中央大學機械工程學系學位論文
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本文主要探討由互補型盤狀圓弧刀具所創成之互補型圓弧曲線齒齒輪的有限元素應力分析。首先，推導互補型圓弧曲線齒齒輪的數學模式，進而利用假想齒條刀配合創成機構推導互補型曲線齒齒輪的齒面數學模式。接著進行互補型曲線齒齒輪之齒面接觸分析，探討刀具參數與組裝誤差對傳動誤差的影響。互補型圓弧曲線齒齒輪是線接觸，且對組裝誤差相當敏感，使用有限元素分析軟體ABAQUS進行互補型圓弧曲線齒齒輪五對接觸齒之應力分析，再將同樣是線接觸型態之正齒輪有限元素分析結果比對， 此外，將互補型圓弧曲線齒齒輪由線接觸修整為點接觸，並利用齒面接觸分析探討傳動誤差和接觸齒印，並探討有限元素應力分析。 最後利用單齒腹測試機針對互補型圓弧曲線齒齒輪和近似線接觸互補型圓弧曲線齒齒輪進行接觸齒印實驗，並與齒面接觸分析和有限元素分析結果互相驗證比對。
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人工植牙已成為目前治療牙齒缺損的主要方式，影響植牙成功因素包括牙根設計、表面處理、骨骼狀況及手術技術等，其中牙根外型設計為臨床重要關鍵因素。透過良好外型設計利於初始鎖入、降低鎖入扭矩、減少熱傷害、提高穩定度、減低牙根邊緣骨吸收情形及強化牙根機械強度等，因此重視牙根外型設計將提高手術成功率。本文主要探討牙根外型(如牙型、錐度與自攻缺口)與骨骼之生物力學行為，且藉由牙根鎖入骨骼之扭矩、牙根與骨骼介面穩定度及牙根對骨骼應力分佈研究進行評估。本研究方法涵蓋生物力學測試、有限元素分析及數學模型分析。實驗結果將作為數值方法之基礎資訊，並探討現有數值方法。在鎖入扭矩研究結果發現自攻缺口有助於降低鎖入扭矩與初始鎖入，且錐狀牙根鎖入扭矩較高及具較佳的穩定度，並發現錐狀牙根頸部周圍骨質變較為緊密，另外錐狀碗狀缺口牙根為最佳設計，具備最高的穩定度。植體與骨骼介面穩定度在有限元素分析研究發現位移量的假設在最終抗拉區域較佳，並指出最大應力指標與穩定度相關性最低，反觀，在最終區域的反作用力為較佳指標。另外針對數學模型研究發現桶狀植體有較佳的預估趨勢，但在錐狀植體及牙型需再進行公式化修改。針對牙根對骨骼應力分佈研究結果發現骨骼最大應力均在第一道螺紋處，且方形牙(p = 0.60 mm)擁有最高的接觸面積及較低應力。
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由於大型車輛為民眾較常搭乘的大眾運輸運具，能減少私人運具的使用，提升能源的使用效率。但肇事時會造成重大傷亡，常成為社會關注的焦點。此外道路交通已佔所有交通運輸大部分的溫室氣體排放，因此先進國家推動了節能減碳策略，積極推行綠色交通計畫，發展適應人類居住環境。本研究以城際客運大型車輛職業駕駛人為研究對象，收集駕駛行為資料，以分析能源消耗及不安全駕駛行為，作為宣導及改善駕駛行為的根據。 本研究採用實驗室研發的行車偵測系統，並且配合OBDII車輛診斷設備針對60位不同的大客車職業駕駛者，以國道路線進行實車測試。實驗完畢之後將收集的行車資料進行格式化放入資料庫中，以分析能源消耗及不安全駕駛行為。 研究中發現每一位司機都有其起步習慣，只是在燃油效率呈現上有所不同，起步習慣於引擎轉速1400rpm~1600rpm換檔有較佳的燃油效率表現。本研究又利用Ryosuke Ando等人的分析方式將節能安全駕駛數據化，將起步行為、車速穩定行為、怠速行為定義為節能指標；重加速度行為、重減速度定義為安全指標，結果顯示，指標總分數與完整路線燃油效率、國道路線燃油效率呈現高度正 關。
