111 高普考高考二級 農業機械 農業機械學與農業動力學研究 考古題詳解

核心觀念

本題旨在測驗農業動力學（內燃機與農用車輛電氣系統）中「車載充電系統（Charging System）」的工程原理與系統演進，包含：

1. 電氣能量平衡與系統功能：內燃機運轉時，法拉第電磁感應定律（$\mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt}$）之能量轉換應用、車載電氣負載供應、蓄電池（鉛酸蓄電池）充放電管理及電壓調節。
2. 充電系統分類與結構演進：直流發電機（DC Generator / Dynamo）與交流發電機（AC Alternator）之結構差異（動樞式 vs. 動磁式）、整流機制（機械整流子 vs. 固態矽二極體）、調節器（振動式三聯調節器 vs. IC 電子調節器）及低速發電特徵。

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解題方法

1. 第 (一) 小題（功能）：從「動態能量轉換與電網平衡」切入，歸納為「承擔全車電能負載」、「回補蓄電池能量」及「穩定系統作業電壓」三大面向，展現車載電網架構的完整度。
2. 第 (二) 小題（分類與差異）：

• 明確指出農用車輛充電系統依發電機類型分為「直流充電系統」與「交流充電系統」。
• 採系統化工程構面進行深度對比：發電與運轉結構、整流機制、低速（怠速）發電性能、耐用度與維護性、調節器與逆流保護機構。

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申論剖析（評分關鍵指標）

本題為高考二級技術類科之申論題，評閱標準與拿分關鍵在於論述的嚴謹度與專業術語的精確度：

• 第 (一) 題評分要點（5 分）：若僅回答「對電瓶充電」，分數通常落在 2 分以下。必須明確點出「引擎發動後，發電機成為主要供電源」與「調節器對電壓波動作出穩定抑制」等機制。
• 第 (二) 題評分要點（10 分）：
• 分類必須精確指明為「直流發電機系統」與「交流發電機系統」。
• 說明差異時不可流於口語，應針對「電樞與磁場的相對運動（誰轉誰靜）」、「機械整流子碳刷火花 vs. 三相橋式二極體全波整流」等機電核心進行比較。

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解題技巧與常見陷阱

1. 名詞界定陷阱：部分考生會將充電系統誤答為外部充電樁的「定電流充電（Constant Current）」與「定電壓充電（Constant Voltage）」，此為蓄電池外接充電機之充電模式，非車輛本身裝載之動力充電系統（On-board Charging System），答錯方向將不予計分。
2. 農機工況連結：農用車輛（如曳引機、聯合收獲機）作業環境多灰塵、震動劇烈，且低速怠速運轉時間長。答題時若能提及「交流發電機在低轉速時即能輸出額定電壓，契合農機作業工況」，可獲閱卷委員高度評價。
3. 記憶口訣：

• 直流發電機：動樞旋轉輸出大、機械整流磨耗大、怠速發電能力差。
• 交流發電機：動磁旋轉激磁小、二極全波無火花、怠速充飽壽命長。

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【答案】

(一) 農用車輛之充電系統功能（5 分）

農用車輛（如曳引機、插秧機、收穫機等）之充電系統主要功能有三：

1. 供應車載電氣負載用電： 引擎啟動後，發電機成為全車主要電力來源，負責提供引擎點火系統（汽油機）、燃油電控噴射系統（柴油機 Common Rail）、照明儀表、車載空調、電磁閥動態控制及各類監控感測器運轉所需之全部直流電能。
2. 補足蓄電池電能（回充功能）： 將發電機運轉產生之多餘電能充入蓄電池，迅速回補起動馬達在引擎啟動時所消耗的大量電量，維持蓄電池隨時處於完全充電狀態，確保車輛下次能順利啟動。
3. 自動調節與穩定系統電壓：

核心觀念

本題旨在測驗農用曳引機（Agricultural Tractor）動力傳遞系統（Power Train）的末端機構——**最後驅動（Final Drive）**之工作原理與機械構造。

