JP5785457B2 - タイヤの耐久性の予測方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンピュータを用いたタイヤの耐久性の予測方法に関し、詳しくは損傷発生箇所を精度良く予測しうる方法に関する。

近年、コンピュータを用いてタイヤの耐久性をシミュレートする方法が、種々提案されている。従来の方法では、コンピュータに、タイヤを有限個の要素で離散化したタイヤモデルを入力し、このタイヤモデルに予め定められた荷重と内圧とを作用させて変形状態を計算し、変形したタイヤモデルの要素、例えばコード材をモデル化したコードモデルの要素の歪などの物理量を取得し、歪の大きい箇所を損傷発生箇所として予測する等が行われていた。関連する文献として、次のものがある。

特開２００５−１６４９号公報 特開２００６−２４０５４０号公報

ところで、従来のシミュレーションでは、歪として、引張歪、最大主歪又はせん断歪の値に基づいて損傷発生箇所が予測されている。しかしながら、発明者らの種々の実験の結果、このようなシミュレーション方法で予測した損傷発生箇所と、実際のタイヤの損傷発生箇所とが一致せず、両者の間に大きなズレがあることが判明した。

発明者らは、鋭意研究を行った結果、タイヤのビード部には、走行中に大きな曲げ変形及び荷重が作用すること、かつ、ビード部内をのびているカーカスプライや補強層のコード材料には、そのコード長手方向に沿った圧縮歪が局部的に作用する位置があり、この圧縮歪が大きい箇所に損傷が集中していることを突き止め、本発明を完成させるに至った。

以上のように、本発明は、コード材料をモデル化したコードモデルの各要素の長手方向に沿った圧縮歪を取得し、この圧縮歪の大きさに基づいて解析対象領域の損傷発生箇所を予測することを基本として、精度良く損傷発生箇所を予測しうるタイヤの耐久性の予測方法を提供することを主たる目的としている。

本発明のうち請求項１記載の発明は、コード材料で補強されたタイヤの耐久性をコンピュータを用いて予測する方法であって、前記コンピュータに、前記コード材料が有限個の要素でモデル化されたコードモデルを含むタイヤモデルを入力するモデル設定ステップと、前記コンピュータが、前記タイヤモデルに予め定められた内圧及び荷重を作用させ該タイヤモデルの変形計算を行う変形計算ステップと、前記コンピュータが、前記変形計算ステップから予め定められた解析対象領域に含まれる前記コードモデルの各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪と、前記コードモデルの各要素の温度とを取得する取得ステップと、前記コンピュータが、前記取得された圧縮歪及び温度にそれぞれ係数を乗じ、それらを含むパラメータの値が最大の要素を前記解析対象領域の損傷発生箇所として予測する予測ステップとを含むことを特徴とする。

本発明では、前記コンピュータに、コード材料が有限個の要素でモデル化されたコードモデルを含むタイヤモデルを入力するモデル設定ステップと、前記コンピュータが、前記タイヤモデルに予め定められた内圧及び荷重を作用させ該タイヤモデルの変形計算を行う変形計算ステップと、前記コンピュータが、前記変形計算ステップから予め定められた解析対象領域に含まれる前記コードモデルの各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪を取得する取得ステップと、前記コンピュータが、前記取得された圧縮歪の大きさに基づいて前記解析対象領域の損傷発生箇所を予測する予測ステップとを含む。

このような方法によれば、コードモデルの各要素の長手方向に沿った圧縮歪を取得し、この圧縮歪の大きさに基づいて解析対象領域の損傷発生箇所を予測することができるため、実際のタイヤで生じる損傷を精度良く予測することができる。

