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Dokumentenidentifikation DE60218930T2 06.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001262886
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Schätzung der Reifen/Rad Leistung mittels Simulation
Anmelder Sumitomo Rubber Industries Ltd., Kobe, Hyogo, JP
Erfinder Shiraishi, Masaki, 3-chome, Chuo-ku, Kobe-shi, Hyogo-ken, JP
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60218930
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.05.2002
EP-Aktenzeichen 020114633
EP-Offenlegungsdatum 04.12.2002
EP date of grant 21.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse G06F 17/50(2006.01)A, F, I, 20070226, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B60C 19/00(2006.01)A, L, I, 20070226, B, H, EP   B60B 21/00(2006.01)A, L, I, 20070226, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem/der eine Rollsimulation einer Reifen/Rad-Anordnung erstellt wird und das Leistungsvermögen oder Eigenschaften des Reifens, Rades und/oder der Anordnung abgeschätzt werden kann/können.

In dem US-Patent Nr. 6199026 wird eine Simulation eines rollenden Reifens unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens offenbart, wobei, um einen auf eine Radfelge aufgezogenen Luftreifen zu simulieren, wie in 25 gezeigt, die Wulstbreite w eines Reifenmodells (a) auf einen konstanten Wert gesetzt wird, der gleich der Felgenbreite ist, und eine Fläche (b) der Wulstabschnitte, die mit der Radfelge in Kontakt gelangt, davor zurückgehalten wird, ihre relative Position zu der Reifenachse CL in Bezug auf sowohl die Richtung der Reifenachse CL als auch die Normalrichtung (r) auf die Reifenachse zu ändern.

In der Realität wird ein Reifen jedoch auf ein Rad aufgezogen und die Eingriffskraft dazwischen hängt von verschiedenen Faktoren ab und die Antriebskraft und die Bremskraft werden durch das Rad auf den Reifen übertragen. Daher ist es wünschenswert, dass das gesamte Leistungsvermögen der Reifen/Rad-Anordnung unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie z. B. der Reibung und des Schlupfes zwischen dem Reifen und dem Rad abgeschätzt wird.

Die US-A-5 930 155 offenbart ein Verfahren zum Abschätzen der Haltbarkeit eines Rades durch Computersimulation eines dynamischen Radial-Ermüdungstests. Die Verteilung der auf das Rad aufgebrachten Spannung wird durch Computersimulation berechnet. Es wird ein Finite-Elemente-Modell des Radabschnitts und des Reifenabschnitts verwendet. Ein Druck durch Luft, die den Reifenabschnitt füllt, wird als ein Flächendruck modelliert, der auf eine Innenfläche des Reifenabschnitts wirkt, der mit dem Rad in Kontakt steht, und eine Presskontakt-Wirkung eines Reifenwulstabschnitts auf einen Radflansch wird als eine direkte Last, die auf den Radflansch wirkt, modelliert.

Solch ein Modell ist nicht in der Lage, die besonderen Bedingungen während des Aufziehens eines Reifens auf eine Felge zu berücksichtigen.

Es ist somit ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abschätzen des Reifen/Rad-Leistungsvermögens durch Simulation bereitzustellen, wobei ein Finite-Elemente-Modell eines Reifens und eines Rades verwendet wird, das eine genaue Simulation einer rollender Reifen/Rad-Anordnung und somit eine genaue Abschätzung des Leistungsvermögens oder der Eigenschaften solch einer Anordnung erlaubt.

Dieses Ziel wird durch ein Verfahren zum Abschätzen des Reifen/Rad-Leistungsvermögens durch Simulation gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5 erreicht.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.

1 zeigt eine Vorrichtung zum Abschätzen eines Reifen/Rad-Leistungsvermögens gemäß der vorliegenden Erfindung.

2 ist ein Flussdiagramm einer Reifenentwicklung, in dem ein Verfahren zum Abschätzen eines Reifen/Rad-Leistungsvermögens gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten ist.

3 ist ein Flussdiagramm zum Herstellen eines Reifen/Rad-Anordnungs-Modells.

4 zeigt eine beispielhafte innere Struktur eines Luftreifens.

5 zeigt ein Finite-Elemente-Modell eines Luftreifens.

6 zeigt ein Finite-Elemente-Modell des Luftreifens.

7 ist eine grafische Darstellung zum Erklären eines Modells einer gummierten verstärkenden Kordschicht als ein komplexes Material.

8 zeigt ein beispielhaftes Rad, auf das ein Luftreifen aufgezogen wird.

9 ist eine Querschnittsansicht eines Felgenteils des Rades.

10 zeigt ein Finite-Elemente-Modell des Rades.

11(A) und 11(B) zeigen eine Modellierung unter Verwendung von vierflächigen Elementen und sechsflächigen Elementen.

12 ist ein Flussdiagramm einer Reifenaufzieh-Simulation.

13 zeigt einen Übergangszustand, in dem das Reifenmodell noch nicht vollständig auf das Radmodell aufgezogen ist.

