# 臺灣博碩士論文加值系統

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 摘要本文內容分別對自強號客車車廂振動及其齒輪箱龜裂問題，進行有限元素軟體分析以及模態測試。車廂振動問題與齒輪箱龜裂問題為兩個獨立的研究主題，但其所使用之探討方法相同。在車廂振動方面，以有限元素分析軟體MSC.Patran＆Nastran進行模態分析，可求得車廂之自然振動頻率及其相對應之模態，並且對實車作振動量測，獲得車廂地板與側牆的振動頻譜資料。由實測所得之頻譜資料及相位圖，可得其振態並與軟體模擬之結果，分別比對地板與側牆的振動模態，此為建立研究車體振動之初步模式。在齒輪箱龜裂模擬分析方面，先單獨對齒輪箱進行模擬分析，其邊界條件分別設定為自由-自由，以求出齒輪箱之自然振頻與模態；接著再將邊界條件定為在自由-自由之情況下，求出在齒輪箱與馬達連結時之自然振頻與模態，最後在齒輪箱前端施以一單位激振力，以求出易龜裂處之頻率響應函數，並與自強號齒輪箱實測之應力、應變比對後，其峰值頻率之趨勢吻合。最後，為有效改善齒輪箱龜裂問題，對齒輪箱的構型加以修改與增加加強材，進行一系列頻率響應模擬；分析結果顯示，在齒輪箱內部前後各加入兩塊板之加強材時，可有效改善其龜裂問題。關鍵詞：齒輪箱、有限元素分析、模態分析、頻率響應分析、線性靜態分析
 AbstractIn this thesis, the finite element analysis and modal testing are used to investigate the vibration of a TRA passenger train and the crack problem of gearbox in locomotives. These two problems are independent while the approach methodologies are the same.In the aspect of train vibration, modal analysis has been done by the software MSC.Patran and Nastran to obtain the natural frequencies and mode shapes of the carriage. Also, experimental measurement of the train vibration has been carried out to obtain the modes by using phase data. By comparing with the modes of the floor and sidewall of carriage using simulation and measurement, thus set up a preliminary approach for analyzing the car body vibration.In the aspect of gearbox crack simulation, the natural frequencies and mode shapes are analyzed with free-free boundary condition, when carried out to simulation of gearbox alone. Then, the natural frequencies and mode shapes are analyzed when motor is linked with the gearbox. Also, a unit harmonic force is applied at the front end of the gearbox to obtain the frequency response of the crack zone to compare with stress and strain of measurement of gearbox for TRA. The simulation and measurement showed similar trend.Finally, in order to effectively improve the crack problem of the gearbox, the configuration of gearbox was modified. After a series of frequency response analysis simulation for different configuration, the results demonstrate that increase in stiffeners in the gearbox can improve the structural strength against crack.Keyword: gearbox, finite element analysis, modal analysis, frequency response analysis, linear static analysis
