(57)【要約】【課題】スタッド孔に嵌合されたスタッドピンの耐抜け性能を精度良く予測することができるタイヤのシミュレーション方法及び装置を提供する。【解決手段】スタッドピンモデル４の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを設定し、スタッドピン３の先端部に相当する位置に設定した第１節点６０と、第１節点６０から引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへ離れた位置に設定した第２節点７０ａ〜７０ｍを追加し、第２節点７０ａ〜７０ｍが第１節点６０との距離を一定に保ちつつ、対応する引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍのみへ第２節点７０ａ〜７０ｍが移動するように第１節点６０及び第２節点７０ａ〜７０ｍの拘束条件を設定し、スタッドピンモデル４をゴムモデル５のスタッド孔２に嵌合させて作成したタイヤモデル６において、スタッドピンモデル４を引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへ移動させてゴムモデル５の変形を計算することによりゴムモデル５に発生する反力を取得する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレッド部に設けられたスタッド孔に嵌合されたスタッドピンの引き抜き力をシミュレーションするタイヤのシミュレーション方法において、
前記スタッドピンを有限個の要素でモデル化したスタッドピンモデルを取得するステップと、
前記スタッド孔を含む前記トレッド部の少なくとも一部を有限個の要素でモデル化したゴムモデルを取得するステップと、
前記スタッドピンの先端部に相当する位置に第１節点を設定し、前記第１節点を前記スタッドピンモデルと剛体結合するステップと、
前記スタッドピンモデルを引き抜く方向を設定し、前記第１節点から前記スタッドピンモデルを引き抜く方向へ離れた位置に第２節点を追加し、前記第２節点が第１節点との距離を一定に保ちつつ、前記スタッドピンモデルを引き抜く方向のみへ前記第２節点が移動するように前記第１節点及び第２節点の拘束条件を設定するステップと、
前記スタッドピンモデルを、前記ゴムモデルの前記スタッド孔に嵌合させてタイヤモデルを作成するステップと、
前記タイヤモデルにおいて前記スタッドピンモデルを引き抜き方向へ移動させて前記ゴムモデルの変形を計算することにより、前記スタッドピンモデルを引き抜く際に前記ゴムモデルに発生する反力を取得するステップと
を備えるタイヤのシミュレーション方法。
【請求項２】
前記スタッドピンモデルを引き抜く方向が、タイヤ径方向に対して傾斜している請求項１に記載のタイヤのシミュレーション方法。
【請求項３】
前記スタッドピンモデルを引き抜く方向を複数設定し、
設定した複数の引き抜き方向毎に第２節点を設定し、
複数の引き抜き方向毎に前記スタッドピンモデルを引き抜く際に前記ゴムモデルに発生する反力を取得するステップを含む請求項１又は２に記載のタイヤのシミュレーション方法。
【請求項４】
複数の引き抜き方向毎に取得した反力のうち最小の反力及びその反力となる引き抜き方向を取得するステップを含む請求項３に記載のタイヤのシミュレーション方法。
【請求項５】
前記ゴムモデルを取得するステップは、前記スタッド孔とその周囲を有限個の要素でモデル化した第１ゴムモデルを取得するステップと、前記第１ゴムモデルの外側においてトレッド部を有限個の要素でモデル化した第２ゴムモデルを取得するステップと、前記第１ゴムモデルと前記第２ゴムモデルとを結合して前記ゴムモデルを取得するステップとを備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のタイヤのシミュレーション方法。
【請求項６】
トレッド部に設けられたスタッド孔に嵌合されたスタッドピンの引き抜き力をシミュレーションするタイヤのシミュレーション装置において、
前記スタッドピンを有限個の要素でモデル化したスタッドピンモデルを取得するスタッドピンモデル取得部と、
前記スタッド孔を含む前記トレッド部の少なくとも一部を有限個の要素でモデル化したゴムモデルを取得するゴムモデル取得部と、
前記スタッドピンの先端部に相当する位置に第１節点を設定し、前記第１節点を前記スタッドピンモデルと剛体結合する第１節点設定部と、
前記スタッドピンモデルを引き抜く方向を設定し、前記第１節点から前記スタッドピンモデルを引き抜く方向へ離れた位置に第２節点を追加し、前記第２節点が第１節点との距離を一定に保ちつつ、前記スタッドピンモデルを引き抜く方向のみへ前記第２節点が移動するように前記第１節点及び第２節点の拘束条件を設定する第２節点設定部と、