14 zeigt einen Zustand, in dem das Reifenmodell vollständig auf das Radmodell aufgezogen ist.

15 ist ein Flussdiagramm einer Rollsimulation.

16 ist eine grafische Darstellung zum Erklären, wie ein Druck auf eine Elementfläche auf die Knoten verteilt wird.

17(A) und 17(B) zeigen jeweils ein Modell eines Straßenbelags.

18 zeigt einen Zustand, in dem das Reifenmodell, das auf das Radmodell aufgezogen, aufgepumpt und belastet ist, mit dem Straßenbelag in Kontakt steht.

19 ist eine Draufsicht zum Erklären eines Schlupfwinkels.

20 zeigt eine Szene der Rollsimulation, wobei das Reifen/Rad-Anordnungs-Modell auf einem Straßenmodell rollt.

21 zeigt einen Querschnitt des Reifen/Rad-Anordnungs-Modells während einer Kurvenfahrtsimulation.

22, 23 und 24 zeigen jeweils eine Spannungsverteilung eines Radmodells während einer Kurvenfahrt.

25 ist eine grafische Darstellung zum Erklären eines Verfahrens des Aufziehens eines Reifenmodells auf eine Radfelge nach dem Stand der Technik.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine rollende Reifen/Rad-Anordnung simulieren und ein Leistungsvermögen und Eigenschaften des Reifens, Rades und der Anordnung abschätzen kann. Bei dieser Ausführungsform wird ein universelles Computersystem als Vorrichtung 1 verwendet. Das Computersystem umfasst eine Tastatur 1b als eine Eingabevorrichtung, eine Maus 1c als eine Zeigeeinrichtung, eine Anzeige 1d als eine Ausgabevorrichtung, eine CPU, einen Speicher, eine Massenspeichervorrichtung wie z. B. eine Festplatte, ein Diskettenlaufwerk 1a2, ein CD-Laufwerk 1a1, einen Drucker und dergleichen. Die unten erwähnten Simulationsprogramme, Beurteilungsprogramme und dergleichen sind auf einer Massenspeichervorrichtung gespeichert. Daten, die sich auf den Reifen, das Rad, die Straße und dergleichen beziehen, und die Simulationsbedingungen werden eingegeben und in der Speichervorrichtung gespeichert.

2 zeigt ein Beispiel eines Reifen/Rad-Entwicklungsverfahrens, in dem ein Verfahren zum Abschätzen eines Reifen/Rad-Leistungsvermögens durch Simulation gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten ist.

Das Reifen/Rad-Entwicklungsverfahren wird nun im Detail in der Reihenfolge von Ereignissen beschrieben.

Bei diesem Verfahren wird zunächst ein Modell einer abzuschätzenden Anordnung aus einem Reifen und einem Rad (hierin nachfolgend als „Reifen/Rad-Anordnungs-Modell" bezeichnet) erstellt. (Prozess S1)

3 zeigt ein Beispiel der Subroutine zum Erstellen des Reifen/Rad-Anordnungs-Modells, wobei der Reifen in Finite-Elemente 2a, 2b, 2c --unterteilt ist, aus denen ein Modell (Reifenmodell) des Reifens gebildet wird. (Prozess S11)

Der Reifen in diesem Beispiel ist einen Luftreifen T. 4 zeigt eine beispielhafte innere Struktur eines Luftreifens T, der einen Laufflächenabschnitt 12, ein Paar Seitenwandabschnitte 13, ein Paar Wulstabschnitte 14, jeweils mit einem Wulstkern 15 darin, eine Karkasse 16, die eine Karkasslage 16 umfasst, einen Gürtel 17, der zwei gekreuzte Breakerlagen 17A und 17B umfasst, die radial außerhalb der Karkasse 16 angeordnet sind, und Gummikomponenten mit einem Laufflächengummi 12G, einem Seitenwandgummi 13G, einem Wulstgummi 14G und dergleichen umfasst.

Die verstärkende Kordschicht wie z. B. die Karkasslage 16A, die Gürtellage 17A, 17B und dergleichen ist ein komplexes Material F, das aus verstärkenden Korden und Gummierungsgummi hergestellt ist.

In Bezug auf die Elemente 2a, 2b, 2c --- des Reifenmodells sind Koordinaten ihrer Knoten, Formen, Materialeigenschaften wie z. B. Dichte, Elastizitätsmodul, Dämpfungskoeffizient und dergleichen definiert.

5 zeigt ein beispielhaftes Reifenmodell 2 eines Luftreifens, wobei Koordinatendaten, die sich auf die Finite-Elemente 2a, 2b, 2c --- beziehen, durch das Computersystem 1 dreidimensional visualisiert sind. Was die Elemente 2a, 2b, 2c --- betrifft, können hierfür verschiedene Elemente verwendet werden. Zum Beispiel werden zweidimensionale Elemente wie ein vierseitiges Element, dreidimensionale Elemente wie ein vierflächiges festes Element, ein fünfflächiges festes Element, ein sechsflächiges festes Element und dergleichen in Übereinstimmung mit der Form, dem Material und den Eigenschaften des Objekts verwendet.

