107 高普考高考三級 汽車工程 汽車設計 考古題詳解

核心觀念

本題考核汽車動力與傳動機構設計中，尺寸公差與配合制度（依循 CNS 5108 / ISO 286 極限與配合標準）之理論基礎與實務工程應用。

1. 公差（Tolerance, $T$）： 單一零件在加工製造時所允許的尺寸變動量。 $T = |D_{\max} - D_{\min}| = |ES - EI| \quad \text{或} \quad |es - ei|$ 其中 $D_{\max}, D_{\min}$ 分別為最大與最小極限尺寸；$ES, EI$ 為孔之上、下偏差；$es, ei$ 為軸之上、下偏差。公差的核心機能在於確保量產零件的互換性（Interchangeability），並在機構功能需求與**製造成本（Machining Cost）**之間取得最佳平衡。

2. 配合（Fit / Fitting）： 具有相同公稱尺寸（Basic size）之孔與軸相互組合時，其公差帶（Tolerance zone）相對位置所形成的鬆緊關係。配合之功能在於賦予機構特定之運動自由度或剛性傳動能力。 配合依工程需求分為三類：

• 間隙配合（Clearance fit）：孔徑恆大於軸徑（最小間隙 $> 0$），提供相對滑動、轉動或容納潤滑油膜。
• 過渡配合（Transition fit）：孔與軸之公差帶重疊，可能產生間隙或干涉，提供精密定位且兼顧拆裝便利性。
• 干涉配合（Interference fit，緊配合）：孔徑恆小於軸徑（最小干涉 $> 0$），利用材料彈性變形之接觸面壓力傳遞扭矩或防止相對位移。

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解題方法

本題採取「規範定義 $\rightarrow$ 功能拆解 $\rightarrow$ 汽車工程實例與 CNS/ISO 尺寸標註 $\rightarrow$ 運轉工況機理申述」四階段論述：

1. 區分單件與組合：公差是「單一零件」的加工界限；配合是「兩相配零件」的裝配狀態，不可混為一談。
2. 選取代表性汽車機構：針對間隙配合、過渡配合、干涉配合，分別挑選引擎曲軸滑動軸承、變速箱定位銷、汽缸蓋氣門座圈等經典汽車總成零組件，論述具體工況（如熱膨脹、油膜壓力、衝擊負載）。
3. 尺寸標註合規化：尺寸標註須完整包含「公稱尺寸」、「孔與軸之公差代號（依基準孔制）」以及「數值極限偏差（以 $\text{mm}$ 為單位）」，符合工程圖學要求。

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選項分析

本題為高考三級專業科目之申論題，無選擇題選項。閱卷評分重點著重於：公差與配合之功能界定是否清晰、尺寸標註是否符合工程標準、所舉汽車零組件實例是否具備設計實務合理性。

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解題技巧

1. 貫徹基準制原則：汽車工程設計絕大多數採用「基準孔制（Hole-basis system）」（基準孔代號為 $\text{H}$，下偏差 $EI = 0$），以減少專用絞刀、塞規等孔加工檢驗刀具之採購成本。
2. 三類配合各舉一例：答題時若僅舉出一種配合，會被大幅扣分。務必平均分配於「間隙、過渡、干涉」三種不同工作特性的零件。
3. 融入汽車運行物理場：申述時務必帶入汽車運轉關鍵物理參數——如流體動力潤滑（Hydrodynamic lubrication）的油膜間隙、引擎工作溫度（熱膨脹差）以及震動防鬆，此為區分純機械製造與汽車設計專業的關鍵得分點。

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【答案】

一、公差（Tolerance）與配合度（Fitting）之功能

1. 公差之功能：

• 實現大量生產與零件互換性：汽車為數以萬計零組件組成之量產品，設定公差可使零件在不同加工設備或協力廠生產後，無須經由人工二次修配即可直接組裝。
• 優化生產經濟效益：加工精度與製造成本呈指數反比。公差設計可在滿足機構預期功能的前提下，放寬非關鍵尺寸之精度要求，降低加工報廢率與製程成本。
• 控制機能散佈範圍：將燃燒室容積、懸吊幾何定位角度等系統特性的變異量，嚴格限制在性能規範（如排氣法規、操控穩定性）容許區間內。

