(57)【要約】【課題】複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができる。【解決手段】タイヤ設計方法は、複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成するステップ１００と、設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求めるステップ１０２、１０４と、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成するステップと、
設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求めるステップと、
を含むタイヤ設計方法。
【請求項２】
前記タイヤモデルが、前記タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けないタイヤモデルの場合、前記予め定めた範囲は、前記周方向に沿った方向を０度として、前記複数のベルトのうち第１のベルトは０度〜＋４５度の範囲であり、前記複数のベルトのうち第２のベルトは０度〜−４５度の範囲である
請求項１記載のタイヤ設計方法。
【請求項３】
前記タイヤモデルが、前記タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けたタイヤモデルの場合、前記予め定めた範囲は、前記周方向に沿った方向を０度として、前記複数のベルトのうち第１のベルトは＋２０度〜＋７０度の範囲であり、前記複数のベルトのうち第２のベルトは−２０度〜−７０度の範囲である
請求項１記載のタイヤ設計方法。
【請求項４】
複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成する作成手段と、
設計変数として、前記複数のベルトの角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求める演算手段と、
を含むタイヤ設計装置。
【請求項５】
複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成するステップと、
設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求めるステップと、
を含む処理をコンピュータに実行させるためのタイヤ設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイヤ設計方法、タイヤ設計装置、及びタイヤ設計プログラムに係り、より詳しくは、タイヤのベルト角度を最適化するタイヤ設計方法、タイヤ設計装置、タイヤ設計プログラム、及びタイヤ性能解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タイヤ設計方法としては従来から種々の方法が知られているが、何れの設計方法についても、実験及び計算機を用いた数値実験による試行錯誤の繰り返しによって成り立っているので、開発に必要な試作・試験の工数が膨大で非常に非効率であり、開発コストがアップするためタイヤのコスト・パフォーマンスが低く、また開発期間の短縮も困難であった。
【０００３】
また、従来のタイヤの設計開発では、タイヤのある性能について目標値を定め、この目標値をクリアすれば一応終了とされ、与えられた資源で最良の性能、形状、構造を得るという考え方のものではなく、二律背反する性能を満足するよう設計するものでもなかった。
【０００４】
このため、本出願人は、異分野に利用されている「遺伝的アルゴリズム手法」をタイヤという特殊分野に応用することについても検討を試み、具体的にそれをタイヤ設計方法として確立して既に提案している（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
遺伝的アルゴリズムを適用した場合、目的変数や制約条件の感度を用いることなく設計変数の値を収束させることができるので、目的関数としてベルト端歪を用いた等の場合にも設計変数の最適化を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６７３３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術では、１枚のベルトに対して複数の角度や不連続な配置、１度以下の角度違いなどが最適解として得られ、現実に製造するのが困難である、という問題があった。また、遺伝的アルゴリズムでは局所的な最適解になりにくく、全体的な最適化を探査しやすい、と言われているが、得られた解が全体的な最適解となる保証がない、という問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事実を鑑みて成されたものであり、複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができるタイヤ設計方法、タイヤ設計装置、タイヤ設計プログラム、及びタイヤ性能解析方法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】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明のタイヤ設計方法は、複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成するステップと、設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、タイヤ性能評価用物理量の単純な大小比較により目的関数が最大又は最小となる設計変数、すなわち複数のベルトのベルト角度を求める。このため、遺伝的アルゴリズムのような複雑な手法を用いることなく、複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができる。
【００１１】