 目 錄第一章 緒論 11.1 研究動機與背景 11.2 研究方法與流程 11.3 文獻回顧 41.4 軟體簡介 4第二章 應用理論簡介 62.1 模態分析法簡介 62.2 頻率響應分析簡介 11第三章 車廂之軟體模擬分析與實驗 143.1 車廂FEM分析 143.1.1車廂有限元素模型之建立 143.1.2 車廂模態分析 173.2 正線實車測試 193.3 結果討論 27第四章 齒輪箱與馬達之軟體模擬分析與實驗 294.1 齒輪箱FEM分析 294.1.1 齒輪箱有限元素模型之建立 294.1.2 齒輪箱自然頻率與模態分析 314.2 齒輪箱與馬達連接之FEM分析 554.2.1 齒輪箱與馬達連接之有限元素模型之建立 554.2.2 齒輪箱與馬達連接之自然頻率與模態分析 564.2.3 齒輪箱與馬達連接之靜態應變模擬分析 684.3 頻率響應分析 704.3.1齒輪箱與馬達連接之有限元素模型之頻率響應分析 704.3.2 預估齒輪箱龜裂處之應變量頻率響應分析 724.3.3 預估齒輪箱龜裂處之應力頻率響應分析 73 4.4 馬達上下吊耳之頻率響應分析 74 4.4.1 預估馬達上吊耳龜裂處之頻率響應分析 75 4.4.2 預估馬達下吊耳龜裂處之頻率響應分析 764.5應變規 774.5.1 應變規簡介 774.5.2 應變規之黏貼 794.6 空轉測試 814.7 正線測試 84第五章 齒輪箱龜裂問題改善方法之探討 965.1 模型修改 985.2 齒輪箱內部加入加強材 1095.3 結果討論 127第六章 結論與未來研究方向 1286.1 結論 1286.2 未來研究方向 129參考文獻 130表目錄表3.1材料參數 13表3.2頻率與相位對照表 27表4.1材料參數 31表4.2齒輪箱之前十階結構自然頻率 32表4.3材料參數 43表4.4模擬馬達與齒輪箱連接之前十階結構自然頻率 44表4.5材料參數 57表4.6齒輪箱與馬達連接之前十階結構自然頻率 57表4.7材料參數 68表5.1 齒輪箱修改方式 96表5.2 靜態受重力作用下吊耳易龜裂處之應力與應變 97圖目錄圖1.1 研究流程圖(車廂) 3圖1.2 研究流程圖(齒輪箱) 3圖1.3 Patran軟體介面 5圖3.1 自強號列車General Arrangement圖 14圖3.2 自強號列車Outside Fittings＆Letterings圖 15圖3.3 自強號列車Roof Structure圖 15圖3.4 車廂有限元素模型 16圖3.5 車廂網格生成圖 16圖3.6 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(一) 18圖3.7 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(二) 18圖3.8 頻率3.7648 Hz之振動模態圖(三) 19圖3.9 地板加速規佈置圖 21圖3.10側牆加速規佈置圖 21圖3.11量測儀器佈置圖 22圖3.12地板5m處加速規頻譜圖 22圖3.13地板7.5m處加速規頻譜圖 23圖3.14地板10m處加速規頻譜圖 23圖3.15側牆5m處加速規頻譜圖 24圖3.16側牆7.5m處加速規頻譜圖 24圖3.17側牆10m處加速規頻譜圖 25圖3.18地板5m/地板7.5m之加速規phase圖 25圖3.19地板5m/地板10m之加速規phase圖 26圖3.20側牆5m/側牆7.5m之加速規phase圖 26圖3.21側牆5m/側牆10m之加速規phase圖 27圖4.1 轉向架實體圖 29圖4.2 齒輪箱龜裂處實體圖 30圖4.3 齒輪箱有限元素模型 30圖4.4 Quard4元素示意圖 32圖4.5 齒輪箱第一階模態(一) 33圖4.6 齒輪箱第一階模態(二) 33圖4.7 齒輪箱第二階模態(一) 34圖4.8 齒輪箱第二階模態(二) 34圖4.9 齒輪箱第三階模態(一) 35圖4.10 齒輪箱第三階模態(二) 35圖4.11 齒輪箱第四階模態(一) 36圖4.12齒輪箱第四階模態(二) 36圖4.13齒輪箱第五階模態(一) 37圖4.14齒輪箱第五階模態(二) 37圖4.15齒輪箱第六階模態(一) 38圖4.16齒輪箱第六階模態(二) 38圖4.17齒輪箱第七階模態(一) 39圖4.18齒輪箱第七階模態(二) 39圖4.19齒輪箱第八階模態(一) 40圖4.20齒輪箱第八階模態(二) 40圖4.21齒輪箱第九階模態(一) 41圖4.22齒輪箱第九階模態(二) 41圖4.23齒輪箱第十階模態(一) 42圖4.24齒輪箱第十階模態(二) 42圖4.25齒輪箱邊界條件給定示意圖 44圖4.26模擬馬達與齒輪箱連接之第一階模態(一) 45圖4.27擬馬達與齒輪箱連接之第一階模態(二) 45圖4.28模擬馬達與齒輪箱連接之第二階模態(一) 46圖4.29模擬馬達與齒輪箱連接之第二階模態(二) 46圖4.30模擬馬達與齒輪箱連接之第三階模態(一) 47圖4.31模擬馬達與齒輪箱連接之第三階模態(二) 47圖4.32模擬馬達與齒輪箱連接之第四階模態(一) 48圖4.33模擬馬達與齒輪箱連接之第四階模態(二) 48圖4.34模擬馬達與齒輪箱連接之第五階模態(一) 49圖4.35模擬馬達與齒輪箱連接之第五階模態(二) 49圖4.36模擬馬達與齒輪箱連接之第六階模態(一) 50圖4.37模擬馬達與齒輪箱連接之第六階模態(二) 50圖4.38模擬馬達與齒輪箱連接之第七階模態(一) 51圖4.39模擬馬達與齒輪箱連接之第七階模態(二) 51圖4.40模擬馬達與齒輪箱連接之第八階模態(一) 52圖4.41模擬馬達與齒輪箱連接之第八階模態(二) 52圖4.42模擬馬達與齒輪箱連接之第九階模態(一) 53圖4.43模擬馬達與齒輪箱連接之第九階模態(二) 53圖4.44模擬馬達與齒輪箱連接之第十階模態(一) 54圖4.45模擬馬達與齒輪箱連接之第十階模態(二) 54圖4.46齒輪箱與馬達連接之有限元素模型 55圖4.47齒輪箱與馬達連接之網格生成圖 56圖4.48馬達與齒輪箱連結之第一階模態(一) 