Datorgenererade däckmönster kan minska rullmotståndet dramatiskt

Däckmönster har länge utvecklats med fokus på grepp, säkerhet, buller och livslängd. Nu kan datorgenererad design förändra även hur däcken rullar mot vägen. Genom avancerade beräkningar och simuleringar går det att skapa strukturer som ser ovanliga ut men samtidigt är optimerade för att minska energiförluster. Resultatet kan bli lägre rullmotstånd och därmed effektivare fordon, något som är särskilt intressant för elbilar där varje sparad watt påverkar räckvidden. De skumma formerna handlar alltså inte bara om utseende. Bakom mönstren finns matematiska modeller som analyserar hur gummi, väg och belastning samverkar och identifierar lösningar som traditionell däckdesign kan ha svårt att hitta.

Datorn hittar däckmönster som traditionell design missar

Att utveckla ett nytt däckmönster har traditionellt inneburit en balans mellan flera egenskaper. Däcket måste kunna hålla kontakt med vägbanan, leda bort vatten och ge tillräckligt grepp vid acceleration och inbromsning. Samtidigt ska det rulla med så små energiförluster som möjligt. Datorgenererad design förändrar förutsättningarna genom att låta algoritmer analysera betydligt fler möjliga strukturer än vad en människa rimligen kan skapa manuellt. Det gör det möjligt att experimentera med asymmetriska former, varierande blockstorlekar och ovanliga kanaler som kan optimeras efter specifika belastningar och körförhållanden.

Algoritmer söker efter oväntade former

När ett däck rullar deformeras gummit kontinuerligt mot vägbanan. En del av den energi som används för att driva fordonet försvinner därför som värme när materialet böjs och återgår till sin ursprungliga form. Den här så kallade hysteresförlusten är en central del av rullmotståndet. Med datorbaserade simuleringar kan konstruktörer studera hur olika mönster påverkar deformationen i både slitbanan och däckets stomme. Programmen kan därefter förändra geometrin stegvis för att hitta strukturer som kräver mindre energi när däcket belastas och roterar.

En intressant konsekvens är att den mest energieffektiva lösningen inte nödvändigtvis ser ut som ett traditionellt däckmönster. Människor tenderar att arbeta utifrån etablerade geometriska principer och tidigare erfarenheter, medan optimeringsalgoritmer kan testa mycket stora mängder variationer. Ett mönster kan exempelvis få smalare sektioner på vissa ställen och bredare strukturer på andra, beroende på hur belastningen fördelas över kontaktytan. Det kan skapa ett visuellt udda däck, men formen är resultatet av matematiska beräkningar snarare än ett försök att skapa ett spektakulärt utseende.

Flera egenskaper måste optimeras samtidigt

Det räcker dock inte att bara minska rullmotståndet. Ett däck med extremt låg deformation kan få andra egenskaper som försämras om konstruktionen inte balanseras korrekt. Däckmönstret måste bland annat kunna hantera vatten på våt asfalt och samtidigt ge stabil kontakt med vägen. För elbilar blir dessutom ljudnivån viktig eftersom den relativt tysta drivlinan gör däck- och vägljud mer framträdande. Därför kan datoralgoritmer arbeta med flera mål samtidigt och väga energieffektivitet mot grepp, akustik, slitage och stabilitet.

En sådan optimering kan också anpassas efter vilket fordon däcket ska användas på. En tung elbil ställer exempelvis andra krav på däcksidan och slitbanan än en lättare personbil. Även hastighet, temperatur, vägtyp och belastning påverkar resultatet. Genom att simulera olika scenarier kan konstruktörer identifiera vilka delar av mönstret som behöver förändras för att däcket ska fungera under varierande förhållanden. Det innebär att framtidens däckmönster kan bli mer specialiserade, samtidigt som själva utvecklingsprocessen blir mer datadriven.

Mindre energiförluster kan ge längre räckvidd

Rullmotståndet har stor betydelse för hur mycket energi ett fordon behöver använda för att hålla en viss hastighet. När däcket deformeras och återhämtar sig går en del av energin förlorad, vilket innebär att drivsystemet måste tillföra mer kraft. Genom att minska dessa förluster kan en större del av energin användas för själva framdrivningen. För elbilar är detta särskilt relevant eftersom batteriets lagrade energi är begränsad. Ett effektivare däck kan därför bidra till lägre energiförbrukning utan att själva drivlinan behöver förändras.

Varje liten förbättring påverkar energibehovet

Däckets egenskaper samverkar med fordonets vikt, aerodynamik och drivlina. Därför går det inte att ange en universell effekt av ett visst datorgenererat mönster. Hur mycket energiförbrukningen påverkas beror bland annat på hastighet, temperatur, däcktryck, vägunderlag och fordonets konstruktion. Ett optimerat mönster kan däremot bidra till att minska en specifik del av energiförlusterna. När flera komponenter i ett fordon effektiviseras samtidigt kan även små förbättringar bli relevanta, särskilt vid lång körning där energiförbrukningen ackumuleras över många mil.