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本研究藉由拉伸、抗蝕以及慢應變拉伸(SSRT)測試，探討退火溫度及敏化處理對AA5083-H15鋁鎂合金之機械性質、沿晶腐蝕與應力腐蝕破壞性之影響。分別以光學顯微鏡(OM)、穿透式電子顯微鏡(TEM) 以及掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察合金的微結構變化、腐蝕形貌與破裂斷面。 AA5083-H15鋁鎂合金在低於200℃的退火處理(即敏化處理)會導致β相(Mg2Al3)於晶界連續析出，此連續析出相提供腐蝕傳播的路徑，導致合金嚴重的腐蝕破壞。AA5083鋁鎂合金於敏化處理中易使β相於晶界連續析出導致抗蝕性下降。而經250℃退火的合金於敏化處理過程能減少β相在晶界上連續析出，導致腐蝕的傳播路徑不連續而擁有良好的抗蝕性。 經敏化處理後，未經退火及低於200℃退火之AA5083合金因抗蝕性低，在腐蝕環境中進行慢應變拉伸會產生嚴重的應力腐蝕現象，導致延性大幅下降；而250℃退火之合金具優異的抗蝕性，無明顯的應力腐蝕現象；高於300℃退火的合金因低強度之特性，應力腐蝕裂縫不易成長，對應力腐蝕的敏感性較低，於慢應變拉伸試驗無明顯的延性損失。
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油漩與油顫這一類因油膜軸承中流體所引發之不穩定現象，經常困擾著工程人員。此不穩定現象主要發生在轉動機械剛啟動時，以及運轉中負載條件突然改變。能影響流體引發不穩定的因子有很多，而且部分因子間存在著交互作用；往往並不知道各影響因子所佔的權重，尤其是當彼此有交互作用時。本研究藉由田口實驗計畫法設計實驗，以最少的實驗次數來評估相關因子對發生不穩定的權重。 流體引發不穩定門檻之重要參數:其一為動壓軸承中油膜的流體平均速度，其二是油膜的勁度。在本研究中以不平衡量、堵塞、油壓及油溫來當作控制因子，每一因子皆選擇二個水準，所以實驗設計採用L8直交表。不同因子均會影響轉子系統狀態，系統狀態訊息會蘊藏在轉速從零上升到額定轉速的訊號之中，經由分析振動訊號可得知流體引發不穩定在不同因子影響下發生時的轉速大小，此時的轉速稱之為不穩定門檻。結果顯示，堵塞和油壓彼此有交互作用，而且不平衡量和油溫都是影響流體引發不穩定的顯著因子，只是不平衡量和其他任一因子共同使用，反而會提早引發不穩定，所以對於消除不穩定來說不平衡量只能單獨作用，也就是說增加油溫能有效延後不穩定發生。本研究可提供工程師一套消除不穩定的流程，當作參考。
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利用直邊飛刀與刀盤創成的曲線齒輪具有高強度、低噪音、潤滑良好且無軸向推力等優點。但有軸向組裝誤差情況時，將會產生不連續的傳動誤差。為避免不連續的傳動誤差，因此本論文所研究之曲線齒輪，將直邊刀具換成圓弧狀刀具再配合刀盤創成曲線齒輪，故稱為修整型曲線齒輪。修整型曲線齒輪嚙合時為點接觸型式，其接觸應力較高可能會影響齒輪的壽命。而傳動誤差的存在已普遍被認為和齒輪嚙合時產生的振動與噪音有密切的關連性。因此如何避免過高的齒面接觸應力與研究嚙合齒輪對所產生負載下傳動誤差為本論文研究之重點。 本論文依據所推導修整型曲線齒輪齒面數學模式，完成齒面接觸分析與曲率分析，並且建立有限元素齒面網格分割電腦程式，透過赫茲應力公式與有限元素分析，探討齒輪刀具參數對齒面接觸應力之影響。 除了以齒面接觸分析探討齒輪未負載之傳動誤差外，本論文整合齒面接觸分析與有限元素分析結果，並且也整合赫茲應力公式所計算彈性變形量與齒面接觸分析整合，依兩者結果研究負載下傳動誤差之情形。
