中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會論文格式

中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會論文集 國立成功大學 台南市 中華民國九十八年十一月二十日、二十一日 論文編號: X00-001Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.煞車卡鉗之結構輕量化設計分析胡惠文1 黃子瑄21屏東科技技大學車車輛工程程系副教教授2屏東科技技大學車車輛工程程系大學學生複合材料與與輕結構構實驗室室E-maiil : huuiweenmmaill.nppustt.eddu.ttw摘要本文採用逆逆向工程程技術配配合電腦腦輔助工工程設計計與分析析技術(CADD/CAAE)來來探討休休旅車前前煞車卡卡鉗原始始材質與與輕量化化的結構構剛性強度度，並進進行輕量量化設計計分析。首先應應用電腦腦輔助工工程設計計軟體(UG)建立前前煞車卡卡鉗三維維電腦圖圖檔，然然後透過過電腦輔輔助分析析軟體(ANSSYS)建立有有限元素素模型，分析煞車車力作用用下卡鉗鉗結構之之變形與與應力，並並以此分分析結果果作為輕輕量化設設計依據據。關鍵字：煞煞車卡鉗鉗、輕量化化設計、有有限元素素分析。1. 前言言近年來由於於能源短短缺問題題日益增增加，各各車廠皆皆致力於於提升能能源的使使用效率率，結構構輕量化化的設計計是其中中解決的的方法之之。由由於煞車車系統在汽汽車的安安全性扮扮演極重重要的腳腳色，基本功功能為有有效降低低車速、下下坡行駛駛時保持持車速穩穩定及車車輛完全全停穩後後保持車車輛靜止止不動並並保護乘乘客的性性命安全全。煞車系系統結構構如卡鉗鉗、支架架、活塞塞與碟盤盤均採用用剛性與與強度極極高的材材料，例例如鑄鐵鐵或鋼，其其重量均均偏高因因此適合合進行輕輕量化設設計。圖圖一1所示為本文探討討之休旅旅車前懸懸與煞車車卡鉗位位置圖，卡卡鉗總成成主要由由兩顆螺螺栓固定定在轉向向節上橫橫跨煞車車碟盤兩兩側。一般碟式式煞車多多採用浮浮動式卡鉗，其組成成零件為為卡鉗本本體、活活塞、煞煞車蹄片、卡卡鉗支架架，煞車時時的作動原理是利利用煞車車油注入油壓壓缸內，將活活塞推出出迫使煞煞車蹄片壓住住煞車碟碟盤，而而反作用用力使浮浮動式卡卡鉗往軸軸向移動動，將另另一個煞煞車蹄片壓靠靠在煞車車碟盤上上使車輪輪停止轉轉動，如如圖二所所示22。曾等人33提到到常見的的卡鉗材材質為鑄鑄鐵(FFCD 45005500)、鑄鋼鋼或鋁合合金，活活塞則採用鑄鑄鋼或鋁鋁合金而而煞車碟盤盤一般採用用鑄鐵，輕輕量化設設計多採採鋁合金金或鋼鋁複材材等。胡胡等人4實際際測試休休旅車前前懸動態態入力條條件中指出，車車輛的重重心位置置會因為為不同的的負載情情形而改改變位置置，因此此煞車制制動力也也會跟著著改變。胡等人5-6根據測試結果分析休旅車前懸吊轉向節與控制臂結構輕量化設計。本研究之主要目的是利用電腦輔助設計與工程分析技術探討休旅車前煞車卡鉗之結構剛性與強度，並進行輕量化設計分析。煞車卡鉗之原始設計採用鑄鐵(FCD500)，輕量化材料則採用鋁合金(A356-T6)進行探討。卡鉗總成圖一、煞車車卡鉗位位置圖1卡鉗活塞油封煞車片煞車碟盤活塞煞車油壓防塵套圖二、煞車車卡鉗作作動原理理圖22. 研究究方法2.1電腦腦輔助設設計(CCAD)模型圖三所示分分別為前前煞車卡卡鉗總成成與其零件實體體圖，而圖四則為本研究究所建立立之三維維CADD實體模型型。座標系系統訂定定卡鉗與與碟盤由由右往左左方向為為X軸，由下往上方向為Y軸，由前往後方向為Z軸。由於煞車卡鉗的入力條件來自油壓缸經由活塞傳遞到卡鉗，以及來自輪胎經由煞車碟盤、煞車蹄片傳遞到卡鉗，因此將煞車碟盤模型一併考量，如圖五所示。