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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]编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第页共NUMPAGES5页第PAGE\*MERGEFORMAT5页共NUMPAGES\*MERGEFORMAT5页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。卡鉗總成圖一、煞車卡鉗位置圖[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。煞車卡鉗總成卡鉗煞車蹄片活塞卡鉗支架圖三、煞車卡鉗實體圖煞車卡鉗總成卡鉗煞車片活塞卡鉗支架圖四、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