Für die Gummibestandteile werden üblicherweise dreidimensionale feste Elemente verwendet. In dem Laufflächengummi des in 5 gezeigten Reifenmodells sind das Laufflächenprofil oder die Laufflächenrillen wie z. B. Umfangsrillen und axiale Rillen genau modelliert. Wenn dies jedoch nicht so wichtig ist, ist es möglich, einige von den Laufflächenrillen wegzulassen oder das Laufflächenprofil wie bei einem in 6 gezeigten Reifenmodell 2' zu vereinfachen.

Jedenfalls ist, damit die Verteilungen des Bodendrucks und der Scherspannung in dem Laufflächenabschnitt genau angezeigt werden kann, die Umfangslänge eines jeden Elements vorzugsweise in einem Bereich von nicht mehr als 25% der Bodenkontaktlänge des Laufflächenabschnitts in der Reifenumfangsrichtung festgelegt. Ferner ist, damit eine Krümmung des Laufflächenprofils in dem Reifenmodell wiedergegeben werden kann, die axiale Breite eines jeden Elements vorzugsweise in einem Bereich von nicht mehr als 20 mm festgelegt.

Im Fall eines komplexen Materials F wie dem Gürtel (17A, 17B), wie in 7 gezeigt, ist ein Teil der Kordanordnung, das heißt, die parallelen Korde (c) und der Gummierungsgummi dazwischen, durch ein vierseitiges Membranelement (5a, 5b) modelliert. Der Teil aus dünnem Gummierungsgummi (t) auf jeder Seite der Kordanordnung ist durch ein sechsflächiges festes Element (5c, 5d, 5e) modelliert. Somit ist der Gürtel 17, der aus einer Vielzahl von Lagen 17A und 17B zusammengesetzt ist, durch ein komplexes Schalenelement modelliert, das aus abwechselnden festen Elementen und Membranelementen hergestellt ist, und das in diesem Beispiel gebildet wird, indem ein sechsflächiges festes Element 5c, ein vierseitiges Membranelement 5a, ein sechflächiges festes Element 5d, ein vierseitiges Membranelement 5b, ein sechsflächiges festes Element 5e, in dieser Reihenfolge, gestapelt werden. In Bezug auf das Membranelement sind eine Dicke gleich dem Korddurchmesser und eine Steifigkeitsanisotropie derart definiert, dass sich die Steifigkeit zwischen der kordorientierten Richtung und der orthogonalen Richtung darauf unterscheiden. Andererseits ist das feste Element als ein hoch viskoelastisches Material definiert.

Das Verfahren zum Unterteilen des Reifens in Finite-Elemente ist nicht auf ein spezielles Verfahren beschränkt, sofern die Art, Form, Eigenschaften und dergleichen eines jeden Elements wie oben erklärt entsprechend ausgewählt werden. Zum Beispiel kann das folgende Verfahren als ein vereinfachtes Verfahren zum Erstellen des Reifenmodells 2 verwendet werden. Zunächst wird eine zweidimensionale Form eines jeden Elements in einem Reifen-Meridianschnitt definiert. Anders ausgedrückt, die Querschnittsform des Reifens ist gemäß den Teilen, dem Material, den Formen und dergleichen in verschiedene Formen unterteilt. Danach wird die zweidimensionale Form in der Umfangsrichtung durch Drehen um die Reifenachse in kleinen Winkelintervallen oder kurzen Umfangslängenintervallen erweitert, um Elemente auf Basis einer kurzen Umfangslänge zu erstellen.

In jedem Fall muss der Reifenwulstabschnitt bis ins einzelne in Finite-Elemente unterteilt werden, um den aufgezogenen Zustand des Reifenwulstabschnitts und der Radfelge genau zu erfassen.

Gemäß der in 3 gezeigten Subroutine ist andererseits das Rad in Finite-Elemente unterteilt, aus denen ein Modell des Rades (hierin nachfolgend als „das Radmodell" 3 bezeichnet) gebildet wird. (Prozess S12) In diesem Beispiel ist das Rad ein Leichtmetallrad Wh, es kann aber auch ein Rad aus Stahl oder einem anderen Material sein.

8 zeigt ein Beispiel des Leichtmetallrades Wh und eine teilweise Querschnittsansicht davon ist in 9 gezeigt.

Das Rad Wh umfasst einen Felgenabschnitt Wr und einen Plattenabschnitt Wd. Der Felgenabschnitt Wr umfasst ein Paar Wulstsitze Wr2, ein Felgenbett Wr1 dazwischen und ein Paar Felgenhörner Wr3. Der Plattenabschnitt Wd besteht aus fünf Speichen Wd2 und einer Nabe Wd1, die mit Bolzenlöchern Wd3 versehen ist.

