中國機械工程學會第二十六屆全國學術研討會論文格式

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1、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煞車卡鉗鉗之結構構輕量化化設計分分析胡惠文11 黃子瑄瑄21屏東科科技大學學車輛工工程系副副教授2屏東科科技大學學車輛工工程系大大學生複合材料料與輕結結構實驗驗室E-maail : hhuiwwenmaiil.nnpusst.eedu.tw摘要本文採用用逆向工工程技術術配合電電腦輔助助工程設設計與分分析技術術(CAAD/CCAE)來探討討休旅車車前煞車車卡鉗原原始材質質與輕量量化的結結構剛性性強度，並並進行輕輕量化設設計分析析。首先應應用電腦腦輔助工工程設計計

2、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：煞車卡卡鉗、輕量化化設計、有有限元素素分析。1. 前前言近年來由由於能源源短缺問問題日益益增加，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、下坡行行駛時保保持車速速穩定及及車輛完完全停穩穩後保持持車輛靜靜止不動動並保護護乘客的的性命安安全。煞

3、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2

4、2。曾等人3提提到常見見的卡鉗鉗材質為為鑄鐵(FCDD 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。胡等人人5-6根據測測試結果果分析休休旅車前前懸吊轉轉向節與與控制臂臂結構輕輕量化設設計。本研究之之主要目目的是利利用電腦腦輔助設設計與工工程分析析技術探探討休旅旅車前煞煞車卡鉗鉗之結構構剛性與與強度，並並進行輕輕量化設設計分析析。煞車車卡鉗之之原

5、始設設計採用用鑄鐵(FCDD5000)，輕量化化材料則則採用鋁鋁合金(A3556-TT6)進行探探討。卡鉗總成圖一、煞煞車卡鉗鉗位置圖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、煞煞車卡鉗鉗作動原原理圖22. 研研究方法法2.1電電腦輔助助設計(CADD)模型型圖三所示示分別為為前煞車車卡鉗總總成與其其零件實體體圖，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，

6、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、煞煞車卡鉗鉗實體圖煞車卡鉗總成卡鉗煞車片活塞卡鉗支架圖四、煞煞車卡鉗鉗之電腦腦輔助設設計CAAD模型型 圖五、煞煞車碟盤盤實體圖圖與電腦輔輔助設計計CADD模型2.2有有限元素素模型2.2.1煞車車系統之之結構模型型本研究採採用電腦腦輔助分分析軟體體(ANNSYSS) 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。主結構構則使用用自由度度為3個個方向位位移與八八節點之之線性實實體元素素(Soolidd45)，進行行結構之之

7、有限元元素模型型網格分分割。煞煞車卡鉗鉗與煞車車碟盤四四周皆有有圓角，若若將圓角的的特徵進進行網格格分割的的話，將會使使有限元元素模型型之元素與節節點的數數量增加加，而使使有限元元素分析析的時間間增加造造成資源源上的浪浪費，因此在在本文中中圓角的的特徵予予以忽略略。煞車卡鉗鉗為左右右對稱之結構，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

8、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材料料機械性性質本研究之之煞車卡卡鉗材料料原始設設計採用用鑄鐵(FCDD5000)，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、九所示示。測試試之標準準試件為為圓棒，變變形則分分別以應應變規與與延伸計計量取。 實驗數數據整理後為：FFCD5500之之彈性模數為1663.22GPaa、降伏伏強度為為4122.3MMPa、抗拉強強度為6684

9、MMPa。A3556-TT6之彈性模數為733.4GGPa、降伏強強度為2268MMPa、抗拉強強度為3316MMPa。活塞、煞車蹄蹄片之材質參考考鑄鋼1，彈性係係數為2200GGPa、降伏強強度為3340MMPa以以上。煞煞車碟盤盤材質為為灰口鑄鑄鐵(FFC2550)1，抗抗拉強度度為2550MPPa以上上。圖六、煞煞車卡鉗鉗之有限限元素圖七 煞煞車卡鉗鉗、碟盤盤之有限限元素模模型 圖八、球墨鑄鑄鐵(FFCD5500)之應力力-應變變曲線圖九、鋁鋁合金(A3556-TT6)之之應力-應變曲曲線2.2.3邊界界與負載載條件本研究分分析條件件為靜態態之煞車車力作用用下為負負載的輸輸入，並並討論卡

10、卡鉗結構構之變形形與應力力，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。煞車卡鉗鉗由兩顆顆螺栓組組裝於轉轉向節上上如圖十十所示。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(b)為為煞車卡卡鉗剖面面圖

