113 高普考高考二級 農業機械 高等農機設計學 考古題詳解

核心觀念

本題考的是「作業環境決定機具設計」。旱田與水田的土壤含水狀態、承載能力、土壤阻力及栽植後的穩定條件不同，因此插植機不能只更換行走輪，還須配合調整行走系統、開穴與植苗機構、覆土鎮壓裝置及機體配置。

水田插秧通常在整地、灌水與耙漿後作業，土壤呈泥濘狀，機具重點是降低下陷與泥濘行走阻力，並使秧苗穩定插入軟泥。旱田移植通常在較堅實、含水量較低的土壤作業，機具須能開穴或開溝、放入苗株，再覆土與鎮壓，使根系與土壤密接。

解題方法

以「田間條件 → 機具需求 → 設計構造」逐項比較，依序說明行走與支承、植苗方式、覆土定植、秧苗型式及機體調整。作答時要指出兩種機具共同目標是控制株距、行距、植深與苗株姿態，差異則來自土壤和栽培作業條件。

旱田與水田插植／移植機設計差異

設計項目	水田插秧機	旱田移植機
田間土壤與支承	在泥濘、含水量高的田面行走，須減少輪具下陷與滑轉。常採較大的接地面積、浮板或寬幅行走構件支承機體。	土壤通常較堅實，輪具須提供牽引力並適應地面起伏。依土質及畦面狀況配置輪胎、開溝器或其他行走支承構件。
行走與轉向	泥田阻力大，行走部須避免陷車、打滑與泥土附著；轉向及迴轉也須考慮田面承載能力。	地面阻力與承載條件較穩定，設計重點在牽引、直線行進及跨畦作業；若採覆膜栽培，還須使機具能配合畦面與膜面行走。
植苗機構	常使用秧苗毯與分插爪，依序取苗並插入泥土。分插爪須能在泥水環境中可靠取苗、插植，並控制每穴苗數、株距、插植深度及插植姿態。	苗株常為穴盤苗或帶土苗，須經取苗、導苗或供苗機構送至植苗位置。植苗機構通常與開穴、開溝作業配合，避免苗株及根團受損。
開穴與土壤整備	泥田已經整地或耙漿，插植部件可直接將秧苗插入軟泥，通常不以形成乾燥土壤植穴為主要任務。	土壤較硬，苗根團不易直接插入，常須先開穴或開溝；

核心觀念

本題考查電動農機的任務需求與電動動力系統如何匹配。農機電動化不能只把柴油引擎換成電動馬達；設計時須同時考量田間作業的負載型態、續航時間、牽引與農具驅動需求，以及補能條件。

電動農機的電池容量可先依作業所需能量估算：

$$E_{\mathrm{bat}} \geq \frac{P_{\mathrm{avg}}\,t}{\eta\,\mathrm{DoD}}$$

其中，$E_{\mathrm{bat}}$ 為電池額定能量，$P_{\mathrm{avg}}$ 為作業平均功率，$t$ 為連續作業時間，$\eta$ 為動力系統效率，$\mathrm{DoD}$ 為可使用的放電深度。實際設計還須保留安全餘裕，並核對峰值功率、電池重量與安裝空間。

解題方法

可從「作業需求、動力性能、補能與可靠性」切入，列出各項設計因子，再說明其對農機性能的影響。題目要求至少論述兩項；完整作答可選取下列因素說明。

關鍵因子說明

一、電池容量、續航與作業負載

農機常須長時間在田間連續作業，負載也會隨耕耘深度、土壤狀況、坡度及農具種類變動。設計者須先掌握各項作業的平均功率、峰值功率及作業時間，據此估算電池能量需求。

電池容量不足會縮短續航，增加中途返場充電或更換電池的次數，降低每日作業效率；但單純加大電池又會增加成本、重量與所需空間，也可能影響載重、離地間隙及土壤壓實。因此須依預定作業情境與負載循環選定電池容量，並兼顧電池能量密度與功率輸出能力。

二、馬達功率、扭矩與牽引能力

農機除了行駛，還要牽引機具、驅動動力輸出軸（PTO），並供應液壓系統等負載。馬達與逆變器須依牽引力、車速、PTO轉速及液壓需求設計，尤其要能承受起步、爬坡、深耕等作業的短時間高負載。

