(57)【要約】【課題】タイヤ性能を精度よく予測することができる。【解決手段】タイヤ性能予測方法は、タイヤを有限個のタイヤ要素で分割したタイヤモデル３０と、タイヤモデル３０と接触する路面を有限個の路面要素で分割した路面モデル４０と、を設定し、タイヤモデル３０の回転軸に角速度及び並進速度を与えると共に、角速度及び並進速度の少なくとも一方を変化させてタイヤモデル３０のスリップ率を算出し、スリップ率に対するタイヤモデル３０のトラクション性能を算出する。【選択図】図２
2014210488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイヤを有限個のタイヤ要素で分割したタイヤモデルと、前記タイヤモデルと接触する路面を有限個の路面要素で分割した路面モデルと、を設定し、
前記タイヤモデルの回転軸に角速度及び並進速度を与えると共に、前記角速度及び前記並進速度の少なくとも一方を変化させて前記タイヤモデルのスリップ率を算出し、
前記スリップ率に対する前記タイヤモデルのトラクション性能を算出する
タイヤ性能予測方法。
【請求項２】
前記トラクション性能を、前記スリップ率に対する前記タイヤと前記路面との摩擦係数の大きさで定めた
請求項１記載のタイヤ性能予測方法。
【請求項３】
前記路面要素は、前記路面の深さ方向の長さが、前記路面の幅方向の長さ及び前記路面の幅方向と直交する方向の長さの少なくとも一方よりも長い要素である
請求項１又は請求項２記載のタイヤ性能予測方法。
【請求項４】
前記タイヤ要素は、前記タイヤモデルのタイヤ径方向の長さが、前記タイヤの周方向の長さ及び前記タイヤの幅方向の長さの少なくとも一方よりも長い要素である
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のタイヤ性能予測方法。
【請求項５】
コンピュータに、
タイヤを有限個のタイヤ要素で分割したタイヤモデルと、前記タイヤモデルと接触する路面を有限個の路面要素で分割した路面モデルと、を設定するステップと、
前記タイヤモデルの回転軸に角速度及び並進速度を与えると共に、前記角速度及び前記並進速度の少なくとも一方を変化させて前記タイヤモデルのスリップ率を算出するステップと、
前記スリップ率に対する前記タイヤモデルのトラクション性能を算出するステップと、
を含む処理を実行させるためのタイヤ性能予測プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測プログラムに係り、より詳しくは、有限要素法によりタイヤ性能を予測するためのタイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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要素に分割した有限要素モデルで近似すると共に、各要素に弾性率などの特性及び境界条件を与えてタイヤの変形状態を計算し、タイヤの動特性を数値解析する有限要素法（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ：ＦＥＭ）が多く用いられている。例えば、ＦＥＭを用いた、雪や土といった圧縮性の路面形成物上をタイヤで走行した場合のシミュレーション方法（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３３３２３７０号公報
【特許文献２】特許第３３０５７０５号公報
【特許文献３】特許第３３０５７０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、路面を走行する車両にとって重要な指標である、タイヤのスリップ率に対するタイヤのトラクション性能が考慮されていないため、タイヤ性能を精度よく予測することができない。
【０００５】
本発明は上記事実を鑑みて成されたものであり、タイヤ性能を精度よく予測することができるタイヤ性能予測方法及びタイヤ性能予測プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１記載のタイヤ性能予測方法は、タイヤを有限個のタイヤ要素で分割したタイヤモデルと、前記タイヤモデルと接触する路面を有限個の路面要素で分割した路面モデルと、を設定し、前記タイヤモデルの回転軸に角速度及び並進速度を与えると共に、前記角速度及び前記並進速度の少なくとも一方を変化させて前記タイヤモデルのスリップ率を算出し、前記スリップ率に対する前記タイヤモデルのトラクション性能を算出することを特徴とする。
【０００７】
なお、請求項２に記載したように、前記トラクション性能を、前記スリップ率に対する前記タイヤと前記路面との摩擦係数の大きさで定めてもよい。