Däcktrycket är samtidigt en viktig faktor som inte försvinner genom avancerad mönsterdesign. Ett däck som är felaktigt pumpat kan få högre rullmotstånd oavsett hur sofistikerat mönstret är. Därför måste datorgenererade strukturer betraktas som en del av en större optimering. Algoritmer kan hjälpa till att hitta en effektiv slitbana, men materialval, stomkonstruktion och lufttryck påverkar också hur mycket energi som faktiskt går förlorad. Det är samspelet mellan dessa faktorer som avgör den praktiska effekten på fordonets energianvändning.

Elbilar ställer nya krav på däcken

Elektrifieringen har gjort rullmotståndet ännu mer intressant eftersom däcken kan påverka den tillgängliga räckvidden. Elbilar är dessutom ofta tyngre än motsvarande konventionella modeller på grund av batteripaketet. Den högre belastningen förändrar hur däcket deformeras och ställer större krav på konstruktionen. Samtidigt kan elmotorns omedelbara vridmoment belasta slitbanan vid acceleration. Ett datorgenererat mönster behöver därför hantera en kombination av låg energiförlust, hög belastning och tillräcklig mekanisk stabilitet.

Utvecklingen handlar därför inte enbart om att skapa ett mönster som rullar lätt. Konstruktörer måste även undersöka hur strukturen förändras när däcket slits. Ett nytt mönster kan fungera mycket effektivt när däcket är nytt, men egenskaperna kan förändras när blocken blir lägre och kontaktytan förändras. Simuleringar kan användas för att studera flera stadier av däckets livslängd och identifiera konstruktioner som behåller sina egenskaper över tid. Det gör datorbaserad utveckling till ett verktyg även för långsiktig prestanda och inte bara för laboratorietester.

När udda strukturer kombineras med bättre grepp och lägre buller

Ett däckmönster har flera uppgifter samtidigt, och de kan ibland stå i konflikt med varandra. Stora sammanhängande gummiytor kan exempelvis bidra till stabil kontakt med torr asfalt, medan öppnare kanaler behövs för att hantera vatten. Fler mönsterkanter kan påverka greppet men samtidigt förändra hur däcket deformeras och genererar ljud. Datorgenererad design kan användas för att hitta en kompromiss mellan dessa egenskaper. Genom att simulera kontakten mot olika vägunderlag kan konstruktörer undersöka hur en ovanlig struktur fungerar under både torra och våta förhållanden.

Mönstret kan styras efter belastningen

Belastningen över ett däck är inte alltid jämnt fördelad. När fordonet svänger, bromsar eller accelererar förändras krafterna på de olika delarna av kontaktytan. Ett datorgenererat mönster kan därför utformas för att hantera variationer i belastningen snarare än att behandla hela slitbanan som en identisk yta. Det kan innebära att vissa delar av mönstret får en annan geometri än andra. På så sätt kan materialet användas där det behövs mest, samtidigt som onödig deformation begränsas i områden där den bidrar mindre till däckets funktion.

Det finns också en akustisk dimension. När mönsterblock träffar vägbanan uppstår vibrationer och tryckvariationer som bidrar till däckljud. Genom att variera blockens storlek och placering kan datorbaserade modeller försöka undvika återkommande ljudmönster som förstärker vissa frekvenser. Det innebär att ett visuellt oregelbundet mönster kan ha en funktion även för ljudkomforten. För elbilar blir detta särskilt relevant eftersom motorljudet är lägre än i många förbränningsmotorfordon. Däckets akustiska egenskaper kan därför få större betydelse för den upplevda ljudnivån i kupén.

Från simulering till verkligt däck

Datorberäkningar är dock bara ett steg i utvecklingen. Ett mönster som ser effektivt ut i en simulering måste tillverkas och testas under verkliga förhållanden innan dess egenskaper kan bedömas ordentligt. Gummiblandningens temperatur, vägens ojämnheter och variationer i belastning kan ge andra resultat än de som förutsågs i modellen. Därför kombineras digital utveckling med provning på testbanor och i laboratorier. Resultaten från testerna kan sedan matas tillbaka till modellerna för att förbättra nästa version av konstruktionen.

Den fortsatta utvecklingen kan därmed bli en iterativ process där algoritmer, simuleringar och praktiska tester arbetar tillsammans. Några egenskaper som kan ingå i optimeringen är:

• Rullmotstånd och energiförlust vid olika hastigheter.

• Grepp på torr och våt väg.

• Ljudnivå och vibrationer från slitbanan.

• Slitstyrka och egenskaper över däckets livslängd.

• Belastning, temperatur och deformation i olika delar av däcket.

Det innebär att framtidens skumma däckmönster inte behöver vara slumpmässiga eller främst designade för att se annorlunda ut. De kan vara visuella resultat av optimeringar som är svåra att genomföra med traditionella metoder. När beräkningskapaciteten ökar blir det möjligt att analysera fler kombinationer av geometri, material och belastning. Det öppnar för däck där varje del av mönstret har en specifik funktion och där utformningen baseras på mätbara egenskaper snarare än etablerade visuella normer.