煞車卡鉗總成卡鉗煞車蹄片活塞卡鉗支架圖三、煞車車卡鉗實實體圖煞車卡鉗總成卡鉗煞車片活塞卡鉗支架圖四、煞車車卡鉗之之電腦輔輔助設計計CADD模型 圖五、煞車車碟盤實實體圖與與電腦輔輔助設計計CADD模型2.2有限限元素模模型2.2.11煞車系統統之結構構模型本研究採用用電腦輔輔助分析析軟體(ANSSYS) 建立煞車車系統之之有限元元素模型型，由於於CADD模型之之幾何形形狀複雜雜且為了了配合有有限元素素模型節點接合合的問題題，必須須將三維維實體模模型進行行規劃並並分割。主主結構則則使用自自由度為為3個方方向位移移與八節節點之線線性實體體元素(Sollid445)，進行結構之有限元素模型網格分割。煞車卡鉗與煞車碟盤四周皆有圓角，若將圓角的特徵進行網格分割的話，將會使有限元素模型之元素與節點的數量增加，而使有限元素分析的時間增加造成資源上的浪費，因此在本文中圓角的特徵予以忽略。煞車卡鉗為為左右對稱稱之結構，因因此將11/2之之結構進進行網格格分割後後以鏡射射的方式式建立全全模型，鏡鏡射面則則以同零零組件結結構共點點的方式式接合，如圖六所示。煞車卡鉗之有限元素模型則使用了19752個元素以及27098個節點。煞車碟盤內有48個等角度與大小的肋，其作用為煞車時將產生的高溫可以藉由空氣的流動而降低碟盤的熱影響以確保設車時的安全性。因此煞車碟盤進行有限元素模型規劃與分割時，以碟盤之Z軸旋轉方向進行陣列複製，總共使用了26629個元素以及35572個格點。如圖七所示。2.2.22材料機機械性質質本研究之煞煞車卡鉗鉗材料原原始設計計採用鑄鑄鐵(FFCD5500)，輕量化化材料則則採用鋁鋁合金(A3566-T66)進行探探討。原原始材料料與輕量量化材料料的機械械性質均均採用拉拉伸試驗驗獲得，如如圖八、九九所示。測測試之標標準試件件為圓棒棒，變形形則分別別以應變變規與延延伸計量量取。 實實驗數據整理後為：FFCD5500之之彈性模數為1663.22GPaa、降伏伏強度為為4122.3MMPa、抗抗拉強度度為6884MPPa。A3556-TT6之彈性模數為733.4GGPa、降降伏強度度為2668MPPa、抗抗拉強度度為3116MPPa。活塞、煞煞車蹄片片之材質參考考鑄鋼1，彈性係係數為2200GGPa、降降伏強度度為3440MPPa以上上。煞車車碟盤材材質為灰灰口鑄鐵鐵(FCC2500)11，抗抗拉強度度為2550MPPa以上上。圖六、煞車車卡鉗之之有限元元素圖七 煞車車卡鉗、碟碟盤之有有限元素素模型 圖八、球球墨鑄鐵鐵(FCCD5000)之之應力-應變曲曲線圖九、鋁合合金(AA3566-T66)之應力力-應變變曲線2.2.33邊界與負負載條件件本研究分析析條件為為靜態之之煞車力力作用下下為負載載的輸入入，並討討論卡鉗鉗結構之之變形與與應力，以此分分析結果果作為輕輕量化設設計與變變更的依依據。煞車卡鉗由由兩顆螺螺栓組裝裝於轉向向節上如如圖十所所示。圖圖十一所示為為有限元元素之邊邊界與負負載條件件。圖十十一(a)為煞車車卡鉗邊界界條件，煞車卡卡鉗由兩兩顆螺栓栓固定在在轉向節節上故約約束螺栓栓孔內全全部節點點的自由由度，利利用面對對面接觸觸元素來來模擬卡卡鉗與支支架接觸觸面，使使用運算算法則為為auggmenntedd Laagraangiian metthodd，支架架由三維維目標元元素TAARGEE1700所構成成，卡鉗鉗由三維維接觸元元素COONTAA1733所構成成。圖十一(bb)為煞煞車卡鉗鉗剖面圖圖，在油油壓缸內施予予5.223MPPa的油油壓，利利用面對對面接觸觸元素來來模擬活活塞與卡卡鉗接觸觸面、活活塞與蹄蹄片接觸觸面、卡卡鉗與蹄蹄片接觸觸面，使使用運算算法則為為auggmenntedd Laagraangiian metthodd，活塞塞(與卡卡鉗接觸觸面)、蹄蹄片(與與活塞、卡卡鉗接觸觸面)由由三維目目標元素素TARRGE1170所所構成，卡卡鉗(與與活塞、蹄蹄片接觸觸面)、活活塞(與與蹄片接接觸面)由三維維接觸元元素COONTAA1733所構成成。