【０００８】
また、請求項３に記載したように、前記路面要素は、前記路面の深さ方向の長さが、前記路面の幅方向の長さ及び前記路面の幅方向と直交する方向の長さの少なくとも一方よりも長い要素であってもよい。
【０００９】
また、請求項４に記載したように、前記タイヤ要素は、前記タイヤモデルのタイヤ径方向の長さが、前記タイヤの周方向の長さ及び前記タイヤの幅方向の長さの少なくとも一方よりも長い要素であってもよい。
【００１０】
請求項５記載のタイヤ性能予測プログラムは、コンピュータに、タイヤを有限個のタイヤ要素で分割したタイヤモデルと、前記タイヤモデルと接触する路面を有限個の路面要素で分割した路面モデルと、を設定するステップと、前記タイヤモデルの回転軸に角速度及び並進速度を与えると共に、前記角速度及び前記並進速度の少なくとも一方を変化させて前記タイヤモデルのスリップ率を算出するステップと、前記スリップ率に対する前記タイヤモデルのトラクション性能を算出するステップと、を含む処理を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、タイヤのスリップ率に対するトラクション性能を考慮しない場合と比較して、路面でのタイヤ性能を精度よく予測することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】コンピュータの電気系の要部構成を示したブロック図である。
【図２】タイヤ性能予測プログラムのフローチャートである。
【図３】タイヤモデル及び路面モデルの模式図である。
【図４】雪路面上でのタイヤのスリップ率に対する摩擦係数の関係を表した図である。
【図５】本実施形態に係るトラクション予測結果と実測結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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、一例として空気入りタイヤのタイヤモデルの作成や設計、性能解析等を実施するためのタイヤ性能予測装置としてのコンピュータ１２の構成を示した。
【００１４】
コンピュータ１２は、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。
【００１５】
Ｉ／Ｏ１２Ｅには、データ等を入力するためのキーボード１０、コンピュータ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、カーソル位置のメニュー項目等を選択又は選択解除したりする操作を行うためのマウス１６、ハードディスク１８、及び記録媒体としてのＣＤ−ＲＯＭが挿抜可能なＣＤ−ＲＯＭドライブ２２が接続されている。
【００１６】
ハードディスク１８には、後述するタイヤ性能予測プログラムや、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予測プログラムを読み込んで実行する。
【００１７】
なお、後述するタイヤ性能予測プログラムを予めＣＤ−ＲＯＭに記録しておき、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を介してＣＤ−ＲＯＭに記録されたタイヤ性能予測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、ＭＯ等の光磁気ディスクでもよく、この場合、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２に代えて、または更にＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＯドライブ等を用いればよい。
【００１８】
次に、本実施の形態の作用として、コンピュータ１２で実行されるタイヤ性能予測プログラムの処理について、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
【００１９】
まず、ステップＳ１００では、タイヤモデルを作成する。タイヤモデルは、本ステップで作成してもよいし、既に作成されたタイヤモデルのデータをハードディスク１８に記憶しておき、これを読み出してもよい。
【００２０】
タイヤモデルの作成にＦＥＭを用いる場合、タイヤ等の対象物を小さな幾つかの（有限の）小部分、すなわち要素に分割する（要素分割）。そして、この要素ごとに必要な数値計算を行った後、全部の要素を足し合わせることにより全体の応答を得る。
【００２１】