なお、請求項２に記載したように、前記タイヤモデルが、前記タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けないタイヤモデルの場合、前記予め定めた範囲は、前記周方向に沿った方向を０度として、前記複数のベルトのうち第１のベルトは０度〜＋４５度の範囲であり、前記複数のベルトのうち第２のベルトは０度〜−４５度の範囲であることが好ましい。
【００１２】
また、請求項３に記載したように、前記タイヤモデルが、前記タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けたタイヤモデルの場合、前記予め定めた範囲は、前記周方向に沿った方向を０度として、前記複数のベルトのうち第１のベルトは＋２０度〜＋７０度の範囲であり、前記複数のベルトのうち第２のベルトは−２０度〜−７０度の範囲であることが好ましい。
【００１３】
請求項４記載の発明のタイヤ設計装置は、複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成する作成手段と、設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求める演算手段と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれのタイヤ性能評価用物理量の単純な大小比較により目的関数が最大又は最小となる設計変数を求めるので、遺伝的アルゴリズムのような複雑な手法を用いることなく、複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明のタイヤ設計プログラムは、複数のベルトを含むタイヤのタイヤモデルを作成するステップと、設計変数として、前記複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれの前記タイヤ性能評価用物理量の大小比較により前記目的関数が最大又は最小となる前記設計変数を求めるステップと、を含む処理をコンピュータに実行させることを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、複数のベルトのベルト角度を予め定めた範囲内において各々複数設定し、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれのタイヤ性能評価用物理量の単純な大小比較により目的関数が最大又は最小となる設計変数を求めるので、遺伝的アルゴリズムのような複雑な手法を用いることなく、複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、複数のベルトのベルト角度を効率よく最適化することができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】タイヤの性能予測を実施するためのコンピュータの概略図である。
【図２】コンピュータの概略ブロック図である。
【図３】ベルト角度を最適化する処理のフローチャートである。
【図４】（Ａ）はタイヤの３次元モデルの一例を示す図、（Ｂ）はタイヤ断面モデルの一例を示す図である。
【図５】ベルト角度について説明するための図である。
【図６】２枚の補強交錯ベルトの交差角度とタイヤの周方向の剛性及びせん断剛性との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
図１には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等を実施するためのタイヤ設計装置としてのコンピュータの概略が示されている。このコンピュータは、データ等を入力するためのキーボード１０、予め記憶された処理プログラムに従ってタイヤの３次元モデルの作成や設計等を実行するコンピュータ１２、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、及びディスプレイ１４に表示されたカーソルを所望の位置に移動させたり、カーソル位置のメニュー項目やオブジェクト等を選択したり選択解除したりドラッグしたりする操作を行うためのマウス１６を含んで構成されている。
【００２１】
コンピュータ１２は、図２に示すように、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。
【００２２】
Ｉ／Ｏ１２Ｅには、キーボード１０、ディスプレイ１４、マウス１６、ハードディスク１８、及び記録媒体としてのＣＤ−ＲＯＭ２０が挿抜可能なＣＤ−ＲＯＭドライブ２２が接続されている。
【００２３】
ハードディスク１８には、後述するタイヤ設計プログラムや、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設計プログラムを読み込んで実行する。
【００２４】
なお、後述するタイヤ設計プログラム等は、例えばＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を用いてＣＤ−ＲＯＭ２０に対して読み書き可能とすることもできるので、後述するタイヤ設計プログラムは、予めＣＤ−ＲＯＭ２０に記録しておき、ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２を介してＣＤ−ＲＯＭ２０に記録されたタイヤ設計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、ＭＤ，ＭＯ等の光磁気ディスクがあり、これらを用いるときには、上記ＣＤ−ＲＯＭドライブ２２に代えて、またはさらにＤＶＤ−ＲＯＭドライブ、ＭＤドライブ、ＭＯドライブ等を用いればよい。
【００２５】
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設計プログラムの処理ルーチンについて図３に示すフローチャートを参照して説明する。
【００２６】