10 zeigt ein beispielhaftes Radmodell 3 des Rades Wh, wobei Koordinatendaten, die sich auf die Finite-Elemente 3a, 3b, 3c -- des Radmodells 3 beziehen, durch das Computersystem 1 dreidimensional visualisiert sind.

In diesem Beispiel sind die Elemente 3a, 3b, 3c --- vierflächige Elemente, und zwar dreidimensionale Elemente. Weitere Elemente wie z. B. ein fünfflächiges Element, ein sechsflächiges Element, ein planares Schalenelement und dergleichen können jedoch in Übereinstimmung mit der Form und der Struktur des Rades ebenfalls verwendet werden.

Im Fall von relativ dicken Rädern wie z. B. Aluminiumrädern können vorzugsweise vierflächige, fünfflächige und sechsflächige Elemente verwendet werden. 11(A) zeigt ein Teil, das in vierflächige Elemente Ea unterteilt ist. 11(B) zeigt ein Teil, das in sechsflächige Elemente Eb unterteilt ist. Im Fall von relativ dünnen Rädern wie z. B. Stahlrädern kann ein Schalenelement verwendet werden. In jedem Fall müssen die Wulstsitze Wr2 und die Felgenhörner Wr3 bis ins einzelne in Finite-Elemente unterteilt werden, um einen Zustand genau zu simulieren, in dem der Reifen auf die Felge aufgezogen ist, um genaue Daten über die Kontaktdruckverteilung und dergleichen zu beschaffen.

In der in 3 gezeigten Subroutine ist die Reihenfolge des Prozesses S11 zum Erstellen des Reifenmodells 2 und des Prozesses S12 zum Erstellen des Reifenmodells 3 nicht wesentlich. Die Reihenfolge kann umgekehrt sein. Ferner können diese Prozesse gleichzeitig durchgeführt werden.

Als Nächstes wird, wie in 3 gezeigt, das Reifenmodell 2 auf das Radmodell 3 aufgezogen, und zwar wird solch eine Simulation (hierin nachfolgend als die „Reifenaufzieh-Simulation" bezeichnet) erstellt, indem ein Finite-Elemente-Verfahren als ein numerisches Analyseverfahren verwendet wird. (Prozess S13)

Bei der Reifenaufzieh-Simulation wird unter Verwendung des Reifenmodells 2 und des Radmodells 3 die Bewegung und das Verhalten des Reifens während des Aufziehens auf die Radfelge (numerisch und optional visuell) auf dem Computersystem 1 als eine Zeitreihenanalyse wiedergegeben.

Die Reifenaufzieh-Simulation kann zum Beispiel gemäß den in 12 gezeigten Prozessen S131, S132 und S133 erstellt werden.

In dem ersten Prozess S131 wird das Reifenmodell 2 zurückgehalten, sodass hauptsächlich die Seitenwandabschnitte und Wulstabschnitte wie in 13 gezeigt verformt werden, um die Wulstbreite unter die Felgenbreite zu verringern. Um das Reifenmodell 2 derart zu verformen, wird eine axial nach innen gerichtete Kraft F auf jeden der Wulstabschnitte, zum Beispiel auf den Wulstkern, aufgebracht. In diesem Prozess S131 wird in Bezug auf jedes der Elemente des Reifenmodells 2 seine Verformung auf Grund der axialen Kraft berechnet und die Ergebnisse werden mithilfe einer Überlagerung in der gesamten Reifenverformung kombiniert.

Das Computersystem 1 kann die Berechnung der gesamten Verformung auf Basis eines sehr kurzen Zeitintervalls ausführen und kann die Ergebnisse nacheinander als visuelle Daten an die Anzeige 1d ausgeben.

Als Nächstes wird das Reifenmodell 2, dessen Wulstbreite wie oben verringert ist, zu dem Radmodell 3 bewegt, wie in 13 gezeigt.

In einem dreidimensionalen Koordinatensystem kann dieses Verfahren ausgeführt werden, indem die Koordinatendaten des Reifenmodells 2 relativ zu jenen des Radmodells 3 geändert werden, sodass die Rotationsachse CL1 des Reifenmodells 2 mit der Rotationsachse CL2 des Radmodells 3 zusammenfällt.

Somit kann ein Zustand des Reifens, dessen Wulstabschnitte in das Felgenbett Wr1 gefallen sind, auf dem Computersystem 1 simuliert werden.

Beim Ausführen der Simulation des Setzens des breitenverringerten Reifenmodells 2 um das Radmodell 3 herum ist es vorzuziehen, die Position eines Punktes des Reifens, z. B. eines Punktes an der Laufflächenfläche, zu fixieren, um eine instabile oder unstetige Bewegung des Reifenmodells 2 zu vermeiden.

