110 高普考高考三級 航空器維修 航空器液壓系統 考古題詳解

核心觀念

本題考查液壓系統的基本構成，以及如何將各元件組成回路，控制致動器的位置或速度。液壓系統以液體傳遞能量：液壓泵供應流量，系統壓力則由負載與回路阻力共同形成。方向控制閥決定致動器的運動方向，流量控制閥調整速度，壓力控制閥限制或調節系統壓力。

基本關係式如下：

$$Q=Av,\qquad F=PA$$

其中 $Q$ 為流量、$A$ 為活塞有效面積、$v$ 為活塞速度、$F$ 為致動力、$P$ 為壓力。由此可知，在有效面積固定時，調整流量即可調整速度；改變方向控制閥的通路則可使致動器伸出、縮回或停止。

解題方法

先依功能整理液壓系統的基本元件，再以「油箱—泵—控制閥—致動器—回油箱」的能量與油液流動路徑組成回路。接著分別說明方向控制如何控制位置，以及流量控制如何控制速度，並補上安全所需的壓力控制與過濾元件。

（一）液壓系統的基本元件

1. 油液與油箱：工作油液負責傳遞能量、潤滑及帶走熱量；油箱儲存油液，並協助散熱、沉降氣泡與污染物。
2. 液壓泵與原動機：原動機（如電動機或引擎）帶動液壓泵，將機械能轉為液壓能。泵提供流量，系統工作壓力則依負載建立。
3. 控制閥：

• 方向控制閥：控制油液流向，決定致動器伸出、縮回或停止。
• 流量控制閥：調整流量，控制致動器速度。
• 壓力控制閥：例如溢流閥，用以限制最高壓力並保護系統；依需要也可使用減壓閥或順序閥。

4. 致動器：液壓缸將液壓能轉為直線運動，液壓馬達則轉為旋轉運動；其輸出位置、速度與力量受回路控制。
5. 管路與接頭：連接各元件並輸送油液，須能承受系統壓力及流量。
6. 過濾器與必要的輔助元件：過濾器去除污染物，降低元件磨耗與閥件卡滯的風險；視系統需求配置冷卻器、壓力表、蓄壓器及液位或溫度指示器等。

其中，油箱、泵、控制閥、致動器與管路構成基本工作回路；溢流閥及過濾器則是常見的重要保護與維護元件。

（二）位置或速度控制液壓回路

1. 基本回路配置

以雙作用液壓缸為例，可將元件依下列路徑連接：

核心觀念

本題考查流體力學中的白努力原理：在穩定流動、不可壓縮且無黏性的流體中，沿著同一條流線，流體的壓力能、動能與位能總和保持不變。流速提高時，靜壓通常降低；流速降低時，靜壓通常提高。

解題方法

以單位體積流體的能量守恆表示白努力原理：

$$p+\frac{1}{2}\rho v^2+\rho gh=\text{常數}$$

其中，$p$ 為靜壓、$\rho$ 為流體密度、$v$ 為流速、$g$ 為重力加速度，$h$ 為相對基準面的高度。三項依序代表壓力能、動能與位能。若比較流線上兩點，則可寫成：

$$p_1+\frac{1}{2}\rho v_1^2+\rho gh_1 = p_2+\frac{1}{2}\rho v_2^2+\rho gh_2$$

若兩點高度相同，位能項相消，成為：

$$p_1+\frac{1}{2}\rho v_1^2 = p_2+\frac{1}{2}\rho v_2^2$$

核心觀念

本題考查液壓缸的基本構造，以及利用受壓面積、帕斯卡原理與流量連續關係，設計液壓缸所需的壓力與流量。

液壓缸將液壓油的壓力能轉換為活塞與活塞桿的直線機械運動。計算時須區分活塞兩側的有效受壓面積：無活塞桿側為全活塞面積；有活塞桿側則須扣除活塞桿截面積。

（一）液壓缸的基本構造

液壓缸主要由缸筒、活塞、活塞桿、缸蓋與端蓋、密封件及油口組成。活塞在缸筒內滑動，活塞桿將活塞的直線運動傳至外部負載；密封件防止液壓油由活塞周圍或活塞桿出口處洩漏。雙作用液壓缸的兩端各有一個油口，分別供油及回油，使活塞能向兩個方向作動。