タイヤモデルの作成では、まず、タイヤ径方向断面のモデル（タイヤ断面モデル）を作成する。タイヤ断面モデルの外形は、例えばタイヤ外形をレーザー形状測定器等で計測した値を用いて作成することができる。また、タイヤ内部の構造は設計図面および実際のタイヤ断面データ等の正確な値を用いることができる。タイヤ断面モデルの作成後は、タイヤ断面モデルを周方向に一周分（３６０度）展開し、タイヤの３次元モデルを作成する。
【００２２】
図３に、一例として、要素分割されて作成されたトレッドパターン形状を有するタイヤモデル３０の概略図を示す。トレッドパターン形状としては、例えば、タイヤ周方向に複数の溝が設けられたリブ型、タイヤ周方向及びタイヤ幅方向に複数の溝が設けられたブロック型、及びブロック型のトレッドパターン形状の溝で区切られた各ブロックに細かい切り込みを施したサイプ型等が知られている。
【００２３】
タイヤ性能をより高精度に予測するには、タイヤモデル３０の要素分割を密に（要素数を多く）する方がよいが、一方で要素分割数を多くした場合、後述するタイヤと路面の連成計算等に要する計算時間が増大してしまい、効率的なタイヤ設計の妨げとなる。
【００２４】
そこで、発明者は、タイヤ径方向には、路面に接するタイヤの接地面内に比べて応力変化が少ないことに着目し、タイヤ径方向の要素分割は、路面に接するタイヤの接地面内の要素分割、すなわち、タイヤの周方向の要素分割及びタイヤの幅方向の要素分割のうち少なくとも一方の要素分割に比べて粗くするようにした。
【００２５】
このように要素分割されたタイヤ要素３０ａのタイヤ径方向の長さは、タイヤ要素３０ａのタイヤの周方向の長さ及びタイヤの幅方向の長さの少なくとも一方の長さより長くなるが、タイヤ要素３０ａにおいて、タイヤの周方向の長さとタイヤの幅方向の長さの平均値（タイヤ接地面要素長さ）に対するタイヤ径方向の長さの割合が、１１０％以上３００％以下の範囲となるように分割することが望ましい。
【００２６】
なぜなら、当該割合が１１０％未満の場合には、トラクション計算等の計算時間の増大を抑制する効果が薄れてしまい、３００％を超える場合には、タイヤモデル３０の要素分割が粗くなりすぎて、タイヤ性能の予測精度が低下してしまうためである。
【００２７】
こうした要素分割は、サイプのエッジにより表面摩擦力を得るエッジ効果を精度よく予測するために、リブ型及びブロック型より要素分割を密にする必要があるサイプ型のトレッドパターン形状を有するタイヤモデル３０の作成に、特に有効な方法である。
【００２８】
ステップＳ１０２では路面モデル４０を作成する。図３に示すように、作成する路面モデル４０は、路面形状を要素分割してできた各路面要素４０ａにより構成され、路面の摩擦係数μを選択設定することで得たい路面状態を再現させることができる。一例として、本実施形態に係る路面モデル４０は、雪路面モデルとして作成した。なお、路面モデル４０は、本ステップで作成してもよいし、既に作成された路面モデル４０のデータをハードディスク１８に記憶しておき、これを読み出してもよい。
【００２９】
タイヤ性能をより高精度に予測するには、路面モデル４０の要素分割を密にする方がよいが、一方で要素分割数を多くした場合、後述するタイヤと路面の連成計算等に要する計算時間が増大してしまい、効率的なタイヤ設計の妨げとなる。
【００３０】
そこで、発明者は、路面の深さ方向には、タイヤに接する路面の接地面内に比べて応力変化が少ないことに着目し、路面の深さ方向の要素分割は、タイヤに接する路面の接地面内の要素分割、すなわち、路面の幅方向の要素分割及び路面の幅方向と直交する方向の要素分割のうち少なくとも一方の要素分割に比べて粗くするようにした。
【００３１】
このように要素分割された路面要素４０ａの路面の深さ方向の長さは、路面要素４０ａの路面の幅方向の長さ及び路面の幅方向と直交する方向の長さの少なくとも一方の長さより長くなるが、路面要素４０ａにおいて、路面の幅方向の長さと路面の幅方向と直交する方向の長さの平均値（路面接地面要素長さ）に対する路面の深さ方向の長さの割合が、１２０％以上５００％以下の範囲となるように分割することが望ましい。
【００３２】
なぜなら、当該割合が１２０％未満の場合には、トラクション計算等の計算時間の増大を抑制する効果が薄れてしまい、５００％を超える場合には、路面モデル４０の要素分割が粗くなりすぎて、タイヤ性能の予測精度が低下してしまうためである。
【００３３】
また、路面モデル４０におけるタイヤに接する接地面内の要素分割は、タイヤモデル３０における路面に接する接地面内の要素分割より粗くしてもよい。例えば、タイヤ接地面要素長さを０．５ｍｍ、路面接地面要素長さを１．０ｍｍ、路面の深さ方向の長さを１．５ｍｍに設定するようにしてもよい。なお、路面接地面要素長さはタイヤ接地面要素長さの２０倍以下にすることが望ましい。この場合、タイヤモデル３０の雪路面への貫入等による変形を考慮した上で、トラクション計算等の計算時間の短縮が期待できる。