2. 配合度之功能：

• 建立預定之相對運動形態：控制滑動或轉動構件（如活塞銷、曲軸頸）之間的油膜厚度，防止磨損、刮傷或高溫咬死（Seizure）。
• 保證精密導向與靜態定位：使各箱體、外殼與軸心線維持高精度之同軸度與垂直度，避免傳動齒輪偏磨與震動。
• 傳遞結構負載與扭矩：藉由干涉量產生之摩擦力，鎖固高負荷組件，免除鍵（Key）、銷（Pin）或螺栓等額外緊固件，達成輕量化並避免應力集中。

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二、實例列舉、尺寸標註與申述

汽車設計通常採用「基準孔制」（孔之公差等級以 $\text{H}$ 表示）。以下針對配合之三種型態，分別列舉汽車代表性組件之標註尺寸與工程申述：

核心觀念

本題評量汽車工程中「車體結構設計（Automotive Body Structures）」之分類體系、力學承載機制、空間佈局特點及工程實務應用。車體結構的設計目標在於滿足結構剛性（彎曲剛性 $K_b$、扭轉剛性 $K_t = \frac{T}{\theta}$）、碰撞安全性（衝擊能量吸收與乘員艙防護）、輕量化（Lightweighting）以及 NVH（噪音、振動與舒適性）控制。主要考核以下觀念：

1. 載重傳遞路徑與受力機制：外力由懸吊與地面傳入時，係由獨立車架承載，抑或由車身蒙皮／板件共同承載。
2. 結構整合度：從完全分離（Body-on-Frame）到全面整合（Monocoque），再到輕量化網狀桁架（Space Frame）的演進。
3. 製造工藝與材料適配性：沖壓焊接、大型鑄造、金屬管件組焊或擠型鋁合金接合。

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解題方法

本題屬標準的「申論與工程簡圖題」，答題時應緊扣題目要求的四項要素：結構特點申述、工程示意圖、中英文名稱、適用車種。

1. 分類維度選定：選取當前汽車工程最經典且最具代表性的三種結構——「非承載式／分離式車體」、「承載式／單體式車體」及「空間桁架式車體」。
2. 階層化作答架構：每種結構依「中英文名稱 $\to$ 結構原理與受力特性 $\to$ 結構示意簡圖 $\to$ 適用車種」之統一規格展開，文字精確具備工程專有名詞，簡圖標示清楚的受力構件與層次。
3. 橫向彙整：文末以綜合對比表彙整三者在剛性、重量、製造成本及維修性之差異，強化作答完整度。

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選項分析

本題為申論問答題，無選擇題選項。考生應以結構化的小標題與工程圖表依序作答，避免散文式鋪陳。

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解題技巧

1. 名詞精準度：英文專有名詞必須完全拼對，例如 Monocoque（單體式）不可拼錯；Body-on-Frame（大樑式／非承載式）常簡稱 BOF；Space Frame 不可與單純的 Roll Cage（防滾籠）混淆。
2. 考場快速作圖要領：

• 非承載式：務必畫出上下分層，清楚點出「底盤大樑（梯形車架）」與「橡膠避震襯墊（Rubber Mounts）」。
• 承載式：強調「籠型車體（Safety Cage）」與前後「潰縮區（Crumple Zones）」，標出地板、支柱（A/B/C-Pillar）一體成型特徵。
• 空間桁架式：強調以多個「三角形（Triangle Mesh）」幾何形狀組合而成的骨架結構。

3. 避開常見陷阱：切勿將「底盤（Chassis）」與「車身（Body）」名詞混為一談；在說明適用車種時，SUV 必須精確區分「都會型 SUV（承載式）」與「純種越野 SUV（非承載式）」。

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【答案】

一、非承載式車體／分離式車身（Body-on-Frame / Separate Frame Construction）

1. 結構申述

• 結構特點：車身（Body）與底盤車架（Chassis Frame）為兩個獨立的總成。車架通常由高強度箱形鋼梁或槽鋼焊接成梯形（Ladder Frame）或周邊形結構，引擎、變速箱、懸吊系統與車軸皆直接安裝於車架上。
• 受力機制：路面震動、彎矩、扭轉應力以及牽引負載幾乎全由底盤大樑承受。車體僅負責承載乘員與貨物，透過數個橡膠減震襯墊（Rubber Body Mounts）以螺栓固定於大樑上方，車身本體不直接承受懸吊傳遞的主要動態載重。
• 優缺點：抗扭與抗彎強度高、越野與載重能力極佳、車室與底盤震動隔離佳；但車身重心偏高、整體自重極重、內部空間利用率較低。