58圖4.49馬達與齒輪箱連結之第一階模態(二) 58圖4.50馬達與齒輪箱連結之第二階模態(一) 59圖4.51馬達與齒輪箱連結之第二階模態(二) 59圖4.52馬達與齒輪箱連結之第三階模態(一) 60圖4.53馬達與齒輪箱連結之第三階模態(二) 60圖4.54馬達與齒輪箱連結之第四階模態(一) 61圖4.55馬達與齒輪箱連結之第四階模態(二) 61圖4.56馬達與齒輪箱連結之第五階模態(一) 62圖4.57馬達與齒輪箱連結之第五階模態(二) 62圖4.58馬達與齒輪箱連結之第六階模態(一) 63圖4.59馬達與齒輪箱連結之第六階模態(二) 63圖4.60馬達與齒輪箱連結之第七階模態(一) 64圖4.61馬達與齒輪箱連結之第七階模態(二) 64圖4.62馬達與齒輪箱連結之第八階模態(一) 65圖4.63馬達與齒輪箱連結之第八階模態(二) 65圖4.64馬達與齒輪箱連結之第九階模態(一) 66圖4.65馬達與齒輪箱連結之第九階模態(二) 66圖4.66馬達與齒輪箱連結之第十階模態(一) 67圖4.67馬達與齒輪箱連結之第十階模態(二) 67圖4.68邊界條件給定示意圖 69圖4.69 Static Strain分布圖 69圖4.70齒輪箱上蓋 70圖4.71齒輪箱上蓋龜裂處 71圖4.72施單位力之有限元素模型 71圖4.73齒輪箱龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 72圖4.74齒輪箱龜裂處應力頻率響應頻譜圖 73圖4.75馬達上吊耳易龜裂處 74圖4.76馬達下吊耳易龜裂處 74圖4.77 馬達上吊耳龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 75圖4.78 馬達上吊耳龜裂處應力頻率響應頻譜圖 75圖4.79 馬達下吊耳龜裂處應變量頻率響應頻譜圖 76圖4.80 馬達下吊耳龜裂處應力頻率響應頻譜圖 76圖4.81三軸應變規示意圖 78圖4.82黏貼面之磨平拋光 80圖4.83應變規黏貼完成示意圖 80圖4.84實驗儀器佈置連線圖 82圖4.85空轉測試之馬達示意圖 82圖4.86可調式電壓之外接電源箱示意圖 83圖4.87穩定電壓輸出時量測頻譜圖 83圖4.88瞬間降壓時量測頻譜圖 84圖4.89量測儀器佈置圖 86圖4.90齒輪箱上佈點位置 87圖4.91馬達上方佈點位置 87圖4.92馬達下方佈點位置 88圖4.93三軸加速規佈點位置 88圖4.94應變規軸一:紅線 90圖4.95應變規軸二:白線 90圖4.96應變規軸三:綠線 91圖4.97εmax 91圖4.98εmin 92圖4.99γmax 92圖4.100齒輪箱-X軸 93圖4.101齒輪箱- Y軸 93圖4.102齒輪箱- Z軸 94圖4.103馬達-X軸 94圖4.104馬達-Y軸 95圖4.105馬達-Z軸 95圖5.1 case1修改示意圖 98圖5.2 case1: 修改後之FEM模型 99圖5.3 case1: 施單位力之FEM模型 99圖5.4 未修改模型與case1之比較 100圖5.5 case1 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 100圖5.6 case1 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 101圖5.7 case1 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 101圖5.8 case1 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 102圖5.9 case1 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 102圖5.10 case1 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 103圖5.11 鋼板修改示意圖 104圖5.12 case2: 修改後之FEM模型 104圖5.13 case2: 施單位力之FEM模型 105圖5.14未修改模型與case2之比較 105圖5.15 case2 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 106圖5.16 case2 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 106圖5.17 case2 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 107圖5.18 case2 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 107圖5.19 case2 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 108圖5.20 case2 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 108圖5.21 case3: 加裝加強材之FEM模型 109圖5.22 case3: 施單位力之FEM模型 110圖5.23未修改模型與case3之比較 110圖5.24 case3 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 111圖5.25 case3 