In dem zweiten Prozess S132 wird die axiale Kraft F auf null verringert, um die Verformung von dem Reifenmodell 2 wegzunehmen und die Gesamtverformung (Rückbewegung) des Reifenmodells 2 wird berechnet, während Kontaktbedingungen zwischen den Wulstabschnitten und dem Radmodell 3, insbesondere eine Grenzbedingung, sodass die Fläche des Radmodells 3 als eine Barriere wirkt, die die Bewegung des Wulstabschnitts einschränkt, und eine Reibungsbedingung zwischen dem Reifenmodell 2 und dem Radmodell 3 erfüllt werden. Somit wird in diesem Prozess das Reifenmodell, das von der Kraft F freigegeben ist, um seine Rückwandlung zu erlauben, simuliert, wobei die Reibungskraft berücksichtigt wird. Das Computersystem 1 kann die Berechnung der Transformation dieser Rückwandlung auf Basis eines sehr kurzen Zeitintervalls ausführen und kann die Ergebnisse nacheinander auf der Anzeige 1d als visuelle Daten ausgeben.

In dem nächsten Prozess S133 wird, um ein Aufpumpen des Reifens von dem oben erwähnten in 13 gezeigten Übergangszustand in den oder in Richtung des in 14 gezeigten normalen aufgezogenen Zustand/s zu simulieren, die unten erwähnte gleichmäßig verteilte Last auf die Innenseite des Reifenmodells 2 aufgebracht und die Transformation des Objektes wird berechnet, während die Kontaktbedingungen erfüllt sind.

Unter der Voraussetzung, dass eine Elementfläche E, die durch eine Anzahl (m) von Knoten N definiert ist, unter dem Druck und einer Kraft P (Druck × Fläche) steht, die auf die Elementfläche E wie in 16 gezeigt aufgebracht wird, wird die Last, die der Kraft P entspricht, gleichmäßig auf jeden Knoten N verteilt, und zwar wird (P/m) auf jeden Knoten aufgebracht. Im Fall von 16, in dem die Anzahl (m) vier beträgt, wird eine Last, die ein Viertel der Kraft P beträgt, auf jeden Knoten N aufgebracht.

Um die Reibungskraft zwischen den Reifenwulstabschnitten und den Reifenfelgen-Wulstsitzen 3A zu berechnen, wenn die Wulstabschnitte durch das Aufbringen des Innendrucks axial nach außen bewegt werden, wird ein spezieller Reibungskoeffizient dazwischen definiert. In dem Fall, in dem ein Schmierfähigkeitsmittel aufgebracht wird, wird ein Wert von etwa 0,1 auf der Basis des tatsächlichen Wertes verwendet.

Ähnlich wie bei dem oben erwähnten Prozess S132 kann das Computersystem 1 die Berechnung dieser Transformation auf der Basis eines sehr kurzen Zeitintervalls ausführen und kann die Ergebnisse nacheinander an die Anzeige 1d als sichtbare Daten ausgeben.

Demgemäß wird der Prozess zum Aufblasen des Reifenmodells 2 in den/in Richtung des normalen aufgezogenen Zustand/s visualisiert und es ist möglich, das Verhalten des Reifenmodells 2 zu beobachten.

Ferner ist es durch die Simulation möglich, die Druckverteilung zwischen dem Radmodell 3 und dem darauf aufgezogenen Reifenmodell 2 abzuschätzen, und dadurch ist es möglich, die Schwierigkeit beim Aufziehen des Reifens auf das Rad und dergleichen zu beurteilen. Somit kann durch Verwendung der durch die Simulation beschafften Daten die Entwicklung des Reifenwulstprofils und des Felgenbettsitzprofils vorangebracht werden.

Wenn das Reifenmodell 2 durch den oben erwähnten Aufpumpdruck oder die Kraft P nicht richtig auf das Radmodell 3 aufgezogen wird, wird die Kraft P erhöht und die Aufziehsimulation wird erneut versucht.

Nachdem das Reifenmodell 2 richtig auf das Radmodell 3 aufgezogen wurde, wie in 14 gezeigt, wird der Reibungskoeffizient zwischen dem Reifenwulstabschnitt und dem Felgenbettsitz auf einen größeren Wert erhöht, zum Beispiel auf etwa 0,3, der auf der Basis des aktuellen Wertes bestimmt wird, wodurch die Reifenaufzieh-Simulation abgeschlossen wird und das Reifen/Rad-Anordnungs-Modell 4 erstellt ist.

Nachdem die Reifenaufzieh-Simulation abgeschlossen worden ist, wie in 2 gezeigt, wird eine Rollsimulation (Prozess S2) unter Verwendung des Reifen-Rad-Anordnungs-Modells 4 ausgeführt.

15 zeigt ein Beispiel der Rollsimulation.

Zunächst werden Rollbedingungen für das Reifen-Rad-Anordnungs-Modell 4 definiert. (Prozess S21)

Als Rollbedingungen können zum Beispiel Reifendruck, Reifenlast, Schlupfwinkel, Sturzwinkel, Reibungskoeffizient zwischen dem Reifen und dem Straßenbelag, Geschwindigkeit, Beschleunigung und dergleichen aufgeführt sein, und zumindest eine davon wird eingestellt.