【００３４】
なお、ＦＥＭを用いたタイヤモデル３０及び路面モデル４０の作成は、本出願人による特許第４４３７８８４号（登録特許公報）に記載されている方法を用いることができる。
【００３５】
ステップＳ１０４では、タイヤモデル３０及び路面モデル４０に解析上の境界条件を設定する。境界条件の設定に関しては、前記登録特許公報に記載されている方法を用いることができる。
【００３６】
ステップＳ１０６では、タイヤモデル３０の回転軸に対して角速度又は角加速度（以下、角速度等という）を与え、タイヤモデル３０の回転速度Ｖｗが予め定めた回転速度となるように制御する。
【００３７】
タイヤモデル３０の回転軸に与える角速度等は、例えば、角速度等の時間変化を示した角速度等関数、又は、時間に対する角速度等との関係が規定された角速度等テーブルに従って制御する。
【００３８】
ステップＳ１０８では、タイヤモデル３０の回転軸に対して並進速度（タイヤモデル３０の進行方向の速度）又は並進加速度（以下、並進速度等という）を与え、タイヤモデル３０の並進速度Ｖｖが予め定めた並進速度となるように制御する。
【００３９】
タイヤモデル３０の回転軸に与える並進速度等は、例えば、並進速度等の時間変化を示した並進速度等関数、又は、時間に対する並進速度等との関係が規定された並進速度等テーブルに従って制御する。なお、角速度等関数、並進速度等関数、角速度等テーブル、及び並進速度等テーブルは、例えば、不揮発性メモリ１２Ｄの予め定めた領域に予め記憶されている。
【００４０】
ステップＳ１１０では、タイヤモデル３０の回転軸に対して与えた角速度等及び並進速度等の少なくとも一方を変化させ、タイヤモデル３０のスリップ率Ｓを算出する。スリップ率Ｓは（１）式に示すように、並進速度Ｖｖと回転速度Ｖｗの差分を並進速度Ｖｖで除した値として計算される。
Ｓ＝｜Ｖｖ−Ｖｗ｜／Ｖｖ×１００［％］    ・・・（１）
【００４１】
この場合、タイヤモデル３０の並進速度Ｖｖを一定とした上で、タイヤモデル３０の回転軸に角速度等を与えて、回転速度Ｖｗを予め定められた割合で増大させることにより、スリップ率が０％以上３００％以下の範囲で変化するように制御する。
【００４２】
なお、スリップ率Ｓを算出する際の回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖの制御方法はこれに限らず、例えば、タイヤモデル３０の回転速度Ｖｗを一定とした上で、タイヤモデル３０の回転軸に並進速度等を与えて、並進速度Ｖｖを予め定められた割合で増大させてもよい。また、例えば、タイヤモデル３０の回転軸に角速度等を与えて、回転速度Ｖｗを予め定められた割合で増大させるよう制御した上で、タイヤモデル３０の回転軸に並進速度等を与えて、並進速度Ｖｖを増大させる等、結果としてスリップ率Ｓを算出できるのであれば、回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖをどのように制御してもよい。
【００４３】
また、タイヤのような慣性モーメントの大きな対象物に対して、回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖを急激に変化させるような制御をした場合、数値振動が発生しやすくなるため、回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖは加速方向又は減速方向に徐々に変化するよう制御することが望ましい。なお、回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖの制御は、角速度等関数又は角速度等テーブル、並びに、並進速度等関数又は並進速度等テーブルに基づいて制御する。
【００４４】
なお、本実施形態では、スリップ率Ｓを０％以上３００％以下の範囲で変化させたが、スリップ率Ｓの範囲がこの範囲より狭い範囲又は広い範囲となるように、回転速度Ｖｗ及び並進速度Ｖｖを制御してもよいことは言うまでもない。
【００４５】
また、本実施形態では、タイヤモデル３０の回転軸に角加速等及び並進速度等を与えたが、これは、単にトルクを加えただけでは、路面モデル４０の雪の状態やタイヤモデル３０の計算条件の違い等により、時間に対する回転速度Ｖｗと並進速度Ｖｖの増加の傾向が安定しないことが多く、スリップ率Ｓを安定して求めることが困難であるためである。
【００４６】
ステップＳ１１２では、タイヤモデル３０の変形計算及び路面モデル４０の雪の存在による流体計算をそれぞれ単独に計算した後、例えば、前記登録特許公報に記載されている方法を用いて、タイヤモデル３０と路面モデル４０の連成計算を実施する。