1. 動力學原理： 引擎輸出功率傳遞遵循公式： $P = T \times \omega$ （其中 $P$ 為傳遞功率，單位為 $\text{W}$；$T$ 為轉矩，單位為 $\text{N}\cdot\text{m}$；$\omega$ 為角速度，單位為 $\text{rad/s}$）。 在功率 $P$ 恆定（忽略摩擦損失）的情況下，轉矩 $T$ 與角速度 $\omega$（或轉速 $N$）成反比： $T \propto \frac{1}{N}$ 農用曳引機屬於重負荷、低車速、大牽引力的作業動力源，傳動系統必須具備極大的總減速比，方能輸出足以克服田間滾動阻力與農具土壤牽引阻力之大扭矩。

2. 機構配置哲學： 傳動軸徑及齒輪模數與其所承受之扭矩大小直接成正比。若將主要減速工作全部置於變速箱（Transmission）或差速器（Differential），前端傳動件必須承受極大扭矩，導致軸徑過粗、齒輪體積龐大與自重劇增。因此，在傳動系統的最末端（驅動輪轂處）設置「最後驅動」，兼具力學減載與機具幾何空間配置之目的。

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解題方法

本題為高普考典型之雙題型申論問答題，解題切入點如下：

1. 子題 (一) 目的分析（5 分）： 切入角度不可僅寫「減速」，應從力學轉換（降速增扭）、結構減重與應力分散（減輕前級傳動組件負荷）、機體幾何空間調配（提高底盤離地淨隙與輪距調節）三大面向條列闡述，展現結構系統觀念。

2. 子題 (二) 型式說明（10 分）： 依照農機機械構造之分類常規，歸納出最具代表性的最後驅動型式：

• 行星齒輪式（Planetary gear type）
• 圓柱直齒輪式／大齒輪與小齒輪式（Bull gear and pinion / External spur gear type）
• 內囓合齒輪式（Internal gear type）
• 滾子鏈條式（Roller chain and sprocket type） 針對每一種型式，均應包含構造組件、減速原理／結構特性及適用機型三個要點，層次方顯完整。

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選項分析

本題為高考二級之「申論問答題」，無選擇題選項。評分重點著重於專有名詞之精確度、論述完整性與分類邏輯。

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解題技巧

1. 避開單一功能陷阱：許多考生回答目的時僅寫出「減速與增加扭力」，最多僅能拿到 $2 \sim 3$ 分。務必補足「讓變速箱與差速器在較小扭矩下工作，以縮小體積與減輕重量」以及「提高底盤離地淨隙（Ground clearance）」這兩項關鍵得分點。
2. 答題結構化：型式說明採用「名稱 $\to$ 構造與作動原理 $\to$ 優缺點與適用場合」三段論，能展現架構分明的邏輯，便於閱卷委員按點給分。
3. 名詞標準化：使用標準農機工程專有名詞，例如「太陽齒輪」、「行星齒輪」、「內齒輪環」、「主齒輪（Bull gear）」與「離地淨隙（Ground clearance）」。

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【答案】

(一) 農用曳引機使用最後驅動（Final drive）之目的

最後驅動係安裝於差速器半軸與驅動輪轂（Wheel hub）之間，為動力傳動系統中最後一級減速機構，其主要目的如下：

1. 大幅降速並放大轉矩（Speed Reduction & Torque Amplification） 農田作業（如耕犁、深松）需要強大的牽引力，而行駛車速通常較低（約 $3 \sim 8\text{ km/h}$）。

核心觀念

本題測驗農業動力機械中「曳引機輪胎規格標示」之標準代號意義。現代農業曳引機常用輪胎之標示遵循國際標準化組織（ISO）與歐洲輪胎與輪圈技術組織（ETRTO）之「公制標示系統（Metric Tyre Designation）」。其規格由「尺寸標示」與「服務描述（Service Description）」兩大部分構成： $\underbrace{460}_{\text{胎面寬度}} / \underbrace{70}_{\text{扁平比}}\ \underbrace{R}_{\text{結構型式}}\ \underbrace{38}_{\text{輪圈直徑}}\quad \underbrace{135}_{\text{載重指數}}\ \underbrace{A8}_{\text{速度符號}}$

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解題方法

依據輪胎規範中各欄位之工程定義與量測基準，逐項解析其物理意義與對應單位：

(一) $460$

• 意義：輪胎之標稱斷面寬度（Nominal Section Width），亦即輪胎安裝於標準輪圈並充氣至規定壓力後，兩外側胎壁間的最大直線寬度（不包含保護肋條或標記突出處）。
• 單位：公釐（$\text{mm}$）。