圖十一(cc)為前前輪毂總成，煞煞車碟盤盤由五顆顆螺帽將將輪圈與與車輪軸軸承緊密密接合故故只允許許延著ZZ軸方向向的旋轉轉自由度度，利用面面對面接接觸元素素來模擬擬卡鉗支支架與蹄蹄片接觸觸面，使使用運算算法則為為auggmenntedd Laagraangiian metthodd，蹄片片(與支支架接觸觸面)由由三維目目標元素素TARRGE1170所所構成，卡卡鉗支架架(與蹄蹄片接處處面)由由三維接接觸元素素CONNTA1173所所構成。(a) 煞車卡鉗邊邊界條件件(b) 煞車卡鉗剖剖面圖(c) 煞車卡鉗邊邊界條件件圖十一 有有限元素素之邊界界與負載載條件3.結果與與討論圖十二至圖圖十九為煞車車油壓55.233MPaa之voon MMisees應力力分佈、變變形圖。圖十二、十四可發現現卡鉗、卡卡鉗支架架材料為為FCDD5000、A3356-T6時時，最大大vonn Miisess應力都都位於活活塞上，為2266MPaa、2223MPPa小於於材料降降伏強度度3400MPaa，故活活塞有足足夠的強強度不會會產生破破壞。圖十三、十十五可發現現卡鉗、卡卡鉗支架架材料為為FCDD5000、A3356-T6時時，最大大vonn Miisess應力小小於材料料降伏強強度4112.33 MPPa、2268 MPaa，故卡卡鉗、卡卡鉗支架架有足夠夠的強度度不會產產生破壞壞。表一一為煞車車卡鉗各各零件最最大voon MMisees 應應力。圖十六至圖圖十九可發現現卡鉗、卡卡鉗支架架材料為為FCDD5000時，最大大變形在在活塞為為0.2234mmm，則卡鉗鉗、卡鉗鉗支架材材料為AA3566-T66時，最最大變形形在卡鉗鉗為0.3077mm。表二二為煞車車卡鉗各各零件最最大最大大變形。圖十二 煞煞車油壓壓5.223MPPa之vvon Misses應應力分佈佈圖十三 煞煞車油壓壓5.223MPPa之vvon Misses應應力分佈佈圖十四 煞煞車油壓壓5.223MPPa之vvon Misses應應力分佈佈圖十五 煞煞車油壓壓5.223MPPa之vvon Misses應應力分佈佈圖十六 煞煞車油壓壓5.223MPPa之變變形圖圖十七 煞煞車油壓壓5.223MPPa之變變形圖圖十八 煞煞車油壓壓5.223MPPa之變變形圖圖十九 煞煞車油壓壓5.223MPPa之變變形圖表一、煞車車卡鉗各各零件最最大voon MMisees 應應力FCD5000(Mpa)降伏強度比比()A356-T6(Mpa)降伏強度比比()卡鉗10124.579.429.6卡鉗支架60.614.738.214.3鑄鋼降伏強度比比()鑄鋼降伏強度比比()活塞22666.522365.6表二、煞車車卡鉗各各零件最最大最大大變形FCD4550(mmm)A356-T6 (mmm)卡鉗0.19880.3077卡鉗支架0.021150.02332鑄鋼(mmm)鑄鋼(mmm)活塞0.23440.26334. 結本研究藉由由逆向工工程與電電腦輔助助工程設設計分析析，有效效的分析析探討煞煞車卡鉗鉗的輕量量化結構構剛性與與強度，分分析結果果獲得以以下四點結論論：(1)卡鉗鉗、卡鉗鉗支架材材料為AA3566-T66時，卡卡鉗剛性性變弱導導致變形形明顯增增加，相相對卡鉗鉗與卡鉗鉗支架最最大voon Misses應應力減小小。(2)後續續將施加加煞車制制動力於於碟盤上上，分析析四人乘乘載緊急急煞車時時，左前前煞車卡卡鉗原始始結構與與輕量化化結構，討論煞車卡鉗結構強度與剛性。(3)目前前接觸元素素運算法法則為aaugmmentted Laggranngiaan mmethhod，仍有一一些不確確定的因因素有待待改善。(4)本文文輕量化化採用更更改材料料機械性性質，後後續可考考慮改變變原始的的幾何形形狀外型型加以分分析。