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 111圖5.26 case3 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 112圖5.27 case3 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 112圖5.28 case3 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 113圖5.29 case3 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 113圖5.30 case4: 加裝加強材之FEM模型 114圖5.31未修改模型與case4之比較 115圖5.32 case4 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 115圖5.33 case4 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 116圖5.34 case4 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 116圖5.35 case4 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 117圖5.36 case4 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 117圖5.37 case4 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 118圖5.38 case5: 加裝加強材之FEM模型 119圖5.39未修改模型與case5之比較 119圖5.40 case5 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 120圖5.41 case5 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 120圖5.42 case5 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 121圖5.43 case5 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 121圖5.44 case5 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 122圖5.45 case5 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 122圖5.46 case6: 加裝加強材之FEM模型 123圖5.47未修改模型與case6之比較 124圖5.48 case6 : 龜裂處之應變量之頻率響應頻譜圖 124圖5.49 case6 : 龜裂處之應力之頻率響應頻譜圖 125圖5.50 case6 : 馬達上吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 125圖5.51 case6 : 馬達上吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 126圖5.52 case6 : 馬達下吊耳龜裂處之應變頻率響應頻譜圖 126圖5.53 case6 : 馬達下吊耳龜裂處之應力頻率響應頻譜圖 127
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 1 鐵路客車車廂結構體之應力與疲勞壽命分析 2 鐵路車輛轉向架系統於彎曲軌道運動之脫軌行為與穩定性分析 3 以有限元素法分析軌道結構於輪-軌互制作用下之反應 4 機台固定角座耐震應力分析 5 機車車體結構分析與最佳化設計之研究 6 薄板結構之有限元素分析研究-以篩選機為例 7 微機電與晶片精密定位平台之動態分析 8 硬碟機滾珠軸承轉軸系統之模態分析 9 使用ANSYS之機械結構動態分析 10 高速化工具機動態特性分析與改善 11 複合材料葉片振動行為之研究 12 基座與懸臂結構之動態分析與振動控制 13 車輛排氣結構減振研究 14 分離式軸承殼破壞應力分析實驗及模態分析實驗 15 螺栓結點有限元素靜態、動態分析模式探討與工程實例應用

 1 16. 陳誠源 : “臺北高運量捷運系統浮動式道床軌道之探討”, 捷運技術半年刊,第27期,91年8月。

 1 電腦風扇之振動與噪音之分析 2 FRP快艇整船振動噪音預估模式之建立與實測驗證 3 軌道車輛轉向架之齒輪箱與橡膠元件有限元素分析 4 振動頻率對不鏽鋼振動輔助車削品質影響之研究 5 電腦機殼噪音預估模式之建立 6 航空發動機減速組齒輪箱失效調查與分析研究 7 軌道車輛行進之環境噪音振動與相關參數研究 8 齒輪幫浦振動噪音研究與減制 9 以多尺度分析為特徵之多轉速齒輪箱錯誤診斷之研究 10 軌道系統減振模式之建立與分析 11 軌道系統引發土壤振動之有限元素法預估 12 中小型風機齒輪箱螺旋齒輪之振動分析 與故障診斷 13 電動車齒輪箱之振動量測平台架設與實驗 14 基於強化型Morlet轉換、解調變頻譜、多尺度熵、多頻帶頻譜熵與決策樹之齒輪箱異常診斷系統 15 應用非線性模式之大型風力機用增速行星齒輪箱之動態響應分析

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