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由於人口密度的增加以及生活品質的提升，機動車已經是不可取代的移動手段之一，但也因此交通事故頻傳，造成許多家破人亡的悲劇，因此道路交通安全也越來越受到重視，其中超速行駛一直是主要發生車禍的原因之一，因此如何進行速度管理是非常重要的。而其中道路工程措施便是一種有效的速度管理方式， 但道路工程卻包含了許多設置設施的成本規劃以及持久性等問題。因此本研究結 合了抬頭顯示器以及擴增實境的配備創造出投影式的交通標誌標線進行實驗，並研究透過這套設備所呈現的不同標誌標線對於駕駛者的速度影響，以其令駕駛者達到更有效的速度管理。 本研究總共招募30名受測者使用固定式駕駛模擬器結合抬頭顯示器以及擴增實境的配備進行測試，實驗環境為直線路段的都市道路，雙向混合車道，單一車道寬度3.25m，道路總長8.4公里，於行駛過程中會隨機觸發事件，事件內容為透過抬頭顯示器投影共4種交通標誌與6種交通標線至前擋風玻璃上，並記錄受測者對於事件出現的駕駛行為反應，最後進行分析與統計。結果顯示十種交通標誌標線皆能有效降低駕駛者的行車速度，其中當心兒童警告標誌(-28.67%)、橫向減速標線(-24.5%)以及警示柱(-24.38%)的平均速度變化最為顯著，減速效果最佳。 與將標誌標線任務直接設置於場景中相比，本研究採用抬頭顯示器結合擴增實境顯示交通標誌標線的方法明顯令駕駛者的反應次數比率上升，且平均速度的減速效果更為顯著，相信此設備能有效幫助駕駛者進行速度管理，增加行車安全。
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本論文利用本實驗室已建立之高壓雙腔室固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)性能量測平台，針對含流道板之單電池堆進行電池性能與阻抗頻譜之定量量測與分析，以了解壓力、溫度、流場均勻度與陰陽極流率等效應對加壓型SOFC之影響。實驗平台包含一大型高壓腔體，內置一高溫爐，其中放置一由陽極支撐電池片、crofer-22-APU框架、集電層與一對肋條式陶瓷流道板堆疊而成的單電池堆。實驗結果含三大重點，分別為在不同加壓條件下(1 ~ 5 大氣壓)(1)流場均勻度效應，(2) 溫度效應，和(3)陰、陽極流率變化效應對單電池堆之電池性的影響。(1)利用本研究團隊先前所設計得有導流裝置之流道板(具優化流場均勻度)與未加導流裝置之流道板(具較差之流場均勻度)作比較，發現流場均勻度之改善可有效提升單電池堆之性能，並且此性能提升會隨壓力增加而更加顯著，相關之阻抗頻譜將用以解釋此一結果。(2)在壓力和流率等操作條件固定時，溫度從650℃提升至800℃下，雖然單電池堆性能會隨溫度上升而提高，但開迴路電壓(OCV)反而會些微下降。這是因為溫度提升對阻抗下降有所助益，使電池性能有所提升，此趨勢在壓力1 ~ 5大氣壓中皆相同。在任一固定溫度條件下(T = 650℃、700℃、750℃和800℃，加壓皆會使功率密度與OCV提升，由阻抗頻譜量測資料，可知這是因為活化極化與濃度極化皆會隨著壓力提升而下降。(3)在操作溫度T = 850℃和陽極流率固定(0.5 slpm H2 + 0.5 slpm N2)時，單電池堆性能將會隨陰極空氣流率增加(空氣流率0.5 slpm、0.75 slpm與1 slpm)而提升，且壓力越高，其提升越明顯。但是，陰極流率固定( 0.5 slpm air)時，單電池堆性能並未因陽極流率增加而顯著提升。顯示陰極流率的變化較陽極流率的變化對單電池堆性能之影響較為敏感。本論文所獲得知結果應該有助於未來發展高效率加壓型SOFC結合GT之複合系統。