5. 考考文獻 1. 小栗富士雄雄，小栗栗達男，“機機械設計計圖表便便覽”眾眾文圖書書股份有有限公司司，19998。2. 黃靖雄，“現代汽汽車原理理”全友書書局股份份有限公公司，119755。3. 曾中慶，賴賴琦郎，輕量化鋁合金碟式煞車卡鉗設計與開發，機械工業雜誌，2007。4. 中華汽服服務部技技術課,SAVVRINN底盤工工作手冊冊,中華汽汽股份份有限公公司,220011。5. 胡惠文，陳陳坤義，張張書源，王王曜呈， 劉進展展，SAAVRIIN前懸懸吊系統統之動態態模擬與與分析，中華華民國學學會會第三十十一屆全全國學學會議，高高雄，220077。6. 胡惠文，張張書源，陳陳坤義，童童培鈞，謝寶賢賢，休旅車車轉向節節之輕量量化設計計與結構構分析，中國國機械工工程學會會第二十十五屆全全國學術術研討會會論文集集，彰化，220088。7. 胡惠文，童童培鈞，陳陳坤義，張張書源，謝謝寶賢,前懸懸吊控制制臂輕量量化之設設計分析析，中中華民國國第十三三屆車輛輛工程學學術研討討會，台台北，220088。Weighht RReduuctiion Dessignn annd AAnallysiis ffor thee Brakke CCaliiperr off a Spoort Utiilitty VVehiiclee Huiween HHu1 Tzuuhsuuan Huaang22 1,2Deeparrtmeent of Vehhiclle EEngiineeerinng,Natioonall Pinngtuung Uniiverrsitty oof SScieencee annd TTechhnollogyy, TaaiwaanE-maiil : huuiweenmmaill.nppustt.eddu.ttwAbstrractt This papper preesennts thee weeighht rreduuctiion dessignn annd aanallysiis oof tthe brakke ccaliiperr foor aa sport utiilitty vvehiiclee (SSUV) byy ussingg CAAD/CCAE tecchniiquee. AA coompuuterr-aiidedd deesiggn ssofttwarre (UniiGraaphiics) iss ussed to rebbuilld aa 3DD deetaiiledd moodell off thhe ccaliiperr. AA coommeerciial codde, ANSSYS, iss ussed to esttabllishh a finnitee ellemeent moddel, inncluudinng tthe callipeer, pisstonn annd ddiscc. TThe staaticc annalyysiss iss coonduucteed oon tthe moddel to obttainn thhe ddefoormaatioon aand strresss leevell off thhe oorigginaal ccaliiperr. TThe ressultts aare useed aas tthe reffereencee inn weeighht rreduuctiion dessignn off caalipper by usiing thee allumiinumm maaterriall A3356-T6.Keywoordss: brakke ccaliiperr; weigght redducttionn dessignn; finiite eleemennt aanallysiis