核心觀念

本題考兩個關係：馬力、扭矩與轉速的換算，以及輪胎與地面間的最大靜摩擦力如何限制驅動扭矩。題目給定

$$P=\frac{TN}{9545}$$

依此常用公制工程單位慣例，$P$ 為千瓦（kW）、$T$ 為牛頓公尺（N·m）、$N$ 為每分鐘轉數（rpm）。係數 $9545$ 是由功率與角速度的換算而來。

解題方法

車體重量均勻分布於四輪，因此每個前輪承受的垂直負荷為 $W/4$；兩個前輪合計承受 $W/2$。依靜摩擦力上限，前輪可提供的總驅動力為

$$F_{\max}=m\left(\frac{W}{2}\right)$$

前輪半徑為 $D/2$，因此兩個前輪合計所需的最大輪軸扭矩為

$$T_{\max}=F_{\max}\frac{D}{2} =\frac{mWD}{4}$$

將此扭矩代入題目公式，得到馬達估算功率：

$$P=\frac{T_{\max}N}{9545} =\frac{mWDN}{4\times9545}\ \text{kW}$$

核心觀念

本題考查電腦輔助工程工具在農機設計流程中的分工，以及如何正確解讀有限元素分析結果。CAD、CAE、CAM 分別處理產品的數位建模、工程分析與製造資料，彼此可串接，但用途不同。商用有限元素軟體能提高建模與分析效率；軟體輸出的數值仍須經過模型、材料、邊界條件及結果驗證，才能作為安全判斷依據。

（一）CAD、CAE 與 CAM 的意義與差異

1. CAD：電腦輔助設計

CAD（Computer-Aided Design）是利用電腦建立、修改、檢視與管理產品設計資料的工具。常見功能包括：

• 繪製二維工程圖及建立三維零件、組合件模型。
• 定義幾何尺寸、形狀、配合關係與公差。
• 輸出工程圖、零件表及供後續分析或製造使用的幾何資料。

例如設計農機傳動軸時，可用 CAD 建立軸、齒輪與軸承的三維模型，並標示尺寸及配合。

2. CAE：電腦輔助工程分析

CAE（Computer-Aided Engineering）是利用電腦模型與數值方法，分析產品的工程性能。常見分析包括：

• 結構分析：應力、變形、模態、疲勞與屈曲。
• 熱分析：溫度分布、熱傳與熱變形。
• 流體分析：流速、壓力及流場。
• 機構與動力分析：運動、受力及振動。

例如將 CAD 建立的農機機架模型匯入有限元素軟體，施加載重與固定條件，以評估應力及變形是否符合設計要求。

3. CAM：電腦輔助製造

CAM（Computer-Aided Manufacturing）是利用電腦規劃及控制產品的製造程序，將設計資料轉換為可供製造設備使用的資訊。常見工作包括：

• 規劃加工順序、刀具、切削條件與加工路徑。
• 產生 CNC 工具機可執行的加工程式。
• 支援製程模擬及製造資料管理。

例如將農機零件的 CAD 幾何模型輸入 CAM，設定刀具與加工條件後產生 CNC 加工路徑。

4. 三者差異與關係

工具	主要目的	主要產出	設計流程中的角色
CAD	建立產品幾何與設計資料	二維圖面、三維模型、尺寸資料	設計與建模
CAE	評估產品工程性能	應力、變形、溫度、流場等分析結果	分析與設計驗證
CAM	規劃及支援產品製造	加工路徑、CNC 程式、製程資料	製程規劃與製造

三者可形成「CAD 建模 → CAE 分析與修正 → CAM 製造」的整合流程。CAE 分析若發現零件強度不足，工程師可回到 CAD 修改幾何，再重新分析，確認後才交由 CAM 規劃加工。

（二）使用有限元素法模擬軟體的優點

有限元素法（Finite Element Method, FEM）將連續的分析領域切分成有限數量的元素，以節點及元素近似描述場變數，再組合成整體方程式求解。商用模擬軟體的主要優點如下：

1. 可處理複雜幾何與邊界條件 農機機架、齒輪箱或具孔洞、曲面與多種接合方式的零件，通常難以用解析解直接計算；FEM 可建立離散模型來求解。

2. 能分析多種物理問題 可用於結構、熱、流體、振動及多物理耦合分析，便於評估農機在不同工作狀態下的性能。