 無桿側油口 有桿側油口
 ↓ ↓
 ┌───────┬────────────────────────────────┬───────┐
 │ 端蓋 │ │ 缸蓋 │
 │ │ 液壓油 液壓油 │ 活塞桿│────→
 │ │ ┌─────────┐ │密封件 │
 │ │ │ 活塞 │════════════════════╪═══════│
 │ │ └─────────┘ 活塞密封件 │ │
 └───────┴────────────────────────────────┴───────┘
 ←────── 缸筒 ──────→

圖中活塞將缸內分為無桿側與有桿側兩個油腔。無桿側有效面積較大；有桿側因活塞桿占去部分面積，有效面積較小。

（二）推力、壓力與流量設計

令缸筒內徑為 $D$、活塞桿直徑為 $d$，活塞速度為 $V$，推力為 $F$。以下以理想狀況計算，忽略摩擦、內洩漏、背壓及壓力損失；壓力 $p$ 指作用於推力方向之工作腔壓力。

1. 決定有效受壓面積

無桿側的活塞全面積為

$$A_1=\frac{\pi D^2}{4}$$

有桿側的環形有效面積為

$$A_2=\frac{\pi}{4}(D^2-d^2)$$

因此，油缸伸出與縮回的推力、流量設計不同。

2. 油缸伸出

伸出時，壓力油進入無桿側，有效面積為 $A_1$。由 $F=pA$ 得所需壓力：

$$p_{\text{伸}}=\frac{F}{A_1} =\frac{4F}{\pi D^2}$$

核心觀念

本題的「煞車系種類」有兩種常見分類：一是煞車組件的構造型式，二是煞車作動系統的液壓供壓方式。作答時先列出兩種分類，再用簡圖表示各型式的主要構造或液壓流向，可避免只談摩擦煞車本體、漏掉液壓回路。

飛機煞車的基本原理，是讓煞車片或定子與隨機輪轉動的轉子接觸，產生摩擦力矩，將飛機動能轉為熱能。液壓作動時，液壓壓力作用在活塞上，其理想輸出力為：

$$F=pA$$

其中 $p$ 為液壓壓力，$A$ 為活塞有效面積。

解題方法

依照「煞車組件構造」與「液壓作動回路」分開整理：

1. 構造型式著重轉子、定子、煞車片、活塞及膨脹管的相對配置。
2. 作動系統著重煞車踏板輸入如何形成煞車壓力，以及液壓源、控制閥、回油路徑如何配置。
3. 圖中以箭頭標出液壓流向，以「轉」和「定」標示轉子與定子，並註明制動時的接觸或壓緊方式。

（一）飛機煞車系的種類

甲、煞車組件的構造型式

常見型式如下：

1. 單片碟式煞車（single-disc brake）：單一轉子隨輪轉動，兩側煞車片由卡鉗活塞夾緊轉子。
2. 雙片碟式煞車（dual-disc brake）：兩片轉子隨輪轉動，以增加摩擦面積及煞車能力。
3. 多片碟式煞車（multiple-disc brake）：多片轉子與定子交錯排列，活塞壓緊整組摩擦片。
4. 分段轉子式煞車（segmented-rotor brake）：採多組分段轉子與定子摩擦片，原理近似多片碟式，常用於較重型飛機。
5. 膨脹管式煞車（expander-tube brake）：液壓使環狀膨脹管膨脹，推動煞車塊壓向輪內鼓面。

乙、煞車液壓作動系統

依液壓動力來源及控制方式，可分為：

1. 獨立主缸式（independent master-cylinder system）：踏板直接推動主缸，由主缸建立煞車液壓；煞車回路獨立於飛機主液壓系統。
2. 增壓式（power-boost system）：以踏板操作增壓主缸或增壓機構，利用飛機主液壓系統的壓力補助煞車力。
3. 動力煞車控制閥式（power-brake control-valve system）：以飛機主液壓系統供壓，踏板操作計量閥，調節送往煞車器的液壓。

大型飛機通常使用多片碟式或分段轉子式煞車，並搭配增壓式或動力煞車控制閥式作動系統；小型飛機常見單片或雙片碟式煞車及獨立主缸式系統。

（二）各種煞車系的液壓回路或結構圖

甲、煞車組件構造簡圖

1. 單片碟式煞車

 活塞推力 →
 ┌──────────┬──────────┐
 │ 煞車片（定）│ 煞車片（定）│
 │ │ │
 └──────┬───┴───┬──────┘
 │ 轉子（轉）│
 └────┬─────┘
 │
 機輪

液壓進入卡鉗，推動活塞，使兩側煞車片夾緊與機輪連動的轉子。

2. 雙片碟式煞車