11、，在在油壓缸缸內施予予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)、蹄片(與活塞塞、卡鉗鉗接觸面面)由三三維目標標元素TTARGGE1770所構構成，卡卡鉗(與與活塞、蹄片接接觸面)、活塞塞(與蹄蹄片接觸觸面)由由三維接接觸元素素CONNTA1173所所構成。圖十一(c)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

12、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) 煞車卡鉗鉗邊界條條件(b) 煞車卡鉗鉗剖面圖圖(c) 煞車卡鉗鉗邊界條條件圖十一 有限元元素之邊邊界與負負載條件件3.結果果與討論論圖十二至至圖十九為煞車車油壓55.233MPaa之voon MMisees應力力分佈、變形圖圖。圖十二、十四可發現現卡鉗、卡鉗支支架材料料為FCCD500

13、0、AA3566-T66時，最最大voon MMisees應力力都位於活活塞上，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、十五可發現現卡鉗、卡鉗支支架材料料為FCCD5000、AA3566-T66時，最最大voon MMisees應力力小於材材料降伏伏強度4412.3 MMPa、2688 MPPa，故故卡鉗、卡鉗支支架有足足夠的強強度不會會產生破破壞。表表一為煞煞車卡鉗鉗各零件件最大vvon Misses 應力。圖十六至至圖十九可發現現卡鉗、卡鉗支支架材料料為FCCD5000時，最大大變形在在活塞為為0.223

14、4mmm，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。表二為煞煞車卡鉗鉗各零件件最大最大大變形。圖十二 煞車油油壓5.23MMPa之之vonn Miisess應力分分佈圖十三 煞車油油壓5.23MMPa之之vonn Miisess應力分分佈圖十四 煞車油油壓5.23MMPa之之vonn Miisess應力分分佈圖十五 煞車油油壓5.23MMPa之之vonn Miisess應力分分佈圖十六 煞車油油壓5.23MMPa之之變形圖圖圖十七 煞車油油壓5.23MMPa之之變形圖圖圖十八 煞車油油壓5.23MMPa之之變形圖圖圖十九 煞車油油壓5.23MM

15、Pa之之變形圖圖表一、煞煞車卡鉗鉗各零件件最大vvon Misses 應力FCD5500(Mpaa)降伏強度度比()A3566-T66(Mpaa)降伏強度度比()卡鉗10124.5579.4429.66卡鉗支架架60.6614.7738.2214.33鑄鋼降伏強度度比()鑄鋼降伏強度度比()活塞22666.5522365.66表二、煞煞車卡鉗鉗各零件件最大最大大變形FCD4450(mm)A3566-T66 (mmm)卡鉗0.19980.3007卡鉗支架架0.022150.02232鑄鋼(mmm)鑄鋼(mmm)活塞0.23340.26634. 結結本研究藉藉由逆向向工程與與電腦輔輔助工程程設計分

16、分析，有有效的分分析探討討煞車卡卡鉗的輕輕量化結結構剛性性與強度度，分析析結果獲獲得以下下四點結論論：(1)卡卡鉗、卡卡鉗支架架材料為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)後後續將施施加煞車車制動力力於碟盤盤上，分分析四人人乘載緊緊急煞車車時，左左前煞車車卡鉗原原始結構構與輕量量化結構構，討論論煞車卡卡鉗結構構強度與與剛性。(3)目目前接觸觸元素運算算法則為為auggmenntedd Laagraangiian metthodd，仍有一一些不確確定的因因素有待待改善。(4)本本文輕量量化採用用更改

17、材材料機械械性質，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. 考文獻獻 1. 小栗富士士雄，小小栗達男男，“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，“現代汽車原理”全友書局股份有限公司，1975。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. 中華汽服務部部技術課課,SAAVRIIN底盤盤工作手手冊,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

18、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。Weigght Redducttionn Deesiggn aand Anaalyssis forr thhe BBrakke CCaliiperr off a Spoort Utiilitty VVehiiclee Huiwwen

19、Hu11 Tzuuhsuuan Huaang22 1,2DDepaartmmentt off Veehiccle Enggineeeriing,Natiionaal Pinngtuung Uniiverrsitty oof SScieencee annd TTechhnollogyy, TaaiwaanE-maail : hhuiwwenmaiil.nnpusst.eedu.twAbsttracct Thiss paaperr prreseentss thhe wweigght redducttionn deesiggn aand anaalyssis of thee brakke ccali

20、iperr 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 modde

21、l, 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.Keywwordds: brakke ccaliiperr; weigght redducttionn dessignn; finiite eleemennt aanallysiis