本実施形態で使用されるコンピュータ装置の斜視図である。 本実施形態の処理手順の一例を示すフローチャートである。 タイヤモデルの一例を視覚化して示す斜視図である。 その断面図である。 （ａ）はカーカスプライの部分斜視図、（ｂ）はカーカスプライモデルの斜視図である。 実施例のタイヤモデルについての計算結果であり、ビード部の各位置におけるコードモデルの歪を表すグラフである。 予測ステップの処理手順を示すフローチャートである。 実施例のシミュレーションで予測された損傷発生箇所と実車損傷箇所とを示すビード部の断面図である。 従来例のシミュレーションで予測された損傷発生箇所と実車損傷箇所とを示すビード部の断面図である。

図１には、本実施形態のタイヤの耐久性を用いて予測する方法を実施するためのコンピュータ装置１の斜視図が示されている。該コンピュータ装置１は、本体１ａ、キーボード１ｂ、マウス１ｃ及びディスプレイ装置１ｄを含む。本体１ａには、図示していないが、演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＯＭ、作業用メモリ、大容量記憶装置及びディスクドライブ１ａ１、１ａ２などが適宜設けられる。そして、前記大容量記憶装置（記憶媒体）には後述する方法を実行するための処理手順（プログラム）の一部が記憶される。

図２には、本実施形態の処理手順の一例が示される。先ず、本実施形態では、コンピュータ装置１に、タイヤモデルが入力される（ステップＳ１）。

図３にはタイヤモデル２を視覚化した斜視図が、図４にはそのタイヤ回転軸を含む断面図が示されている。タイヤモデル２は、解析しようとする空気入りタイヤ（実在するか否かは問わない。）を有限個かつ小さな要素２ａ、２ｂ、２ｃ…に分割して三次元にモデル化される。各要素２ａ、２ｂ、２ｃ…は、例えば２次元平面としての三角形ないし四角形の膜要素、３次元要素としては、例えば４乃至６面体ソリッド要素などが用いられる。本実施形態のタイヤモデル２は、図４に示される二次元の断面形状が、タイヤ周方向に転写され、同一の断面形状がタイヤ周方向に連続するようにモデル化されている。

前記要素２ａ、２ｂ、２ｃ…は、変形計算が可能かつ前記コンピュータ装置１にて取り扱い可能な数値データからなり、各要素の節点の番号、座標値、要素形状及び材料特性等が定義されかつコンピュータ装置１に入力される。

前記変形計算としては、例えば有限要素法や有限体積法又は差分法などが含まれる。また前記材料特性としては、例えば、要素が表現している材料の密度、複素弾性率及び／又は損失正接などを含む。本実施形態では、各要素２ａ、２ｂ、２ｃ…は、物体（モデル）の変形とともに空間を移動するLagrange要素が用いられる。

図４に示されるように、タイヤモデル２は、タイヤのトレッド部がモデル化されかつ路面と接地するトレッド部モデル２Ｔと、タイヤのサイドウォールがモデル化された一対のサイドウォール部モデル２Ｓと、それらの内方端に連なるビード部モデル２Ｂとを有する。計算精度を高めるために、タイヤモデル２のトレッド部モデル２Ｔには、タイヤ周方向にのびる縦溝を含むトレッドパターンがモデル化されることが望ましい。

また、タイヤは、その骨格をなすカーカスプライ、該カーカスプライのタイヤ半径方向外側かつトレッド部に配されるベルトプライ、及び、ビード部に配されるビード補強プライといった各種コード材料で補強される。本実施形態のタイヤモデル２も、少なくとも前記カーカスプライ及びベルトプライがモデル化されたカーカスプライモデル３及びベルトプライモデル４を含んでいる。本実施形態のカーカスプライモデル３は、ビードコアをモデル化したビードコアモデル５の周りをタイヤ軸方向内側から外側に向けて折り返されている。

図５（ａ）には、一例としてカーカスを構成するカーカスプライｆの部分斜視図が示され、同図（ｂ）はそれと等価なカーカスプライモデル３が視覚化かつ分解されて示されている。カーカスプライｆは、複数のカーカスコードｃ１を平行に配列したコード配列体ｃと、該コード配列体ｃを被覆するトッピングゴムｔとから構成される。

