Wear Analysis of Brake Pads for Roller Brake

近年來由於公共自行車的發展，為了能降低維護成本而使用羅拉煞車系統，但煞車器普遍存在磨耗不均的現象，減短使用壽命。本文主要目的在探討自行車羅拉煞車器制動塊的磨耗情況，藉由實驗與電腦輔助工程分析來了解磨耗分佈，並提出改善雛型，使制動塊能達到均勻磨耗。 本研究先透過測試制動力用以了解羅拉煞車的制動範圍與確認符合EN規範後，再利用電腦輔助工程軟體完成羅拉煞車器模擬模型，加以分析制動時熱-固耦合的應力值，並將Archard磨耗理論帶入分析，最後以磨耗實驗與分析結果作比對並提出改善雛型。 由本研究的實驗與分析可以看出原本制動塊的磨耗不均狀況，設計雛型改善了制動塊的拘束方式與使內部元件呈對稱。藉由此設計在分析上能比原設計減少9%至46%的最大應力值、三塊制動塊的應力分布相近與三塊制動塊應力值較原設計勻稱。Recently, the Public Bicycle System is using Roller Brake System to reduce the maintenance cost. The lifespan of the bicycle brake devices has been cut down because of the uneven wear. The main purpose of this thesis is to discuss the wear of brake pads for Roller Brake. Through experiments and Computer-Aided Engineering analysis to understand the wear distribution and the design model are improved to achieve uniform wear for brake pads. At the first of this study, aim to understand the braking range of Roller Brake and to confirm if it complies with EN specification, thus we do braking performance test. After that, used Computer-Aided Engineering software to complete the simulation model of Roller Brake, and analyzed the equivalent stress values of the coupled Thermal-Mechanical during braking, then have wear simulation procedure based on Archard's wear law. Finally, compared the experiment of wear and the result of simulation, the improvement model would be proposed. From the experiment and analysis of this study, we could see the uneven wear of the brake pads. The improvement model changes the position of restraint of the brake pads and makes the structure symmetrical. By this design, the maximum stress value can be reduced by 9% to 46% compared with the original design, the stress distribution of the three brake pads is similar, and the stress values of the brake pads are evener than the original design.摘要 i Abstract ii 目錄 iii 圖目錄 viii 表目錄 xiii 符號說明 xv 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2研究動機與目的 2 1.3文獻回顧 2 1.3.1專利技術 2 1.3.2煞車性能 6 1.3.3熱分析 7 1.3.4磨耗預測 8 1.4研究方法與流程 9 1.5本文架構 12 第二章 自行車煞車器 13 2.1自行車煞車器形式 13 2.1.1輪圈煞車(Rim Brake) 13 2.1.2 碟盤式煞車(Disk Brake) 14 2.1.3腳煞車或倒踩煞車(Backpedaling or Coaster Hub Brake) 14 2.1.4 鼓式煞車(Drum Brake) 15 2.2羅拉煞車(Roller Brake) 15 2.2.1主要元件 17 2.2.2潤滑脂 18 2.2.3煞車制動力 20 2.2.4制動原理 22 2.2.5羅拉煞車器力量傳輸關係建立 24 2.3結論 26 第三章 煞車性能測試 28 3.1制動性能標準【42】 28 3.2測試機台說明 29 3.2.1測試機台種類 29 3.2.2測試上的具體要求 30 3.2.3自行車、騎乘者和儀器的質量 31 3.2.4施加在把手制動桿上的力 31 3.3測試方法 31 3.4測試結果評估 32 3.5制動力實驗 33 3.5.1乾式測試結果 34 3.5.2濕式測試結果 36 3.6結論 38 第四章 電腦輔助分析 41 4.1 數位模型建置 42 4.1.1材料參數 42 4.1.2邊界條件 43 4.1.3制動塊區分定義 44 4.2負載分析 46 4.2.1 制動塊摩擦面應力 46 4.2.2不同施力大小 48 4.3熱分析 50 4.3.1熱分析理論 50 4.3.2彈性材料熱應力分析【44】 50 4.3.3熱通量計算 51 4.3.4溫度分佈 52 4.3.5熱應力 56 4.4熱-固耦合分析 57 4.4.1正常煞車狀況 57 4.4.2連續下坡煞車 58 4.4.3溫度與負載對應力的影響 59 4.5磨耗分析 61 4.5.1 Archard磨耗方程式【47】 61 4.5.2磨耗係數 62 4.5.3磨耗預測 63 4.6潤滑脂影響 64 4.6.1負載分析 64 4.6.2溫度分析 66 4.7結論 66 第五章 制動塊磨耗實驗與改善雛型 68 5.1制動塊磨耗實驗 68 5.1.1實驗設備與量測 68 5.1.2耐久測試結果 70 5.2制動塊磨耗狀況 72 5.2.1有無潤滑脂 74 5.2.2同一塊制動塊 75 5.2.3不同型號 77 5.2.4實驗與分析比較 79 5.3改善構想設計 80 5.3.1改善目標 80 5.3.2制動塊 81 5.3.3滾柱罩殼 83 5.3.4輪轂 85 5.4設計雛型分析 86 5.4.1雛型分析 86 5.4.2與原設計比較 89 5.5結論 94 第六章 結果討論與未來展望 95 6.1結果討論 95 6.2未來展望 96 參考文獻 97 【附錄A】制動力測試數據 102 【附錄B】耐久測試數據 107 【附錄C】制動塊磨耗狀況 11