2. 結構圖示

 ┌────────────────────────┐
 │ 車身本體 │ (乘客/貨物載重)
 └───────┬────────┬───────┘
 ○ ○ (橡膠減震襯墊 Rubber Mounts)
 ═══╤═══════════╧════════╧═══════════╤═══ (縱向主大樑 Longitudinal Rails)
 │───橫向大樑(Crossmembers)───│
 ───┴───────────────────────────────┴───
 ○ (前軸/懸吊) ○ (後軸/懸吊)

3. 適用車種

• 重型卡車（Heavy-Duty Trucks）、大客車／公車（Buses）。
• 皮卡貨車（Pick-up Trucks，如 Ford F-150、Toyota Hilux）。

核心觀念

汽車傳動系統（Driveline / Powertrain System）的核心任務，是將引擎（或驅動馬達）輸出的動力，依行駛工況的動態阻力需求，以適當的轉矩與轉速傳遞至驅動輪。

評估傳動系統機構對汽車性能之影響，關鍵在於掌握車輛驅動力與運動學方程式：

1. 驅動力方程式： $F_t = \frac{T_e \cdot i_g \cdot i_0 \cdot \eta_T}{r_r}$ 其中：$F_t$ 為驅動力、$T_e$ 為引擎輸出扭矩、$i_g$ 為變速箱傳動比、$i_0$ 為主減速比、$\eta_T$ 為傳動系統機械效率、$r_r$ 為驅動輪滾動半徑。

2. 車速方程式： $v = \frac{0.377 \cdot n_e \cdot r_r}{i_g \cdot i_0} \quad (\text{km/h})$ 其中：$n_e$ 為引擎轉速（$\text{rpm}$）。

3. 行駛阻力平衡方程式： $F_t \ge \sum F = F_f + F_w + F_i + F_j = G f \cos\alpha + \frac{C_D A v^2}{21.15} + G \sin\alpha + \delta m \frac{dv}{dt}$ 其中：$F_f$ 為滾動阻力、$F_w$ 為空氣阻力、$F_i$ 為坡度阻力、$F_j$ 為加速阻力、$\delta$ 為旋轉質量換算係數。

傳動系統各機構的作用，直接決定了整車之動力性（加速、爬坡、極速）、燃油經濟性（引擎工作點分布）、行駛平順性與 NVH（衝擊、扭轉振動、噪音）、操縱穩定性（轉向幾何、差速牽引力）與通過性（極端路面防滑能力）。

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解題方法

本題為汽車設計之經典系統級申論題。答題切入點應沿著動力傳遞路徑（Power Flow），由前至後依序解析六大核心機構：

1. 離合器／液力變矩器（Clutch / Torque Converter）
2. 變速箱（Transmission / Gearbox）
3. 萬向傳動裝置（Universal Joint & Drive Shaft）
4. 主減速器（Final Drive）
5. 差速器（Differential）
6. 半軸與輪端組件（Drive Axles / Half-shafts）

針對每一機構，依循「基本機構作用 $\rightarrow$ 影響之性能維度 $\rightarrow$ 物理機理與設計權衡（Trade-off）」之脈絡申述，並配合驅動力公式輔助論證。

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選項分析

本題為國家考試專業科目之申論題（非選擇題），無選項。評分重點在於能否完整列舉傳動機構，並精準鏈結車輛性能指標。

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解題技巧

1. 模組化作答架構：申論題切忌一段到底。每項機構均應獨立成段，標明「機構名稱」、「主要功用」與「對性能之具體影響」。
2. 公式佐證：論述變速箱與主減速器時，直接寫出 $F_t$ 與 $v$ 公式，能清楚交代傳動比（$i_g, i_0$）如何牽動動力性與經濟性，提升專業度。
3. 避免遺漏輔助指標：多數考生僅著重於「動力性」與「經濟性」，若能額外補充「NVH 平順性」（如萬向接頭不等速效應）及「操縱穩定性與通過性」（如差速器與扭力轉向），即為奪得高分的關鍵。