(二) $70$

• 意義：輪胎之扁平比（Aspect Ratio，斷面高寬比）。表示輪胎斷面高度（$H$）與斷面寬度（$W$）之百分比： $\text{扁平比} = \frac{H}{W} \times 100 = 70$ 即斷面高度為斷面寬度的 $70\%$（此處 $H = 460 \times 0.70 = 322\ \text{mm}$）。數值越小代表胎壁越低，行駛接地面積更大、穩定性更佳。
• 單位：無單位（或以百分比 $\%$ 表示）。

(三) $R$

• 意義：輪胎之結構代號（Construction Code），代表此輪胎為輻射層輪胎（Radial-ply tire）。其胎體簾線排列方向與輪胎中心旋轉線呈 $90^\circ$ 夾角（經線方向），並藉由胎面鋼絲環帶層加強，具有接地壓力均勻、滾動阻力小、打滑率低及抗穿刺力強之優點（若為傳統斜交層輪胎，則以破折號「$-$」或「$D$」標示）。
• 單位：無單位（文字代號）。

(四) $38$

• 意義：適用之輪圈直徑（Nominal Rim Diameter），指該輪胎安裝匹配之金屬輪圈輪輞公稱安裝直徑。
• 單位：英寸（$\text{in}$ 或 $\text{inch}$，可換算為 $38 \times 25.4 = 965.2\ \text{mm}$）。

核心觀念

本題旨在評量曳引機（Tractor）與後掛農機具間最核心的介面——**三點連接裝置（Three-point hitch / Three-point linkage）**之系統功能與機構組成。

1. 基本定義與幾何特徵：三點連接裝置由 Harry Ferguson 於 1920 年代發明，並納入國際標準（ISO 730）。其機構本質為一組空間四連桿機構（Spatial four-bar linkage），包含曳引機後方上方一個連接點與下方左右兩個連接點。
2. 力學機制——動態重量轉移（Dynamic Weight Transfer）：農機具作業時受土壤阻力（Draft force），透過三點連接機構的幾何配置，可將農機具之自重及土壤切削反作用力以力矩形式部分轉移至曳引機後驅動輪上，增加後輪動態正向荷重（$\Delta W$），從而增大輪胎與地面的最大附著抓地力，降低滑搏率（Slip rate）並提升牽引效率。
3. 液壓控制與自由度約束：配合曳引機內建液壓動力系統（搖軸機構），可實現「位置控制（Position Control）」、「阻力控制（Draft Control）」與「浮動控制（Float）」；同時能自由調節機具之縱向俯仰角（Pitch）與橫向側傾角（Roll）。

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解題方法

本題為高考二級工程類科之專業申論題，作答策略如下：

1. 第 (一) 小題（功能）：切入點應涵蓋「力學傳遞（牽引與重量轉移）」、「運動與姿態控制（升降、避障與水平調整）」及「液壓反饋作業（耕深自動控制）」，條列陳述，切忌僅簡略回答「掛接農機具」或「拉動犁具」。
2. 第 (二) 小題（主要構件）：依標準機構學名詞精確舉出 5 項關鍵構件，並逐一交代各構件之「安裝位置」與「機構調整功能」（例如長度微調、承受拉壓或驅動關節），展現工程專業度。

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選項分析

本題為申論問答題，非選擇題。以下針對閱卷評分點進行深度要素剖析：

1. 子題 (一) 功能要素剖析：

• 機具懸掛與動力／牽引力傳遞：將半懸掛式或全懸掛式農機具剛性或半剛性連接於主機，形成一體化單元，大幅縮短整體迴轉半徑。
• 液壓升降與道路轉場機動性：利用機載液壓油壓缸推動提升臂，使農機具在田間地頭迴轉或長途道路運輸時迅速舉升離地。
• 耕深自動控制（Draft & Position Control）：利用上拉桿或下拉桿承受之受力反饋，結合液壓感應閥，當遇到堅硬土壤阻力遽增時自動抬升犁具，維持引擎負載穩定與定深作業。
• 驅動軸重量轉移（增強牽引力）：牽引反力經由傾斜拉桿產生下壓分力，提高後驅動輪抓地力，使輕型曳引機具備拉動重型農具之能力。
• 作業姿態空間微調：允許作業人員在駕駛座旁或車後微調機具之前後俯仰與左右水平，確保整地或耕作深淺均勻。