Was den Reifendruck betrifft, so kann dieser definiert sein, wie oben stehend in Bezug auf die Kraft P erklärt ist.

Was die Reifenlast betrifft, so kann diese z. B. als eine vertikale Kraft Fs definiert sein, die auf die Drehachse CL2 des Radmodells 3 aufgebracht wird, wie in 18 gezeigt ist.

Was den Schlupfwinkel betrifft, so kann dieser, wie in 19 gezeigt, festgelegt werden, indem die unten stehend erwähnte Bewegungsrichtung eines Straßenbelagsmodells R unter einem bestimmten Winkel &agr; in Bezug auf die Mittellinie des Radmodells 2 in der Breitenrichtung geneigt wird, mit anderen Worten, er kann als solch ein Neigungswinkel &agr; definiert sein. Was den Sturzwinkel betrifft, so ist das Reifen/Rad-Anordnungs-Modell 4 entsprechend geneigt.

Was die Antriebskraft und die Bremskraft betrifft, so sind diese als ein Drehmoment definiert, das auf die Drehachse CL2 des Radmodells 3 und seine Änderung aufgebracht wird.

In Bezug auf das oben erwähnte Straßenbelagsmodell R ist in 17(A) ein Modell eines ebenen glatten Straßenbelag gezeigt. Ein Modell eines rauen Straßenbelags ist in 17(B) gezeigt. Bei diesen Modellen werden feste ebene Elemente EC verwendet. Im Fall einer Eisfahrbahn, einer Schneefahrbahn und einer nassen Fahrbahn wird, wie in 17(A) gezeigt, ein Fluidelement (Euler'sches Element) Fa, das das Eis, den Schnee und/oder Wasser modelliert, auf das Straßenbelagsmodell R gesetzt, und gleichzeitig wird ein spezifischer Reibungskoeffizient zwischen dem Reifen und dem Straßenbelag eingestellt.

Bei der Rollsimulation wird das Reifen/Rad-Anordnungs-Modell 4 auf dem Straßenbelagsmodell R gefahren. In diesem Beispiel wird, um den Computerprozess zu vereinfachen, das Straßenbelagsmodell R relativ zu dem Radmodell 3 bewegt, wobei das Reifenmodell 2, das mit dem Straßenbelagsmodell R in Kontakt steht, durch die Reibungskraft gedreht wird. Anders ausgedrückt, die Rollbedingungen werden so festgelegt.

Die Rollsimulation wird durch das Computersystem 1 unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens ausgeführt, wobei die Massematrix M, die Steifigkeitsmatrix K und die Dämpfungsmatrix C der Elemente in Übereinstimmung mit den Elementformen in jedem Modell, Materialeigenschaften eines jeden Elements wie z. B. Dichte, Elastizitätsmodul, Dämpfungskoeffizient und dergleichen definiert sind und solche Matrizen werden kombiniert, um die Matrix des gesamten zu simulierenden Systems zu bilden. Dann wird unter Anwendung der oben erwähnten Rollbedingungen, die folgende Bewegungsgleichung 1 definiert. F = M&agr; + C&ngr; + KxGl. 1 wobei

F
= Matrix einer äußeren Kraft
M
= Massematrix
&agr;
= Beschleunigungsmatrix
C
= Dämpfungsmatrix
V
= Geschwindigkeitsmatrix
K
= Steifigkeitsmatrix
x
= Verschiebungsmatrix

Das Computersystem 1 kann eine Berechnung der Gleichung 1 auf der Basis eines sehr kurzen Zeitintervalls (Prozess S22) ausführen und kann die Ergebnisse nacheinander als dreidimensionale sichtbare Daten an die Anzeige 1d ausgeben. Daher kann das Verhalten des Reifens und des Rades während eines Rollens auf dem Bildschirm 1d betrachtet werden.

Gleich nach dem oben erwähnten Prozess S2 werden, wie in 2 gezeigt, Daten oder Informationen über die Reifen/Rad-Anordnung durch die Rollsimulation beschafft. (Prozess S3)

Die Daten oder Informationen sind z. B. die Achskraft, die Vertikalkraft, die Seitenführungskraft, die Spannung in jedem Teil des Rades, das Rückstellmoment, die Schwingungskraft, die Spannung und Verzerrung jedes Teils des Reifens, das Rutschen zwischen dem Reifen und dem Rad und dergleichen. Die Achskraft und die Seitenführungskraft können verwendet werden, um die Spurhaltigkeit abzuschätzen. Die Vertikalkraft und die Schwingungskraft können verwendet werden, um den Fahrkomfort abzuschätzen. Die Spannung und die Verzerrung können in der Reifenentwicklung und der Radentwicklung als Parameter verwendet werden, die sich auf die Festigkeit, den Bodendruck, die Bodenkontaktform und die Verschleißenergie beziehen.