前記スタッドピンモデルを、前記ゴムモデルの前記スタッド孔に嵌合させてタイヤモデルを作成するタイヤモデル作成部と、
前記タイヤモデルにおいて前記スタッドピンモデルを引き抜き方向へ移動させて前記ゴムモデルの変形を計算することにより、前記スタッドピンモデルを引き抜く際に前記ゴムモデルに発生する反力を取得する反力取得部と
を備えるタイヤのシミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トレッド部に設けられたスタッド孔に嵌合されたスタッドピンの引き抜き力をシミュレーションするタイヤのシミュレーション方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トレッド表面にスタッドピンが打ち込まれた空気入りタイヤは、一般にスタッドタイヤ又はスパイクタイヤと称され、主に氷雪路での走行に供される。スタッドタイヤでは、氷雪路での走行性能を十分に発揮させるにスタッドピンの保持を高めることが重要となる。
【０００３】
そこで、従来より、スタッドピン及びスタッド孔を含むトレッドゴムのそれぞれを、有限個の要素でモデル化したスタッドピンモデル及びゴムモデルを用いて、スタッドピンの耐抜け性能を予測することが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2000-238510
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スタッドピンには車両走行時にタイヤ径方向以外にも様々な方向から引き抜き力が作用しているにも関わらず、特許文献１ではスタッドピンをタイヤ径方向外側へ引き抜く場合しか考慮されていない。しかも、タイヤには、通常、トレッド部に様々な形状の溝や陸部が形成されており、これらの形状によってスタッドピンが引き抜きやすい方向が異なっている。そのため、特許文献１では、スタッドピンの耐抜け性能を精度良く予測することが困難である。
【０００６】
そこで、スタッド孔に嵌合されたスタッドピンの耐抜け性能を精度良く予測することができるタイヤのシミュレーション方法及び装置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】
【０００７】
本発明は、トレッド部に設けられたスタッド孔に嵌合されたスタッドピンの引き抜き力をシミュレーションするタイヤのシミュレーション方法において、前記スタッドピンを有限個の要素でモデル化したスタッドピンモデルを取得するステップと、前記スタッド孔を含む前記トレッド部の少なくとも一部を有限個の要素でモデル化したゴムモデルを取得するステップと、前記スタッドピンの先端部に相当する位置に第１節点を設定し、前記第１節点を前記スタッドピンモデルと剛体結合するステップと、前記スタッドピンモデルを引き抜く方向を設定し、前記第１節点から前記スタッドピンモデルを引き抜く方向へ離れた位置に第２節点を追加し、前記第２節点が第１節点との距離を一定に保ちつつ、前記スタッドピンモデルを引き抜く方向のみへ前記第２節点が移動するように前記第１節点及び第２節点の拘束条件を設定するステップと、前記スタッドピンモデルを、前記ゴムモデルの前記スタッド孔に嵌合させてタイヤモデルを作成するステップと、前記タイヤモデルにおいて前記スタッドピンモデルを引き抜く方向へ移動させて前記ゴムモデルの変形を計算することにより、前記スタッドピンモデルを引き抜く際に前記ゴムモデルに発生する反力を取得するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、任意の方向へスタッドピンの引き抜き方向を設定することができるため、スタッドピンの耐抜け性能を精度良く予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】スタッドピン及びトレッド部のスタッド孔の断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係るタイヤのシミュレーション装置を示す図。
【図３】スタッドピンモデルを模式的に示す図。
【図４】ゴムモデルを模式的に示す図。
【図５】第１ゴムモデル及び第２ゴムモデルの一例を示す斜視図。
【図６】タイヤモデルを模式的に示す図。
【図７】図１のタイヤのシミュレーション装置が実行するシミュレーション方法を示すフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
本実施形態のタイヤのシミュレーション装置（以下、「装置」ということもある）１０は、図１に示すような、トレッド部１に設けられたスタッド孔２と、スタッド孔２に嵌合されたスタッドピン３とを備える空気入りタイヤにおいて、スタッド孔２に嵌合されたスタッドピン３の引き抜き力を算出する。
【００１２】