まず、ステップ１００では、タイヤ設計案を数値解析上のモデルに落とし込むためのタイヤのタイヤモデルを作成する。このタイヤモデルの作成は、用いる数値解析手法により若干異なる。数値解析手法としては、例えば有限要素法（ＦＥＭ）を用いることができる。
【００２７】
従って、上記ステップ１０２で作成するタイヤモデルは、有限要素法（ＦＥＭ）に対応した要素分割、すなわちメッシュ分割によって複数の要素に分割され、タイヤを数値的・解析的手法に基づいて作成されたコンピュータプログラムヘのインプットデータ形式に数値化したものをいう。この要素分割とはタイヤ、及び路面（後述）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ことをいう。この要素ごとに計算を行い全ての要素について計算した後、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ことができる。
【００２８】
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。
【００２９】
図４（Ｂ）には、一例として乗用車用タイヤの断面モデルの一例を示した。同図（Ｂ）に示したタイヤモデルは、一例として１枚のカーカスプライ、カーカスプライの外側に２枚の補強交錯ベルトを備えた構成のタイヤの断面モデルである。
【００３０】
２枚の補強交錯ベルトは、タイヤの周方向（赤道面）に対して傾斜したコード（スチールコード）を交差させた２層のベルトである。
【００３１】
タイヤの断面モデルを作成した後は、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（３Ｄ）モデルを作成する。このようにして、図４（Ａ）に示すようなタイヤモデルが作成される。
【００３２】
ステップ１０２では、タイヤ性能評価用物理量を表す目的関数、設計変数、及び制約条件を設定する。本実施形態では、例えば目的関数は、予め定めた条件（例えばスリップ角１度）でタイヤに発生する横力とし、設計変数は、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度とする。また、制約条件は、例えばタイヤ幅方向中央部の半径方向の変位量が予め定めた範囲内等とすることができるが、制約条件の設定の仕方はこれに限られるものではない。
【００３３】
なお、設計変数としての複数のベルトのベルト角度は、予め定めた範囲において複数設定するが、具体的な設定の仕方については後述する。
【００３４】
ステップ１０４では、設定した複数の前記ベルト角度の各々について、目的関数としてのタイヤ性能物理評価量を解析した解析結果を用いて、それぞれのタイヤ性能評価用物理量の大小比較により、目的関数が最大又は最小となる設計変数を求める。目的関数が最大となる設計変数を求めるのか、目的関数が最小となる設計変数を求めるのかは、目的関数であるタイヤ性能評価用物理量によって異なる。すなわち、タイヤ性能評価用物理量が大きい場合にタイヤ性能が高いと言える場合には、目的関数が最大となる設計変数を求め、タイヤ性能評価用物理量が小さい場合にタイヤ性能が高いと言える場合には、目的関数が最小となる設計変数を求める。
【００３５】
本実施形態では、目的関数がタイヤに発生する横力であり、この横力が高い方がタイヤ性能は高いと言える。このため、目的関数である横力が最大となる設計変数としての複数のベルトのベルト角度を求める。
【００３６】
本実施形態では、単純に目的関数としてのタイヤ性能物理評価量の大小比較により目的関数が最大又は最小となる設計変数を求めているが、数理計画法による予め定めた最適化設計方法を用いて、それぞれのタイヤ性能物理評価量の大小比較を行っても良い。数理計画法により、予め定めた制約条件を満たしながら目的関数が最大又は最小となる設計変数を求める最適化手法としては、例えば特開平７−１６４８１５号公報に記載された手法を用いることができるが、これに限られるものではない。
【００３７】
なお、タイヤの幅方向にベルト角度を変化させたり、タイヤの幅方向にベルトを分割して配置すると、既存のタイヤの製造設備を改造したりする必要があり、製造コストが上昇するため、本実施形態においては、タイヤの幅方向における各補強交錯ベルトのベルト角度を一定とし、各ベルトはタイヤの幅方向に分割せず、従来と同様に幅方向に連続して配置されているものとする。
【００３８】
ここで、ベルト角度とは、図５に示すように、タイヤ周方向Ｃを基準、すなわち０度として、タイヤ周方向Ｃに対するベルトの構成部材であるタイヤコードの角度を言う。例えば１枚目の第１の補強交錯ベルトがタイヤ周方向Ｃに対して＋側（右側）にθ度傾いている場合は、第１の補強交錯ベルトのベルト角度は＋θ度であり、第１の補強交錯ベルト上に配置される第２の補強交錯ベルトがタイヤ周方向Ｃに対して−側（左側）にθ度傾いている場合には、第２の補強交錯ベルトのベルト角度は−θ度である。そして、第１の補強交錯ベルトと第２の補強交錯ベルトとの交差角度は、±θ度（２θ度）である。
【００３９】
そして、タイヤの周方向を補強するスパイラルベルトのようにベルト角度が±１０度以下の周方向補強層を、２枚の補強交錯ベルトの上に設けた場合と設けない場合とで、設計変数としての補強交錯ベルトのベルト角度の設定範囲も異なる。
【００４０】
これは、一般にはスパイラルベルトのような周方向補強層が無い場合、交差する２枚の補強交錯ベルトで内圧充填時の周方向の張力を負担する必要がある。このため、交差する補強交錯ベルトの周方向の剛性が一定値以上である必要がある。
【００４１】
ここで、図５には、２枚の補強交錯ベルトの交差角度と、２枚の補強交錯ベルトのタイヤの周方向の剛性Ｅｘとの関係、２枚の補強交錯ベルトの交差角度と、２枚の補強交錯ベルトのせん断剛性Ｇｘｙとの関係を示した。
【００４２】
図６に示すように、２枚の補強交錯ベルトの周方向の剛性Ｅｘがある程度の剛性を持つには、交差角度が約±４５度以下である必要がある。従って、交差角度が±４５度を越える範囲については、基本的に設計変数として設定する必要はない。また、１度毎に設計変数を設定してもよいが、２度毎に設計変数を設定すれば、設計変数の数が１／２となり、計算時間も短縮することができる。