20 zeigt eine Aufnahme des dreidimensionalen Bewegungsbildes, das das von dem Computersystem 1 ausgegebene rollende Reifen/Rad-Anordnungs-Modell 4 zeigt.

21 zeigt einen Zustand des Reifenmodells, das einer Seitenführungskraft unterworfen ist, die dadurch bewirkt wird, dass ein positiver Schupfwinkel &agr; (&agr; ≠ 0) festgelegt wird.

Die 22, 23 und 24 zeigen eine Spannungsverteilung an dem Radmodell während einer Kurvenfahrt, wobei die Spannung umso höher ist, je dunkler die Farbe ist. Die Position und Richtung der aufgebrachten Kraft oder Last ist durch einen Pfeil Q angegeben. Solch eine abgeschätzte Spannungsverteilung um das Radmodell herum kann verwendet werden, um sowohl die Festigkeit als auch eine Gewichtsreduktion des Rades zu erzielen, sodass die Dicke oder das Volumen des Teils mit einer kleineren Spannung verringert wird und das Teil mit einer größeren Spannung, falls erforderlich, verstärkt wird.

Gleich nach dem oben erwähnten Prozess S3 wird entschieden, ob die abgeschätzten Werte die Zielwerte erfüllen oder nicht, anders ausgedrückt, ob die beschafften Daten oder Informationen zufriedenstellend sind oder nicht. (Prozess S4)

Wenn „Nein", werden die Konstruktionsfaktoren wie Materialien, Formen und dergleichen des Reifens und/oder Rades geändert. (Prozess S5) Dann wird die Rollsimulation erneut ausgeführt. (Prozess S2)

Wenn „Ja", werden Vorserienmuster gemäß den Spezifikationen des Reifenmodells 2 und/oder Radmodells 3 hergestellt und Versuchstests durchgeführt. (Prozess S6)

In den Versuchstests werden das Leistungsvermögen, die Eigenschaften und dergleichen des tatsächlichen Reifens und/oder Rades abgeschätzt.

In dem nächsten Prozess S7 wird entschieden, ob die Testergebnisse zufriedenstellend sind oder nicht.

Wenn „Ja" wird z. B. die Entscheidung getroffen, eine kommerzielle Herstellung zu prüfen.

Wenn „Nein", wird das Ziel neuerlich überprüft und wenn notwendig wird das Ziel geändert, andernfalls wird eine Korrektur der Rollsimulation durchgeführt, da angenommen wird, dass eine Diskrepanz zwischen der Abschätzung durch die Rollsimulation und der Bewertung an dem tatsächlichen Objekt besteht. (Prozess S8)

In solch einem Fall wird, durch Vergleichen der abgeschätzten Daten mit den bewerteten Daten, die Assoziationsfunktion dazwischen revidiert, um die Differenz zwischen diesen zu minimieren. Auf Grund solch einer Rückkopplung zwischen der Bewertung an dem tatsächlichen Objekt und der Abschätzung durch die Simulation kann die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der nächsten Abschätzung verbessert werden.

Wie oben stehend beschrieben kann die Rollsimulation unter Berücksichtigung von Faktoren, die sich auf den Reifen und das Rad beziehen, wie z. B. eine Reibungskraft und ein Rutschen dazwischen, erstellt werden. Es ist daher möglich, genaue Simulationsergebnisse nahe der Wirklichkeit zu erhalten. Demgemäß können verschiedene Leistungen wie Spurhaltigkeit, Geradeauslaufstabilität, Fahrkomfort, Verschleißfestigkeit und dergleichen genau abgeschätzt werden. Da das Reifenmodell auf das Radmodell aufgezogen ist, können Änderungen des Kontaktdruckes, der Kontaktfläche und dergleichen, die während eines Rollens, Beschleunigens und Verzögerns verursacht werden, und eine Kurvenfahrt simuliert werden.

Bei der eines Reifenaufzieh-Simulation wird die Simulation erstellt, während die Reibungskraft zwischen dem Reifen und dem Rad berechnet wird. Es ist daher möglich, die Schwierigkeit eines Reifenaufziehens und dergleichen abzuschätzen. Ferner kann die Versetzung oder das Abdrücken des Wulstabschnitts, die/das durch eine Abnahme des Reifendrucks verursacht werden kann, überprüft werden.

Auf diese Weise sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur bei der Entwicklung eines Reifens und Rades, sondern auch bei der Entwicklung von Schmierfähigkeitsmitteln von Nutzen.

