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:X00-001煞車卡鉗之結構輕量化設計分析胡惠文1黃子瑄21屏東科技大學車輛工程系副教授2屏東科技大學車輛工程系大學生複合材料與輕結構實驗室E-mail:[e-mail]摘要本文採用逆向工程技術配合電腦輔助工程設計與分析技術(CAD/CAE)來探討休旅車前煞車卡鉗原始材質與輕量化的結構剛性強度，並進行輕量化設計分析。首先應用電腦輔助工程設計軟體(UG)建立前煞車卡鉗三維電腦圖檔，然後透過電腦輔助分析軟體(ANSYS)建立有限元素模型，分析煞車力作用下卡鉗結構之變形與應力，並以此分析結果作為輕量化設計依據。關鍵字：煞車卡鉗、輕量化設計、有限元素分析。1.前言近年來由於能源短缺問題日益增加，各車廠皆致力於提升能源的使用效率，結構輕量化的設計是其中解決的方法之ㄧ。由於煞車系統在汽車的安全性扮演極重要的腳色，基本功能為有效降低車速、下坡行駛時保持車速穩定及車輛完全停穩後保持車輛靜止不動並保護乘客的性命安全。煞車系統結構如卡鉗、支架、活塞與碟盤均採用剛性與強度極高的材料，例如鑄鐵或鋼，其重量均偏高因此適合進行輕量化設計。圖一[1]所示為本文探討之休旅車前懸與煞車卡鉗位置圖，卡鉗總成主要由兩顆螺栓固定在轉向節上橫跨煞車碟盤兩側。一般碟式煞車多採用浮動式卡鉗，其組成零件為卡鉗本體、活塞、煞車蹄片、卡鉗支架，煞車時的作動原理是利用煞車油注入油壓缸內，將活塞推出迫使煞車蹄片壓住煞車碟盤，而反作用力使浮動式卡鉗往軸向移動，將另一個煞車蹄片壓靠在煞車碟盤上使車輪停止轉動，如圖二所示[2]。曾等人[3]提到常見的卡鉗材質為鑄鐵(FCD450~550)、鑄鋼或鋁合金，活塞則採用鑄鋼或鋁合金而煞車碟盤一般採用鑄鐵，輕量化設計多採鋁合金或鋼鋁複材等。胡等人[4]實際測試休旅車前懸動態入力條件中指出，車輛的重心位置會因為不同的負載情形而改變位置，因此煞車制動力也會跟著改變。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。圖一、煞車卡鉗位置圖[1]圖二、煞車卡鉗作動原理圖[2]2.研究方法2.1電腦輔助設計(CAD)模型圖三所示分別為前煞車卡鉗總成與其零件實體圖，而圖四則為本研究所建立之三維CAD實體模型。座標系統訂定卡鉗與碟盤由右往左方向為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。防塵套卡鉗活塞油封煞車油壓活塞煞車片煞車碟盤卡鉗總成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:X00-001圖三、煞車卡鉗實體圖圖四、煞車卡鉗之電腦輔助設計CAD模型圖五、煞車碟盤實體圖與電腦輔助設計CAD模型2.2有限元素模型2.2.1煞車系統之結構模型本研究採用電腦輔助分析軟體(ANSYS)建立煞車系統之有限元素模型，由於CAD模型之幾何形狀複雜且為了配合有限元素模型節點接合的問題，必須將三維實體模型進行規劃並分割。主結構則使用自由度為3個方向位移與八節點之線性實體元素(Solid45)，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。煞車卡鉗為左右對稱之結構，因此將1/2之結構進行網格分割後以鏡射的方式建立全模型，鏡射面則以同零組件結構共點的方式接合，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。2.2.2材料機械性質本研究之煞車卡鉗材料原始設計採用鑄鐵(FCD500)，輕量化材料則採用鋁合金(A356-T6)進行探討。原始材料與輕量化材料的機械性質均採用拉伸試驗獲得，如圖八、九所示。測試之標準試件為圓棒，變形則分別以應變規與延伸計量取。實驗數據整理後為：FCD500之彈性模數為163.2GPa、降伏強度為412.3MPa、抗拉強度為684MPa。A356-T6之彈性模數為73.4GPa、降伏強度為268MPa、抗拉強度為316MPa。活塞、煞車蹄片之材質參考鑄鋼[1]，彈性係數為200GPa、降伏強度為340MPa以上。煞車碟盤材質為灰口鑄鐵(FC250)[1]，抗拉強度為250MPa以上。圖六、煞車卡鉗之有限元素圖七煞車卡鉗、碟盤之有限元素模型01002003004005006007008000.000.020.040.060.080.100.12StrainStress(MPa)圖八、球墨鑄鐵(FCD500)之應力-應變曲線煞車卡鉗總成卡鉗支架卡鉗活塞煞車蹄片煞車卡鉗總成卡鉗卡鉗支架活塞煞車片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:X00-00105010015020025030035000.010.020.030.040.050.060.070.08StrainStress(MPa)圖九、鋁合金(A356-T6)之應力-應變曲線2.2.3邊界與負載條件本研究分析條件為靜態之煞車力作用下為負載的輸入，並討論卡鉗結構之變形與應力，以此分析結果作為輕量化設計與變更的依據。煞車卡鉗由兩顆螺栓組裝於轉向節上如圖十所示。圖十一所示為有限元素之邊界與負載條件。圖十一(a)為煞車卡鉗邊界條件，煞車卡鉗由兩顆螺栓固定在轉向節上故約束螺栓孔內全部節點的自由度，利用面對面接觸元素來模擬卡鉗與支架接觸面，使用運算法則為augmentedLagrangianmethod，支架由三維目標元素TARGE170所構成，卡鉗由三維接觸元素CONTA173所構成。