図５（ｂ）に示されるように、カーカスプライｆをモデル化したカーカスプライモデル３は、例えば、カーカスコードｃ１の長手方向の引張弾性率が大きくかつ該長手方向と直角方向で引張弾性率が小さい異方性が定義されたシェル要素からなるカーカスコードモデル３ａと、その両側に配された例えば三次元ソリッド要素からなるトッピングゴムモデル３ｂとから構成される。なお、カーカスプライモデル３は、トッピングゴムとコード配列体ｃとを含めて１枚のシェル要素などに置き換えられても良い。

また、図示していないが、ベルトプライについても、カーカスプライモデル３と同様にモデル化される。また、カーカスプライモデル３及びベルトプライモデル４のコードをモデル化している部分を総称してコードモデルＣと呼ぶことがある。

次に、コンピュータ装置１に、路面モデルが入力される（ステップＳ２）。図３に視覚化して示されるように、路面モデル６は、タイヤモデル２が接触しうる幅と長さとを有して設定される。本実施形態の路面モデル６は、外力が作用しても変形しない剛要素で形成される。

次に、コンピュータ装置１に、境界条件が設定される（ステップＳ３）。設定される境界条件としては、タイヤモデル２を路面モデル４に接触させて変形計算を行うのに必要な各種の条件を含む。例えば、静的な変形計算（接地シミュレーション）の場合には、タイヤモデル２の内圧条件、リム条件、負荷荷重条件、キャンバー角などが含まれる。他方、動的な変形計算（転動シミュレーション）の場合には、上記条件に加えて、タイヤモデル２のスリップ角、走行速度及び／又はタイヤモデル２と前記路面モデル４との間の摩擦係数などが含まれる。

次に、図３に示したように、コンピュータ装置１は、タイヤモデル２に内圧及び荷重を作用させかつ路面モデル６に接触させてタイヤモデルの変形計算を行う（ステップＳ４）。本実施形態では、この変形計算として、タイヤモデル２を転動させることなく静的に路面モデル６に接地させる接地シミュレーションが行われる。変形計算は、要素の形状及び材料特性（例えば密度、弾性率、減衰係数）などをもとに、要素の質量マトリックス、剛性マトリックス及び減衰マトリックスが作成され、各マトリックスを組み合わせ、全体の系のマトリックスが作成される。そして、前記各種の条件を当てはめて運動方程式が作成され、これを微小な時間増分Δｔ刻みで前記コンピュータ装置１にて逐次計算することにより行われる。

次に、コンピュータ装置１は、前記変形計算（ステップＳ４）から予め定められた解析対象領域に含まれる前記コードモデルＣの各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪を含む物理量を取得する取得ステップを行う（ステップＳ５）。

前記解析対象領域とは、タイヤモデル２（言い換えれば、評価対象の空気入りタイヤ）の耐久性に関して、損傷の発生が予想される箇所を含む領域であり、例えば、ビード部、サイドウォール部又はトレッド部等の領域が予め設定される。この解析対象領域は、タイヤの内部構造や、カテゴリー及び荷重条件等に応じ、さらには、これまでの実験や経験則等を踏まえて定められる。また、計算コストを削減するために、解析対象領域は、タイヤモデル２の一部の領域であるのが望ましいが、タイヤモデル２の全体が指定されても良い。解析対象領域として、タイヤモデル２の一部が設定される場合、対象となる要素が特定され、コンピュータ装置１に予め入力されることになる。本実施形態では、上記解析対象領域として、タイヤモデル２のうち、ビード部モデル２Ｂが設定される。

また、本発明では、コンピュータ装置１によって、解析対象領域であるビード部モデル２Ｂに含まれるコードモデルＣ（即ち、この例ではカーカスプライモデル３のカーカスコードモデル３ａ）の各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪が取得される。