Zum Beispiel könnte gemäß der vorliegenden Erfindung die Zeit zum Entwickeln eines Luftreifens für ein neu entwickeltes Auto im Vergleich mit einer durchschnittlichen Entwicklungszeit auf der Basis von Versuch und Auswahl um etwa drei bis vier Monate verkürzt werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Abschätzen des Reifen/Rad-Leistungsvermögens durch Simulation, das umfasst, dass:

– ein Reifen/Rad-Anordnungs-Modell (4) erstellt wird, das ein Finite-Elemente-Modell einer Anordnung aus einem Rad und eines auf dieses aufgezogenen Reifens ist,

– das Reifen/Rad-Anordnungs-Modell (4), das unter einer gegebenen Rollbedingung rollt, simuliert wird, und

– abgeschätzte Daten, die das Leistungsvermögen oder eine Eigenschaft des Reifens, Rades oder der Anordnung angeben, aus der Rollsimulation beschafft werden,

wobei das Erstellen des Reifen/Rad-Anordnungs-Modells (4) umfasst, dass

– ein Reifenmodell (2) erstellt wird, das ein Finite-Elemente-Modell des Reifens ist,

– ein Radmodell (3) erstellt wird, das ein Finite-Elemente-Modell des Rades ist, und

– das Reifenmodell (2) und das Radmodell (3) durch eine Simulation des Aufziehens des Reifens zu einem Reifen-Rad-Anordnungs-Modell (4) kombiniert werden,

wobei die Simulation des Aufziehens des Reifens umfasst, dass

eine Kraft (F) auf das Reifenmodell (2) aufgebracht wird, um das Reifenmodell (2) derart zu verformen, dass eine Wulstbreite des Reifenmodells (2) kleiner als eine Felgenbreite des Radmodells (3) wird,

das verformte Reifenmodell (2) um das Radmodell (3) herum gesetzt wird,

die aufgebrachte Kraft (F) von dem verformten Reifenmodell (2) weggenommen wird, und

eine Kraft (P) auf das Reifenmodell (2) als ein Druck auf die Innenseite des Reifenmodells (2) aufgebracht wird, um das Reifenmodell (2) zu simulieren, das sich aufbläht, wobei die Wulstabschnitte mit dem Radmodell (3) in Kontakt gelangen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rollbedingung der Reifendruck, die Reifenlast, der Schlupfwinkel und der Sturzwinkel der Reifen/Rad-Anordnung, die Beschleunigung oder der Reibungskoeffizient eines Straßenbelages ist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die abgeschätzten Daten eines von einer Achskraft, Vertikalkraft, Spannung, Verformung, Verzerrung und Rutschen zwischen dem Reifenmodell (2) und dem Radmodell (3) angeben. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass ein bestimmter Reibungskoeffizient zwischen dem Reifenmodell (2) und dem Radmodell (3) festgelegt wird. Vorrichtung zum Abschätzen des Reifen/Rad-Leistungsvermögens durch Simulation, umfassend:

– Mittel zum Erstellen eines Reifen/Rad-Anordnungs-Modells (4), das ein Finite-Elemente-Modell einer Anordnung aus einem Rad und einem auf dieses aufgezogenen Reifen ist,

– Mittel zum Simulieren des Reifen/Rad-Anordnungs-Modells (4), das unter einer gegebenen Rollbedingung rollt, und

– Mittel zum Beschaffen abgeschätzter Daten, die das Leistungsvermögen oder eine Eigenschaft des Reifens, des Rades oder der Anordnung angeben, aus der Rollsimulation, wobei die Mittel zum Erstellen eines Reifen/Rad-Anordnungs-Modells (4) umfassen

– Mittel zum Erstellen eines Reifenmodells (2), das ein Finite-Elemente-Modell des Reifens ist,

– Mittel zum Erstellen eines Radmodells (2), das ein Finite-Elemente-Modell des Rades ist, und

– Mittel zum Kombinieren des Reifenmodells (2) und des Radmodells (3) zu einem Reifen/Rad-Anordnungs-Modell (4) durch eine Simulation des Aufziehens eines Reifens,

wobei die Simulation des Aufziehens eines Reifens umfasst, dass

eine Kraft (F) auf das Reifenmodell (2) aufgebracht wird, um das Reifenmodell (2) derart zu verformen, dass eine Wulstbreite des Reifenmodells (2) kleiner als eine Felgenbreite des Radmodells (3) wird,

das verformte Reifenmodell (2) um das Radmodell (3) herum gesetzt wird,

die aufgebrachte Kraft (F) von dem verformten Reifenmodell (2) weggenommen wird, und

eine Kraft (P) auf das Reifenmodell (2) als ein Druck auf die Innenseite des Reifenmodells (2) aufgebracht wird, um das Reifenmodell (2) zu simulieren, das sich aufbläht, wobei die Wulstabschnitte mit dem Radmodell (3) in Kontakt gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Rollbedingung der Reifendruck, die Reifenlast, der Schlupfwinkel und der Sturzwinkel der Reifen/Rad-Anordnung, die Beschleunigung oder der Reibungskoeffizient eines Straßenbelages ist. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die abgeschätzten Daten eines von einer Achskraft, Vertikalkraft, Spannung, Verformung, Verzerrung und Rutschen zwischen dem Reifenmodell (2) und dem Radmodell (3) angeben. Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst, dass ein bestimmter Reibungskoeffizient zwischen dem Reifenmodell (2) und dem Radmodell (3) festgelegt wird.






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