空気入りタイヤに設けられたスタッドピン３は、トレッド部１のスタッド孔２に嵌合される基部３ａと、基部３ａの端面３ｂからタイヤ半径方向外側に突出するスパイク部３ｃとを含んでいる。スパイク部３ｃは、トレッド部１の踏面１ａよりタイヤ径方向外方へ突出しており、空気入りタイヤの転動時に路面と接触して大きな摩擦力を発生させる。
【００１３】
装置１０は、図２に示すように、モデル取得部１１と、節点設定部１２、タイヤモデル作成部１３、反力取得部１４及び解析部２０とを備える。これらのモデル取得部１１と、節点設定部１２、タイヤモデル作成部１３及び反力取得部１４は、ＣＰＵ、メモリ、各種インターフェイス等を備えたパソコン等の情報処理装置においてＣＰＵが予め記憶されている図示しない処理ルーチンを実行することによりソフトウェア及びハードウェアが協働して実現される。
【００１４】
装置１０は、キーボードやマウス等の既知の操作部を介してユーザからの操作を受け付け、空気入りタイヤに関するデータや、スタッドピンモデル４を引き抜く方向（以下、「引き抜き方向」ということもある）Ｐａ〜Ｐｍなどの条件に関するデータの設定を受け付け、これらのデータをメモリに記憶する。
【００１５】
モデル取得部１１は、スタッドピン３を有限個の要素でモデル化したスタッドピンモデル４を取得するスタッドピンモデル取得部１５と、スタッド孔２を含むトレッド部１の一部を有限個の要素でモデル化したゴムモデル５を取得するゴムモデル取得部１６とを備える。
【００１６】
図３に示すように、スタッドピンモデル４は、有限要素法によって取り扱い可能な有限個の要素４０でモデル化されている。なお、本実施形態では要素４０が４つの節点４１を有する四辺形要素が用いられているが、これ以外にも、例えば、３つの節点を有する三角形要素や、２つの節点を有するビーム要素や、4つ以上の節点を有する3次元の連続体要素などが用いられても良い。
【００１７】
スパイク部３ｃはトレッド部１のスタッド孔２との嵌合に影響しない。そのため、本実施形態においてスタッドピンモデル取得部１５に入力されるスタッドピンモデル４は、図１に示すスタッドピン３の基部３ａ及びスパイク部３ｃのうち、スタッド孔２に嵌合される基部３ａのみがモデル化されている。また、本実施形態のスタッドピンモデル４は、スタッドピン３の基部３ａの外表面近傍のみに限定してモデル化されている（図３及び図６参照）。
【００１８】
また、各要素４０には、要素番号、節点４１の番号、節点４１の座標値、及びスタッドピン３の材料特性（例えば密度、ヤング率、減衰係数等）などの数値データが定義される。これらの数値データは、コンピュータのメモリに記憶される。
【００１９】
本実施形態においてゴムモデル取得部１６に入力されるゴムモデル５は、図４及び図５に示すように、スタッド孔２とその周囲を有限個の要素５０ａでモデル化したスタッド孔２に対応する孔７を有する第１ゴムモデル５ａと、第１ゴムモデル５ａの外側においてトレッド部１を有限個の要素５０ｂでモデル化した第２ゴムモデル５ｂとを結合してなる。
【００２０】
第１ゴムモデル５ａは、スタッド孔２に対応する孔７の周囲に設けられる円柱状の領域をモデル化したものである。
【００２１】
また、第２ゴムモデル５ｂは、第１ゴムモデル５ａの外側に設けられていればその大きさ範囲に特段の制限はないが、例えば、図５に示すようにスタッド孔２が設けられた１つのブロックをモデル化したり、あるいはトレッド部１全体をモデル化することができる。
【００２２】
第１ゴムモデル５ａ及び第２ゴムモデル５ｂを構成する各要素５０ａ、５０ｂは、スタッドピンモデル４と同様に、要素番号、節点５１ａ，５１ｂの番号、節点５１ａ，５１ｂの座標値や、トレッド部１を構成するゴム材料の材料特性（例えば密度、ヤング率又は減衰係数等）などの数値データが定義される。
【００２３】
なお、図４に示すようにゴムモデル５において、第１ゴムモデル５ａを構成する要素５０ａは、第２ゴムモデル５ｂを構成する要素５０ｂより細かい要素であること、つまり、第１ゴムモデル５ａに設けられた節点５１ａの間隔が第２ゴムモデル５ｂに設けられた節点５１ｂの間隔より小さいことが好ましい。
【００２４】
節点設定部１２は、図２に示すように、第１節点設定部１７と第２節点設定部１８とを備える。第１節点設定部１７は、スタッドピンモデル４においてスタッドピン３の先端部に相当する位置にスタッドピンモデル４と剛体結合させた第１節点６０を設定する（図３参照）。
【００２５】
ここで、第１節点６０を設定するスタッドピン３の先端部に相当する位置は、スタッドピン３の中心軸上におけるスタッドピン３の基部３ａの端面３ｂからスパイク部３ｃの先端までに相当する領域に設けることができ、例えば、スタッドピン３の基部３ａの端面３ｂからスパイク部３ｃの突出方向へ５ｍｍ離れた位置までに相当する領域に設けることができる。
【００２６】