2. 子題 (二) 五大主要構件要素剖析：

• 上拉桿（Top Link）：位於中央頂部，長度多為螺紋可調式（Turnbuckle），控制機具縱向水平（前後俯仰角），並常作為阻力感應傳感端。
• 下拉桿（Lower Links / Draft Arms）：左右各一條，主體承受縱向牽引力，直接支撐機具下側掛接銷軸。
• 提升臂（Lift Arms / Rockshaft Arms）：由曳引機內部液壓缸與搖軸（Rockshaft）帶動旋轉，提供舉升動力。

核心觀念

本題聚焦於現代智慧農業之「無人飛行載具（UAV / Drone）植保噴藥機」的機電整合與農機設計原理，屬於《農業機械學》與《農業動力學》跨領域之指標題型。核心觀念涵蓋兩大面向：

1. 機型結構與空氣動力特性：涉及流體力學中的機翼升力產生機制、旋翼下洗氣流（Downwash）對作物冠層的吹開效應與霧滴沉降沉積率、機動靈活性、垂直起降（VTOL）能力與田區空間幾何適應性。
2. 動力源與能量轉換系統：涉及動力學之能量密度（Energy Density, $\text{Wh/kg}$）、功率質量比、動力響應時間（Response Time）、機械振動對飛控慣性測量單元（IMU）與噴灑穩定性的影響，以及田間連續作業之補給能量效率。
3. 法源依據：以命題當年（民國 111 年）之《民用航空法》遙控無人機專章及《農藥使用管理辦法》農藥代噴作業規定為準，載具分類與重量分級直接牽涉施藥作業之法規許可與安全考量。

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解題方法

本題採「矩陣對比分類法」切入，針對申論題之兩大子題建構清晰的工程分類邏輯，緊扣「農田噴藥作業環境」與「植保工程需求」（而非一般航拍機）：

1. 子題(一) 機型結構：以「氣動佈局與昇力產生機構」為切入點，劃分為：多旋翼機（Multi-rotor）、單旋翼無人直升機（Single-rotor Helicopter）、定翼機（Fixed-wing），並補述垂直起降定翼機（VTOL Hybrid）。評析重點置於起降場地要求、下洗氣流強弱對藥液穿透冠層的影響，以及畸零地作業之靈活性。
2. 子題(二) 動力型式：以「能量來源與動力驅動裝置」為切入點，劃分為：純電動力（Electric / Li-Po Battery）、內燃機燃油動力（Internal Combustion Engine, ICE）、油電混合動力（Hybrid Power）。評析重點置於能量密度（決定作業續航與載藥量）、轉矩與姿態響應速率（決定飛行穩定度）、機械振動、維護成本與田間補給便利性。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），無既定選項。以下針對題幹所命之兩大維度進行類別劃分、工程原理剖析與優缺點全面對照：

(一) 機型結構分類剖析

1. 多旋翼型（Multi-rotor UAV）

• 結構原理：由四軸、六軸、八軸等多組對稱佈置的無刷直流馬達與固定螺距螺旋槳構成，透過各軸差速控制達成俯仰、滾轉、偏航與升降。
• 優點：
• 具備垂直起降（VTOL）及原地精確懸停能力，不需跑道，極適合台灣破碎、畸零與梯田等小面積農塊。
• 機械結構極為精簡，無複雜的機械變距或傳動齒輪箱，故障率低且維護成本低廉。
• 各軸獨立控制，飛控系統姿態調整敏捷，易於結合 RTK 定位實現公分級自主導航噴灑。
• 缺點：
• 氣動效率較低，升力全由馬達高速旋轉維持，巡航功耗大，航時與航程相對最短。
• 下洗氣流強度中等，對於高密閉度或高大作物（如果樹）的底層冠層穿透力弱於大型單旋翼直升機。
• 巡航速度慢，大面積平原作業之單位時間作業面積偏低。