圖十一(b)為煞車卡鉗剖面圖，在油壓缸內施予5.23MPa的油壓，利用面對面接觸元素來模擬活塞與卡鉗接觸面、活塞與蹄片接觸面、卡鉗與蹄片接觸面，使用運算法則為augmentedLagrangianmethod，活塞(與卡鉗接觸面)、蹄片(與活塞、卡鉗接觸面)由三維目標元素TARGE170所構成，卡鉗(與活塞、蹄片接觸面)、活塞(與蹄片接觸面)由三維接觸元素CONTA173所構成。圖十一(c)為前輪毂總成，煞車碟盤由五顆螺帽將輪圈與車輪軸承緊密接合故只允許延著Z軸方向的旋轉自由度，利用面對面接觸元素來模擬卡鉗支架與蹄片接觸面，使用運算法則為augmentedLagrangianmethod，蹄片(與支架接觸面)由三維目標元素TARGE170所構成，卡鉗支架(與蹄片接處面)由三維接觸元素CONTA173所構成。(a)煞車卡鉗邊界條件(b)煞車卡鉗剖面圖(c)煞車卡鉗邊界條件圖十一有限元素之邊界與負載條件3.結果與討論圖十二至圖十九為煞車油壓5.23MPa之vonMises應力分佈、變形圖。圖十二、十四可發現卡鉗、卡鉗支架材料為FCD500、A356-T6時，最大vonMises應力都位於活塞上，為226MPa、223MPa小於材料降伏強度340MPa，故活塞有足夠的強度不會產生破壞。圖十三、十五可發現卡鉗、卡鉗支架材料為FCD500、A356-T6時，最大vonMises應力小於材料降伏強度412.3MPa、268MPa，故卡鉗、卡鉗支架有足夠的強度不會產生破壞。表一為煞車卡鉗各零件最大vonMises應力。圖十六至圖十九可發現卡鉗、卡鉗支架材料為FCD500時，最大變形在活塞為0.234mm，則卡鉗、卡鉗支架材料為A356-T6時，最大變形在卡鉗為0.307mm。表二為煞車卡鉗各零件最大最大變形。圖十二煞車油壓5.23MPa之vonMises應力分佈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:X00-001圖十三煞車油壓5.23MPa之vonMises應力分佈圖十四煞車油壓5.23MPa之vonMises應力分佈圖十五煞車油壓5.23MPa之vonMises應力分佈圖十六煞車油壓5.23MPa之變形圖圖十七煞車油壓5.23MPa之變形圖圖十八煞車油壓5.23MPa之變形圖圖十九煞車油壓5.23MPa之變形圖表一、煞車卡鉗各零件最大vonMises應力FCD500(Mpa)降伏強度比(％)A356-T6(Mpa)降伏強度比(％)卡鉗10124.579.429.6卡鉗支架60.614.738.214.3鑄鋼降伏強度比(％)鑄鋼降伏強度比(％)活塞22666.522365.6表二、煞車卡鉗各零件最大最大變形FCD450(mm)A356-T6(mm)卡鉗0.1980.307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:X00-001卡鉗支架0.02150.0232鑄鋼(mm)鑄鋼(mm)活塞0.2340.2634.結論本研究藉由逆向工程與電腦輔助工程設計分析，有效的分析探討煞車卡鉗的輕量化結構剛性與強度，分析結果獲得以下四點結論：(1)卡鉗、卡鉗支架材料為A356-T6時，卡鉗剛性變弱導致變形明顯增加，相對卡鉗與卡鉗支架最大vonMises應力減小。(2)後續將施加煞車制動力於碟盤上，分析四人乘載緊急煞車時，左前煞車卡鉗原始結構與輕量化結構，討論煞車卡鉗結構強度與剛性。(3)目前接觸元素運算法則為augmentedLagrangianmethod，仍有一些不確定的因素有待改善。(4)本文輕量化採用更改材料機械性質，後續可考慮改變原始的幾何形狀外型加以分析。5.參考文獻1.小栗富士雄，小栗達男，“機械設計圖表便覽”眾文圖書股份有限公司，1998。2.黃靖雄，“現代汽車原理”全友書局股份有限公司，1975。3.曾中慶，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.中華汽車服務部技術課,SAVRIN底盤工作手冊,中華汽車股份有限公司,2001。5.胡惠文，陳坤義，張書源，王曜呈，劉進展，「SAVRIN前懸吊系統之動態模擬與分析」，中華民國力學學會第三十一屆全國力學會議，高雄，2007。6.胡惠文，張書源，陳坤義，童培鈞，謝寶賢，「休旅車轉向節之輕量化設計與結構分析」，中國機械工程學會第二十五屆全國學術研討會論文集，彰化，2008。7.胡惠文，童培鈞，陳坤義，張書源，謝寶賢,「前懸吊控制臂輕量化之設計分析」，中華民國第十三屆車輛工程學術研討會，台北，2008。WeightReductionDesignandAnalysisfortheBrakeCaliperofaSportUtilityVehicleHuiwenHu1TzuhsuanHuang21,2DepartmentofVehicleEngineering,NationalPingtungUniversityofScienceandTechnology,TaiwanE-mail:[e-mail]ntstheweightreductiondesignandanalysisofthebrakecaliperforasportutilityvehicle(SUV)byusingCAD/CAEtechnique.Acomputer-aideddesignsoftware(