第２節点設定部１８は、図３に示すように、タイヤ径方向（言い換えれば、スタッドピン３の中心軸方向）Ｒと平行な引き抜き方向Ｐａに加えて、タイヤ径方向Ｒに対する傾斜角度が異なる複数の引き抜き方向Ｐｂ〜Ｐｍを設定する。また、第２節点設定部１８は、設定した複数の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍ毎に、第１節点６０より引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへ所定距離だけ離れた位置に複数の第２節点７０ａ〜７０ｍをそれぞれ設定する。
【００２７】
なお、本実施形態では、図３のように１３個の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍ及び第２節点７０ａ〜７０ｍを設定する場合について説明するが、第２節点設定部１８が設定する引き抜き方向及び第２節点の個数は、１個でも複数個でも任意に設定することができる。
【００２８】
また、第２節点設定部１８は、第２節点７０ａ〜７０ｍが第１節点６０との距離を一定に保ちつつ、第２節点７０ａ〜７０ｍが対応する引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍのみへ移動するように第１節点６０及び第２節点７０ａ〜７０ｍの移動を制限する拘束条件を設定する。つまり、第２節点７０ａは第１節点６０との距離を一定に保ちつつ引き抜き方向Ｐａのみへ移動し、他の第２節点７０ｂ〜７０ｍについても、第２節点７０ａ同様、第１節点６０との距離を一定に保ちつつ対応する引き抜き方向Ｐｂ〜Ｐｍのみへ移動するように、第２節点７０ａ〜７０ｍ毎に拘束条件を設定する。
【００２９】
タイヤモデル作成部１３は、スタッドピンモデル４を、ゴムモデル５のスタッド孔２に嵌合させて図６に示すようなタイヤモデル６を作成する。
【００３０】
反力取得部１４は、複数設定された引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍから１の引き抜き方向を選択し、タイヤモデル６において選択した引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへスタッドピンモデル４を移動させてゴムモデル５の変形を計算する。これにより、反力取得部１４は、選択した引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへスタッドピンモデル４を引き抜く際にゴムモデル５に発生する反力を取得する。取得した反力は、選択した引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへスタッドピン３をスタッド孔２から引き抜くために必要な引き抜き力に相当する。
【００３１】
反力取得部１４は、第２節点設定部１８において設定した複数の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍ毎にスタッドピンモデル４を引き抜く際にゴムモデル５に発生する反力を取得し、取得した反力を引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍと対応付けてメモリに記憶させる。
【００３２】
解析部２０は、反力取得部１４において複数の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍ毎に取得した反力のうち最小の反力と、最小の反力となる引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを取得し、これらをディスプレイ等の出力部から出力する。
【００３３】
次に、装置１０の動作について、主に図７を参照しつつ説明する。
【００３４】
まず、ステップＳ１において、スタッドピンモデル取得部１５がスタッドピンモデル４を取得する。
【００３５】
次いで、ゴムモデル取得部１６が第１ゴムモデル５ａ及び第２ゴムモデル５ｂを取得し（ステップＳ２、ステップＳ３）、取得した第１ゴムモデル５ａ及び第２ゴムモデル５ｂを結合してゴムモデル５を作成する（ステップＳ４）。
【００３６】
次いで、ステップＳ５において、第１節点設定部１７が第１節点６０を設定し、第２節点設定部１８が、引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍ、第２節点７０ａ〜７０ｍ及び拘束条件を設定する。
【００３７】
次いで、ステップＳ６において、タイヤモデル作成部１３が、スタッドピンモデル４をゴムモデル５の孔７に嵌合させて図６に示すようなタイヤモデル６を作成する。
【００３８】