【００４３】
このため、タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けないタイヤモデルの場合、設計変数としての複数のベルトのベルト角度を設定する範囲としては、０度〜±４５度の範囲に設定する。すなわち、第１の補強交錯ベルトは０〜＋４５度の範囲に設定し、第２の補強交錯ベルトは０〜−４５度の範囲に設定する。
【００４４】
一方、周方向補強層を設けた場合、この補強層で内圧充填時の周方向張力を負担するので、交差する補強交錯ベルトの周方向の剛性は、周方向補強層が無い場合よりも低くて良い。そして、この場合、交差する補強交錯ベルトは、ある程度のせん断剛性Ｇｘｙを確保する必要がある。
【００４５】
図６に示すように、せん断剛性Ｇｘｙは±４５度の交差角度の時に最大となる。そして、せん断剛性Ｇｘｙの最大値の１／２のせん断剛性を確保するためには、交差角度は±２０度以上でかつ±７０度以下である必要がある。
【００４６】
このため、タイヤの周方向を補強する周方向補強層を設けたタイヤモデルの場合、設計変数としての複数のベルトのベルト角度を設定する範囲としては、±２０度〜±７０度の範囲に設定する。すなわち、第１の補強交錯ベルトは＋２０度〜＋７０度の範囲に設定し、第２の補強交錯ベルトは−２０度〜−７０度の範囲に設定する。
【００４７】
このように、全ての範囲の複数のベルトのベルト角度を設計変数として設定するのではなく、周方向補強層の有無に応じて一部の範囲のベルト角度を設計変数として設定するので、最適な複数のベルトのベルト角度を求めるための計算時間を短縮することができる。
【００４８】
例えば、遺伝的アルゴリズムを用いて最適な複数のベルトのベルト角度を求める場合において、人口２０×２０世代＝４００ケースについて計算した場合と、本実施形態のように、例えば第１の補強交錯ベルトのベルト角度を０〜＋４６度の範囲で２度毎に２４種類設定し、第２の補強交錯ベルトのベルト角度を０〜＋４６度の範囲で２度毎に２４種類設定し、合計２４×２４＝５７６ケースについて計算した場合について比較する。
【００４９】
例えば１ケース当たりの計算時間が１０分だとすると、従来の場合は４００ケース×１０分＝６７時間の計算時間が必要となる。また、本実施形態の場合は、５７６ケース×１０分＝９６時間の計算時間が必要となり、従来と比較して約３０時間計算時間が多いだけで、最適なベルト角度を算出することができる。従来は、計算機の能力が低かったため、計算時間が膨大となっていたが、近年の数値解析技術の進歩と計算機能力の向上により、遺伝的アルゴリズムのような難しい手法を使うこと無く、本実施形態のように、設計変数としてのベルト角度の範囲を限定することにより、最適なベルト角度を精度良く且つ効率的に求めることができる。
【００５０】
（実施例）
【００５１】
次に、本発明の実施例について説明する。タイヤサイズ１９５／６５Ｒ１５、リム幅６Ｊの乗用車用タイヤに対して、内部空気圧２１０ｋＰａで内圧充填し、荷重４．５ｋＮの負荷をかけてスリップ角１度で発生する横力を求め、この横力が最大となるベルト角度、タイヤ幅方向中央部の変位量、横力の最大値、最適化計算時間を求めた。以下に結果を示す。なお、ベルト角度以外は正規化した値としている。
【００５２】
【表１】
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ここで、従来例は、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度の設定範囲（探索範囲）を０〜±２５度で設定し、特許文献１記載の方法で横力が最大となるベルト角度を求めたものである。
【００５３】
また、ケース１は、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度を０〜±４５度の探索範囲内で３度毎に設定し、上記実施形態で説明した方法で横力が最大となるベルト角度を求めたものである。
【００５４】
また、ケース２は、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度を０〜±４５度の探索範囲で５度毎に設定し、上記実施形態で説明した方法で横力が最大となるベルト角度を求めたものである。
【００５５】
また、ケース３は、２枚の補強交錯ベルトの外周にナイロンの周方向補強層を１層設けると共に、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度を、１枚の補強交錯ベルトは−２０〜−７０度、もう１枚の補強交錯ベルトのベルト角度は＋２０〜＋７０度の探索範囲で２度毎に設定し、上記実施形態で説明した方法で横力が最大となるベルト角度を求めたものである。
【００５６】
また、ケース４は、２枚の補強交錯ベルトの外周にナイロンの周方向補強層を１層設けると共に、２枚の補強交錯ベルトのベルト角度を、１枚の補強交錯ベルトは−２０〜−７０度、もう１枚の補強交錯ベルトのベルト角度は＋２０〜＋７０度の探索範囲で１０度毎に設定し、上記実施形態で説明した方法で横力が最大となるベルト角度を求めたものである。
【００５７】
表１に示したように、ケース１〜ケース４の何れにおいても、従来例と比較してタイヤ幅方向中央部の半径方向の変位量が小さく、横力が大きくなる結果が得られた。
【００５８】
また、ケース１とケース２との比較、ケース３とケース４との比較から判るように、ベルト角度の設定間隔を大きくすることにより、計算時間を大幅に短縮できることが判った。
【符号の説明】
【００５９】
１０ キーボード
１２ コンピュータ
１４ ディスプレイ
１６ マウス
１８ ハードディスク
２０ ＣＤ−ＲＯＭ
２２ ＣＤ−ＲＯＭドライブ
【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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