図６には、ビード部モデル２Ｂに含まれるカーカスコードモデル３ａの２５個要素の各歪を示すグラフである。また、本実施形態では、静的なシミュレーションであるため、要素の周方向位置によって歪は異なる。図６の歪みは、接地部の中心位置でのものである。また、また、縦軸は歪（マイナスが圧縮）を示す、横軸がビードコアモデル５の内面ＢＬからのタイヤ半径方向の距離を示している。

さらに、図６において、黒のプロットは、タイヤモデルに内圧のみを充填して変形させたインフレート状態での歪を、また白抜きプロットは、インフレート状態に荷重を負荷した状態での歪をそれぞれ示している。本実施形態では、コンピュータ装置１は、実際の走行状態に近いインフレートかつ荷重負荷時で計算された要素のコード長手方向の歪の値を、要素毎に、メモリ又は記憶装置に記憶する。

次に、本発明では、前記コンピュータ装置１が、前記取得された圧縮歪の大きさに基づいて前記解析対象領域の損傷発生箇所を予測する予測ステップを行う（ステップＳ６）。予測ステップは、図７に示されるように、取得されたコードモデルＣの各要素の圧縮歪を調べ、その大きさが最大である要素を特定し（ステップＳ５１）、この特定された要素を損傷発生箇所としてディスプレイ装置１ｄ等に表示する（ステップＳ５２）。このような予測ステップは、コードモデルＣの各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪の大きさに基づいて解析対象領域の損傷発生箇所を予測することができるため、実際のタイヤで生じる損傷と相関の良い予測が可能になる。

図８には、解析対象となる空気入りタイヤにドラム耐久テストを行ったときにビード部で生じた損傷発生箇所を符号Ａで、また本実施形態で予測した損傷発生箇所を符号Ｂで示している。本実施形態の方法では、実際の走行で生じる損傷と非常に相関の良い予測が可能になっていることが確認できる。

一方、図９には、ゴムをモデル化したゴムモデルについて、引張歪みが最大となる要素から予測された損傷発生箇所が符号Ｂ’で示されている。損傷発生箇所Ｂ’は、実際の損傷発生箇所Ａと大きく乖離していることが確認できる。

本発明では、上記の実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば。前記取得ステップ（ステップＳ５）は、前記変形計算（ステップＳ４）から予め定められた解析対象領域に含まれる前記コードモデルＣの各要素の温度をさらに取得することもできる。そして、前記予測ステップ（ステップＳ６）では、取得された圧縮歪及び温度の大きさに基づいて前記解析対象領域の損傷発生箇所を予測することもできる。例えば、圧縮歪及び温度の和が最大となる要素や、各々の物理量に係数を乗じ、それらを加算したパラメータを用い、その値が最大の要素を損傷の発生箇所として判断することができる。

１ コンピュータ装置
２ タイヤモデル
３ カーカスプライモデル
４ ベルトプライモデル
Ｃ コードモデル

Claims (1)

1. コード材料で補強されたタイヤの耐久性をコンピュータを用いて予測する方法であって、
   前記コンピュータに、前記コード材料が有限個の要素でモデル化されたコードモデルを含むタイヤモデルを入力するモデル設定ステップと、
   前記コンピュータが、前記タイヤモデルに予め定められた内圧及び荷重を作用させ該タイヤモデルの変形計算を行う変形計算ステップと、
   前記コンピュータが、前記変形計算ステップから予め定められた解析対象領域に含まれる前記コードモデルの各要素のコード長手方向に沿った圧縮歪と、前記コードモデルの各要素の温度とを取得する取得ステップと、
   前記コンピュータが、前記取得された圧縮歪及び温度にそれぞれ係数を乗じ、それらを含むパラメータの値が最大の要素を前記解析対象領域の損傷発生箇所として予測する予測ステップとを含むことを特徴とするタイヤの耐久性の予測方法。
   

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