次いで、反力取得部１４が、複数の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍから１の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを選択し（ステップＳ７）、その後、タイヤモデル６において選択した引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへスタッドピンモデル４を移動させてゴムモデル５の変形を計算し、ゴムモデル５に発生する反力を取得する（ステップＳ８）。
【００３９】
次いで、第２節点設定部１８において設定した複数の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍの全てについてスタッドピンモデル４を引き抜く際にゴムモデル５に発生する反力を取得したか否か判断し、反力を取得していない引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍが残存している場合（ステップＳ９のＮｏ）、ステップＳ１０へ進み、反力を取得していない引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを選択した後、ステップＳ８に戻り、ステップＳ１０において選択した引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍについてスタッドピンモデル４を引き抜く際にゴムモデル５に発生する反力を取得する。
【００４０】
そして、全ての引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍについてスタッドピンモデル４を引き抜く際にゴムモデル５に発生する反力を取得すると（ステップＳ９のＹｅｓ）、ステップＳ１１へ進み、解析部２０が、引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍについて取得した反力のうち、最小の反力と、最小の反力となる引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを出力部から出力する。
【００４１】
以上のような本実施形態の装置１０では、スタッドピンモデル４の引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍを設定し、スタッドピン３の先端部に相当する位置に設定した第１節点６０と、第１節点６０から引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへ離れた位置に設定した第２節点７０ａ〜７０ｍを追加し、第２節点７０ａ〜７０ｍが第１節点６０との距離を一定に保ちつつ、それぞれ対応する引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍのみへ第２節点７０ａ〜７０ｍが移動するように第１節点６０及び第２節点７０ａ〜７０ｍの拘束条件を設定し、スタッドピンモデル４をゴムモデル５の孔７に嵌合させて作成したタイヤモデル６において、スタッドピンモデル４を引き抜き方向Ｐａ〜Ｐｍへ移動させてゴムモデル５の変形を計算する。そのため、装置１０では、スタッドピン３をスタッド孔２から任意の方向へ引き抜くために必要な引き抜き力を予測することができ、スタッドピン３の耐抜け性能を精度良く予測することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、スタッド孔２とその周囲を要素５０ａでモデル化した第１ゴムモデル５ａと、第１ゴムモデル５ａの外側においてトレッド部１を要素５０ｂでモデル化した第２ゴムモデル５ｂとを結合してゴムモデル５を取得する。そのため、スタッド孔２の形状及びトレッド部１のパターン形状のいずれか一方を設計変更した場合に、他方のモデルを利用することができ、モデル最適化に要する作業工数を低減することができる。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これら実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…トレッド部、２…スタッド孔、３…スタッドピン、３ａ…基部、３ｂ…端面、３ｃ…スパイク部、４…スタッドピンモデル、５…ゴムモデル、５ａ…第１ゴムモデル、５ｂ…第２ゴムモデル、６…タイヤモデル、１０…装置、１１…モデル取得部、１２…節点設定部、１３…タイヤモデル作成部、１４…反力取得部、１５…スタッドピンモデル取得部、１６…ゴムモデル取得部、１７…第１節点設定部、１８…第２節点設定部、２０…解析部、６０…第１節点、７０ａ〜７０ｍ…第２節点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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