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本論文實驗探討淨煤挾帶流氣化合成氣(氫/一氧化碳)之應用燃燒技術，針對不同氫氣/一氧化碳比例合成氣於常壓與高壓條件下，量測其貧油可燃極限，以及層流與紊流燃燒速度(ST和SL)。所有實驗均於本實驗室已建立大型高壓、雙腔體設計之預混燃燒設施平台，該平台由一內爐與一外爐所組成。內爐為本實驗室已發展多年之十字型燃燒器所設計而成，它由水平與垂直鋼管所構成，透過水平腔體底端兩側適合於高壓環境下操作之兩組三相十匹馬力之馬達，反向旋轉左右設之特製風扇並配合空孔板，可於十字型燃燒器中心處區域產生一近似等向性之紊流場。外爐為一大型高壓氣密保護腔體，可於內爐實驗過程中，即中心引燃往外傳播火焰爆炸過程中，吸收由內爐垂直腔體上四個靈敏的釋壓閥所釋放之壓力。利用高速高解析度攝影機，量測中心引燃往外傳播預混火焰之動態傳遞時序影像，經影像分析火焰拉伸率和密度校正計算後，可獲得ST和SL值。 有關層流預混火焰實驗，我們針對貧油條件當量比(??為?0.4 ~ 1.0三種不同比例50%CO/50%H2、65%CO/35%H2和95%CO/5%H2之合成氣燃料，量測其在不同壓力(p)1 ~ 5大氣壓條件下，SL與可燃極限。結果顯示，隨著p增加，不僅SL值降低，並且貧油可燃極限也會擴展。此外，當?值越接近其貧油可燃極限時，SL值對p增加之效應會更加敏感，但當?值接近化學計量比時(??= 1)，則較不敏感。接著依不同合成氣比例的結果來看，隨著氫濃度比例增加，會有更高的SL值，且SL值對p之敏感度會降低，而其貧油可燃極限會有向下擴展之趨勢。 有關紊流預混火焰我們針對(65%CO/35%H2)在??= 0.5時，量測其高壓紊流燃燒速度，壓力範圍從1大氣壓到10大氣壓，特別指出不同於先前研究的地方，即本實驗中心引燃往外傳播之球狀紊焰是在固定紊流雷諾數(ReT ? u?LI/?)條件下所獲得。我們調控方均根紊流擾動速度(u?)與紊流積分長度尺度(LI)，使其乘積與因p值提升而下降的運動黏性係數(?)做等比例調整，以進行固定ReT之實驗量測，其實驗條件有四個不同ReT值:6,700, 9,100, 11,600, 14,200。結果顯示，相反於一般ST隨p增加而上升(p上升，?下降，ReT增加)，在ReT固定條件。我們發現 ST下降趨勢相似於SL，兩者均會隨p增加呈現指數下降之關係，例如ST ~p-0.49在ReT = 14,200。此外，在任一固定p值，正規化紊流燃燒速度(ST/SL)會隨ReT值增加而有顯著增加，顯示ReT之重要性。前述在不同p和ReT之大範圍散佈ST/SL數據，可被聚合成一曲線關係 ST /u? = 0.49Da0.25，其中Da為紊流Damkohler數，此關係式也於Zimont學者提出之理論解ST /u? ~ Da0.25相同，但於過去本實驗團隊針對於貧油甲烷然氣所進行等ReT實驗結果不同，後者ST /u? = 0.14Da0.5，兩者有不同之Da冪次關係。我們將探討壓力、火焰不穩定性與紊流尺度等效應，嘗試解釋前述不同Da冪次之結果。本研究結果對未來應用於高氫比例之合成氣諸如燃氣輪機、工業爐和其他燃燒器將有重要之助益。
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A356鋁合金為一可熱處理型鑄造鋁合金，因其具有良好之流動性、磨耗性與焊接性等優點，已被廣泛應用於航空與汽車工業，然而A356鋁合金中的鐵元素，易與鋁形成β-Al_5 FeSi針狀富鐵相，造成合金機械性質的傷害。 本研究藉由微結構觀察與機械性質試驗，探討不同含量的鐵與錳元素對A356鑄鋁合金(Al-7Si-0.3Mg)機械性質之影響。分別以光學顯微鏡(OM)、電子微探儀(EPMA)及掃描式電子顯微鏡(SEM)，觀察合金中的微結構變化與破裂斷面。 結果顯示合金中的共晶矽含量與形態，並未因鐵與錳的添加而有差異。而針狀β-Al_5 FeSi富鐵相隨鐵含量的增加而增多且粗大化，導致合金機械性質、尤其是延性的顯著損害。另外錳的添加，可使針狀β-Al_5 FeSi富鐵相轉變為多邊型α-Al15(Fe,Mn)3Si2富鐵相，可有效改善合金機械性質、提升延性。此外，合金中鐵含量愈高，所需添加之錳含量亦須提高，才能達到改善效果。