2. 單旋翼直升機型（Single-rotor Helicopter UAV）

• 結構原理：由單一大型主旋翼提供昇力與前進推力，搭配尾槳平衡反扭矩，藉由傾斜盤（Swashplate）進行週期變距與集體變距控制。
• 優點：
• 旋翼直徑大，氣動效率優於多旋翼，可產生強勁且集中的向下下洗氣流（Downwash），能顯著翻動葉片，大幅提升農藥霧滴在葉背與冠層內部的穿透率及沉積均勻度。
• 具備垂直起降與懸停能力，載重上限高，適合高負荷噴灑。
• 缺點：
• 機械結構繁複，包含精密變距連桿、齒輪傳動箱與軸承，機械磨損大、維護保養難度高、後勤成本高。
• 操縱控制耦合性強，單軸失效即造成災難性墜機，容錯率（冗餘性）極低。
• 機身振動較大，且旋翼旋轉動能大，田間近地作業之危險性高於多旋翼。

3. 定翼機型（Fixed-wing UAV）

• 結構原理：依靠機翼前進時與空氣相對運動產生動態氣壓差（伯努利原理）提供升力，推力由機頭或機尾螺旋槳提供。
• 優點：
• 空氣動力轉換效率最高，巡航速度快、作業航程遠、滯空時間長，在大面積集約農田（如大規模小麥、水稻平原）作業效率極高。
• 缺點：
• 無法懸停，起飛與降落需要平整跑道、彈射架或降落傘，難以適應地形起伏與狹窄障礙物多的農田環境。
• 缺少垂直向下的下洗氣流，藥液霧滴隨尾流沉降慢，極易受側風吹襲導致藥劑飄移（Drift），造成環境污染或藥害。
• 轉彎半徑大，不適合小田塊之重複折返作業。

4. 複合式垂直起降定翼機（VTOL Hybrid Fixed-wing UAV，衍生型）

• 結構原理：結合多旋翼垂直起降系統與固定翼巡航結構。
• 優點：兼具多旋翼無需跑道的優點與定翼機長航時、高覆蓋率的特性。
• 缺點：結構死重大（垂直起降機構於平飛時形成寄生阻力與多餘負載），載藥重量比低，控制演算法極其複雜。

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(二) 動力型式分類剖析

1. 純電動力（Electric Power，鋰電池系統）

• 動力原理：以高放電倍率之鋰聚合物電池（Li-Po）或三元鋰電池為能量來源，透過電子調速器（ESC）驅動無刷直流馬達（BLDC）。
• 優點：
• 動力響應極為迅速且線性，調速精度高，姿態控制穩定度極佳。
• 機體運行振動極小，有利於飛控慣性感測器（IMU）穩定與噴頭流量精準計量。
• 零廢氣排放、低噪音，結構零組件少，無化油器、火星塞等繁複耗損件，日常維護極簡易。
• 缺點：
• 能量密度偏低（約 $150 \sim 250\text{ Wh/kg}$），電池自重大，單次作業續航短（常態負載噴灑僅約 $10 \sim 20$ 分鐘）。
• 充電耗時長，田間連續作業須配備大量備用電池與高功率發電機，電池高倍率充放電壽命衰減快，折舊成本高。

2. 內燃機動力（Internal Combustion Engine, ICE / 燃油動力）

• 動力原理：採用二行程或四行程汽油引擎（少數為重油/柴油機或小型渦輪軸發動機），透過燃油燃燒釋放熱能轉化為機械軸功。
• 優點：
• 燃油能量密度極高（汽油約 $12,000\text{ Wh/kg}$，為鋰電池之數十倍），載重量大且連續作業續航力強。
• 田間能量補給極為迅速，添加燃油即可立即升空作業，不需長時間等待電池充電。
• 缺點：

核心觀念

水稻插秧機插植機構的任務是週期性地完成「自苗箱切取秧苗 $\to$ 運送秧苗下行 $\to$ 垂直插入泥土 $\to$ 推秧器推出苗土 $\to$ 爪尖空程退回」的連續閉合循環。評合插植機構良窳的關鍵在於爪尖運動軌跡（Coupler Curve / Rotary Trajectory）、取插苗姿態與運轉動力學平衡（慣性力與振動）。

1. 傳統曲柄連桿式（Crank-Linkage Type）：

• 屬於平面低副連桿機構（通常為四連桿機構及其衍生之偏置曲柄滑塊或曲柄搖桿機構）。
• 利用曲柄的等速旋轉帶動浮動連桿，連桿末端插植爪形成特有的封閉淚滴形軌跡。
• 動力學極限受限於往復加速質量的慣性力 $F_i = -m \frac{d^2 x}{dt^2}$，高速運轉時產生劇烈交變慣性震動。