【００４７】
ステップＳ１１４では、ステップＳ１１０で算出したタイヤモデル３０のスリップ率Ｓ、及びステップＳ１１２で計算したタイヤモデル３０と路面モデル４０の連成計算結果に基づいて、スリップ率Ｓに対するタイヤモデル３０の摩擦係数μ（Ｓ−μ特性）をトラクション性能（タイヤの回転により生ずる駆動力を路面に伝える性能）として算出する。
【００４８】
図４に、一例として、ステップＳ１１４で算出した、トレッドパターン形状がリブ型、ブロック型、及びサイプ型であるタイヤモデル３０の雪路面モデル上でのＳ−μ特性を示す。同図から、スリップ率Ｓが０％以上３００％以下の範囲では、サイプ型のタイヤモデル３０の摩擦係数μが最も高くなることが計算上からも明らかであることがわかる。
【００４９】
ステップＳ１１６では各スリップ率における計算が終了したか否かを判定し、肯定判定の場合はステップＳ１１８に移行する。否定判定の場合は、再度ステップＳ１０６に移行し、スリップ率を変化させトラクション性能を算出する。
【００５０】
ステップＳ１１８では、ステップＳ１１４で算出したタイヤモデル３０のトラクション性能の予測性能を出力する。
【００５１】
ステップＳ１２０では、トラクション予測性能が許容値であるか、圧力等が局所的に上昇していないか等の指標に基づき、ステップＳ１１８で得られた予測性能を評価する。
【００５２】
ステップＳ１２２では、ステップＳ１２０で得られた評価結果から、予測性能が良好であるか否かを判断する。予測性能が目標性能以上である場合には、例えば、得られたタイヤの設計案をハードディスク１８に記憶し、タイヤ性能予測処理を終了する。一方、予測性能が目標性能に対して不十分である場合は、ステップＳ１２４に移行する。
【００５３】
ステップＳ１２４では、予測性能が目標性能以上となるように設計案を修正してステップＳ１００に移行し、これまでの処理をやり直す。
【００５４】
図５に、上述したタイヤ性能予測方法により算出されたタイヤのトラクション予測性能と、当該トラクション予測性能に係る設計案に基づき、実際に試作したタイヤを用いて実測したトラクション性能を比較した結果を示す。
【００５５】
なお、試作したタイヤのリム及び内圧は、ＪＡＴＭＡ  ＹＥＡＲ  ＢＯＯＫ（２０１１、日本自動車タイヤ協会規格）において規定されるラジアルプライタイヤのサイズに対応する適用リム及び空気圧−負荷能力対応表に基づいて設定した。また、試作したタイヤのタイヤサイズは、１９５／６５Ｒ１５である。雪上トラクション性能の実測値は、６Ｊ−１５のリムに内圧２００ｋＰａに設定した試作タイヤを、タイヤ単体でのトラクション計測が可能な雪上トラクション計測車両に装着し、雪道の発進試験にてスリップ率Ｓを０％以上３００％以下の範囲で変化させながら摩擦係数μを計測したもので評価を行った。
【００５６】
図５の結果は、パターン１（サイプなしのリブ型）でのトラクション予測及びトラクション実測に係る値をそれぞれ１００とした指数で表しており、この値が大きい程、雪路面上でのトラクション性能が良いことを示している。
【００５７】
図５から、本実施形態に係るトラクション予測値が、実測した各パターン間のトラクション性能の優劣と一致していることがわかる。すなわち、本実施形態に係るタイヤ性能予測方法は、パターン２（サイプなしのブロック型）のタイヤのみならず、パターン３（サイプ型）のタイヤのトラクション性能予測にも有効であることがわかる。
【００５８】
なお、本実施形態では、トラクション性能としてＳ−μ特性を求める場合について説明したが、トラクション性能を表すものであれば、他の特性を求めてもよい。
【００５９】
このように本実施形態によれば、ＦＥＭを用いて作成されたタイヤモデル３０及び路面モデル４０によりタイヤ性能を予測する際に、タイヤモデル３０の回転軸に角速度等及び並進速度等を与え、Ｓ−μ特性を予測することで、路面におけるタイヤのトラクション性能を精度良く予測することができるため、実際にタイヤを試作して性能評価する回数が減少し、タイヤ開発の効率化を図ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０  キーボード、１２  コンピュータ、１４  ディスプレイ、１８  ハードディスク、３０  タイヤモデル、３０ａ  タイヤ要素、４０  路面モデル、４０ａ  路面要素
【図１】
2014210488.tif 000003
【図２】
2014210488.tif 000004
【図３】
2014210488.tif 000005
【図４】
2014210488.tif 000006
【図５】
2014210488.tif 000007