。
また、本発明のタイヤモデルの作成装置によれば、複数の補強層を、カップリング剛性を有する１層の複合体に置き換える複合体置換手段を有するため、複数の補強層をそれぞれ有限個の要素でモデル化し、解析する場合に比べ、タイヤ性能を解析する時間を短縮することができる。
また、タイヤモデルの作成方法が、カップリング剛性を予測するカップリング剛性予測手段を有するため、カップリングによって発生するプライステアを予測することができる。
すなわち、上記のステップを有することにより、タイヤにおけるカップリングの予測性能を維持しつつ、タイヤ性能の解析に費やす時間を短縮することができる。
以下において、本発明におけるタイヤモデルの作成装置及びタイヤモデルの作成方法における実施例について説明する。
(試験１)
本発明のシェル要素でモデル化された複合体を有するタイヤモデル(実施例１)と、本発明の異方性ソリッド要素でモデル化された複合体を有するタイヤモデル(実施例２)とを作成し、プライステアを解析し、解析における計算時間を調査した。また、比較として、図９に示すような、ベルト層を３層有するタイヤモデル(比較例１)を作成し、同一条件で解析及び調査を行った。
なお、タイヤモデルのサイズは、ＰＳＲ２０５／５５Ｒ１６であり、内圧は２１０ｋＰａ、荷重は４．５ｋＮ、リムの幅は６．５Ｊであった。
また、プライステアの解析及び計算時間の調査において、比較例１を１００として、指数表示した。
表１の結果より、タイヤモデルが、本発明の複合体を有することにより、プライステアの解析時間を大幅に短縮できることが分かった。
(試験２)
本発明のシェル要素でモデル化された複合体を有するタイヤモデルに、トレッドパターンを作成したタイヤモデル(実施例３)を作成し、スリップ角が０度、キャンバー角が０度である場合における横力の発生を解析し、解析における計算時間を調査した。また、比較として、図９に示すような、ベルト層を３層有するタイヤモデルにトレッドパターンを作成したタイヤモデル(比較例２)を作成し、同一条件で解析及び調査を行った。
タイヤモデルのサイズ、内圧、荷重及びリムの幅は、試験１と同一である。
また、横力の発生の解析及び計算時間の調査において、比較例２を１００として、指数表示した。
表２の結果より、タイヤモデルが、本発明の複合体を有することにより、横力の発生の解析時間を大幅に短縮できることが分かった。
(試験３)
本発明のシェル要素でモデル化された複合体を有するタイヤモデルを車輌モデルと複合させたタイヤ車輌複合モデル(実施例４)を作成し、ハンドルを固定させ、時速１００ｋｍ／ｈで走行させた状態での横移動量を解析し、解析における計算時間を調査した。また、比較として、図９に示すような、ベルト層を３層有するタイヤモデルを車輌モデルと複合させたタイヤ車輌複合モデル(比較例３)を作成し、同一条件で解析及び調査を行った。
タイヤモデルのサイズ、内圧、荷重及びリムの幅は、試験１と同一である。
また、横移動量の解析及び計算時間の調査において、比較例３を１００として、指数表示した。
表３の結果より、タイヤモデルが、本発明の複合体を有することにより、横移動量の解析時間を大幅に短縮できることが分かった。
本実施形態に係るタイヤモデルの作成装置の構成を示す図である。 本実施形態に係るタイヤモデルの作成方法を示すフロー図である。 本実施形態に係る複合体を有するタイヤモデルを示す図である。 本実施形態に係る中立面位置を示す図である。 本実施形態に係る複数の補強層を示す図である。 本実施形態に係る複合体を有する変更例１のタイヤモデルを示す図である。 本実施形態に係るトレッドパターンを有する変更例２のタイヤモデルを示す図である。 本実施形態に係る変更例３のタイヤ車輌複合モデルを示す図である。 本実施形態に係る比較例１のタイヤモデルを示す図である。
符号の説明
１、１０、１００…タイヤモデル
２、２０…複合体
３、３０…トレッド部
１０１…周方向溝
１０２…幅方向溝
１０５…車輌モデル
１１０…タイヤ車輌複合モデル
１２０…カーカス層
１３０…ベルト層
１４０…キャップベルト
２００…タイヤモデルの作成装置
２１１…入力部
２１２…処理部
２１２ａ…各種情報設定部
２１２ｂ…タイヤモデル作成部
２１２ｃ…複合体作成部
２１２ｄ…カップリング予測部
２１２ｅ…性能予測部
２１２ｆ…結果出力部
２１３…記憶部
２１４…表示部
２１５…プログラム保持部

Claims (5)

  1. トレッド部と、タイヤ赤道線に対して所定の角度傾斜する複数のコードをゴムで被覆した複数の補強層とを備え、該コードが該補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であるタイヤを、有限個の要素でモデル化したタイヤモデルの作成方法において、
    前記複数の補強層を１層の複合体に置き換えるステップと、
    前記コードが前記補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であることにより生ずるカップリングの度合を示すカップリング剛性を予測するステップと、を備え、
    前記複数の補強層を前記複合体に置き換えるステップは、
    前記複数の各補強層の剛性を算出するステップと、
    前記各補強層の剛性に基づいて、前記複合体の膜力及びモーメントを算出するステップと、
    前記複合体の膜力及びモーメントに基づいて、前記複合体の剛性を算出するステップと、
    前記複合体の配置位置である前記複数の補強層のタイヤ径方向中心である中立面位置を算出するステップと、を有することを特徴とするタイヤモデルの作成方法。
  2. 前記複合体は、シェル要素でモデル化されていることを特徴とする請求項１に記載のタイヤモデルの作成方法。
  3. 前記複合体は、ソリッド要素でモデル化されていることを特徴とする請求項１に記載のタイヤモデルの作成方法。
  4. 前記タイヤモデルは、前記トレッド部におけるトレッドパターンを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のタイヤモデルの作成方法。
  5. トレッド部と、タイヤ赤道線に対して所定の角度傾斜する複数のコードをゴムで被覆した複数の補強層とを備え、該コードが該補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であるタイヤを、有限個の要素でモデル化したタイヤモデルの作成装置において、
    前記複数の補強層を１層の複合体に置き換える複合体置換手段と、
    前記コードが前記補強層のタイヤ径方向中央に対して非対称であることにより生ずるカップリングの度合を示すカップリング剛性を予測するカップリング剛性予測手段と、を備え、
    前記複合体置換手段は、
    前記複数の各補強層の剛性を算出する手段と、
    前記各補強層の剛性に基づいて、前記複合体の膜力及びモーメントを算出する手段と、
    前記複合体の膜力及びモーメントに基づいて、前記複合体の剛性を算出する手段と、
    前記複合体の配置位置である前記複数の補強層のタイヤ径方向中心である中立面位置を算出する手段と、を有することを特徴とするタイヤモデルの作成装置。
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