2. 高速迴轉式（High-Speed Rotary Type）：

• 屬於平面高副行星齒輪系機構（通常為固定太陽齒輪＋偏心／橢圓等非圓形齒輪＋行星齒輪箱構成）。
• 插植臂固定於行星軸上，隨著迴轉箱公轉的同時，藉由非圓形齒輪進行非等速自轉，合成出細長淚滴形封閉軌跡。
• 構件全部作連續迴轉運動，能透過配重塊達成完美的迴轉動力平衡（Rotodynamic Balance），無往復停滯衝擊。

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解題方法

本題為高考二級配分 20 分之圖文比較題，切入點應涵蓋「機構運動學（Kinematics）」與「機械動力學（Dynamics）」，解題架構包含：

1. 機構運動學組成與傳動配置：解析驅動軸、齒輪/連桿之相對運動幾何關係。
2. 手繪機構簡圖與爪尖軌跡：繪出考卷評分核心（機構連桿圖／行星齒輪剖面，以及對應之封閉運動軌跡圖）。
3. 運轉原理與各階段動作：依序說明「取苗段」、「插植段」與「回程段」之姿態與推秧配合。
4. 動力特性與作業性能比較：從平衡震動、最高轉速（插植頻率）、結構壽命與適用機種進行條列對比。

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詳細解說與繪圖

(一) 高速迴轉式插植機構（10 分）

1. 機構組成與運轉原理

高速迴轉式機構主要由驅動迴轉箱（公轉架）、固定太陽齒輪（中心齒輪）、中間惰輪與非圓形（偏心或橢圓）行星齒輪所組成。

• 運動合成：中央驅動軸帶動迴轉箱以角速度 $\omega_0$ 等速公轉；中心固定齒輪強迫中間齒輪與行星齒輪產生自轉。
• 非等速自轉特性：傳動鏈中導入一對偏心齒輪或非圓形齒輪，使行星軸（插植臂軸）相對於公轉架進行週期性非等速旋轉。
• 雙爪配置：典型迴轉箱兩端對稱配置兩組插植臂，主軸每迴轉一週（$360^\circ$）可完成兩次插植動作，在相同迴轉速度下作業頻率加倍。

2. 機構與爪尖運動軌跡簡圖

【高速迴轉式機構簡圖】 【爪尖封閉運動軌跡】
 固定太陽齒輪 (中心固定) 頂部 (回程拐點)
 │ ╭─╮
 ┌─────────┴─────────┐ │ │
 │ 迴轉箱 │ │ │
 ▼ (以 ω 公轉) ▼ │ │ (順時針運行)
 [偏心中間輪] [偏心中間輪] │ │
 │ │ │ │
 [偏心行星輪] [偏心行星輪] 取苗點● │
 │ │ │ │
 插植臂 1 插植臂 2 │ │
 │ │ \ /
 爪尖 爪尖 │ │
 │ │ 插植入土段
 ╰─╯ (接近垂直入土，
 ▲ 於底部推秧)
 └─ 最低點 (釋放秧苗)

3. 運轉動作分析

• 取苗階段：公轉與非等速自轉合成，使插植爪在到達秧苗箱表面時，其線速度與苗箱成大角度下切，快速且精準截取根土苗塊。
• 插植階段：爪尖到達最低點前後，軌跡呈現近似垂直之微小曲線，爪尖相對於前進機體的速度在前後方向接近於零（減少穴孔變形）；推秧器（Pusher）藉由凸輪推桿機構在最低死點瞬間突伸，將秧苗直立推入土中。
• 回程階段：非等速迴轉機構加快插植爪脫離土壤的角位移速度，減少爪尖後方擾動泥土與勾苗（倒苗）的機率。

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(二) 傳統曲柄連桿式插植機構（10 分）

1. 機構組成與運轉原理

傳統曲柄連桿式機構多採用平面四連桿機構（如曲柄－搖桿機構或曲柄－滑塊衍生機構）。

• 運動轉換：由動力源等速驅動主曲柄轉動，曲柄銷帶動浮動連桿（插植臂本體），連桿另一端則受導引搖桿或滑槽導軌約束。