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【答案】

汽車傳動系統主要由離合器（或液力變矩器）、變速箱、萬向傳動裝置、主減速器、差速器及半軸等機構組成，各機構之作用及其對汽車性能之影響分述如下：

一、 離合器（Clutch）／液力變矩器（Torque Converter）

1. 機構作用：

• 負責引擎與傳動系統間動力的平順接合與迅速分離。
• 在換檔過程中切斷動力傳遞，以減輕齒輪嚙合衝擊。
• 當傳動系統承受過大慣性載荷時產生滑差，發揮超載保護作用。

2. 對汽車性能的影響：

• 起步與換檔平順性：離合器接合時的滑差摩擦特性（或變矩器油液耦合）決定車輛起步時的抖動程度；良好的阻尼減震彈簧可吸收引擎曲軸之扭轉振動，改善 NVH 性能。
• 動力傳遞效率與燃油經濟性：傳統乾式離合器接合後無滑差損失，傳動效率高（$\eta_T \approx 98\%$）；自排車之液力變矩器在低速未鎖定時存在流體循環滑差損耗，會降低燃油經濟性，故現代自排多配置鎖定離合器（Lock-up Clutch）以提升巡航油耗表現。

核心觀念

本題考查內燃機曲軸與連桿機構中「滑動軸承」（Plain Bearing Shell，台灣汽車修護與工程實務通稱「波司」或「軸承片」）之機械構造特徵、多層材料複合設計，以及流體動力潤滑下的「油膜阻尼減振原理」。

核心涉及之物理與機械設計原理包括：

1. 結構與安裝幾何特性：半圓薄壁襯套結構、定位唇（Tang/Lug）、擴張量（Spread）及凸起壓緊量（Crush Height）。
2. 多層三金屬（Tri-metal）材料力學特性：高剛性鋼背、高承載中間層（銅鉛／鋁錫合金）與高順應性／嵌入性表層（巴氏合金／鉛錫覆層）。
3. 雷諾流體動壓潤滑與擠壓油膜阻尼（Hydrodynamic Lubrication & Squeeze Film Damping）： 根據二維薄膜雷諾方程式（Reynolds Equation）： $\frac{\partial}{\partial x} \left( \frac{h^3}{\mu} \frac{\partial p}{\partial x} \right) + \frac{\partial}{\partial z} \left( \frac{h^3}{\mu} \frac{\partial p}{\partial z} \right) = 6 U \frac{\partial h}{\partial x} + 12 \frac{\partial h}{\partial t}$ 其中等號右側第一項為「動壓油楔效應（楔形間隙隨速度旋轉生壓）」，第二項 $12 \frac{\partial h}{\partial t}$ 即為「擠壓油膜效應（Squeeze Film Effect）」，是吸收週期性燃燒衝擊、提供流體黏滯阻尼以抑制引擎與曲軸共振的核心機制。

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解題方法

解答本題採用「構造特徵剖析 $\rightarrow$ 物理減振機制推導 $\rightarrow$ 實體圖示整合」的邏輯架構：

1. 圖示切入： 繪製「波司半圓結構與斷面層次圖」及「曲軸軸頸油膜動壓與擠壓阻尼減振圖」，以幾何標記明確指出關鍵部位。
2. 特徵歸納： 從「幾何定位特徵」、「多層減摩材料層次」與「裝配過盈（Crush）特性」三大層面系統化闡述。
3. 減振功能分析： 深入分析引擎振動源（活塞燃燒往復爆發衝擊力、曲軸扭轉與彎曲振動），分別說明「動壓油膜的黏滯阻尼衰減衝擊」、「凸起壓緊量防止微動共振」及「軟質表層塑性順應消除應力集中」之具體減振途徑。

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選項分析（申論題答題關鍵要點解析）

本題為高考三級之「申論作圖說明題」。評分重點與得分關鍵之結構拆解如下：

1. 圖示完整度（佔分約 35%）：

• 必須畫出半圓形剖分結構、定位唇、油孔、油槽及多層材料剖面。
• 必須畫出軸頸旋轉時形成的偏心油膜間隙、動壓分佈及擠壓阻尼反力向量。缺少流體動態受力圖者難以取得高分。

2. 構造特徵掌握度（佔分約 30%）：

• 應完整提及「凸起量（Crush）」的功用（提供適度預應力使波司緊貼軸承座，確保傳熱與剛性）。
• 應正確列舉「鋼背＋襯裡＋覆層」三層金屬結構及其特性（順應性 Conformability、嵌入性 Embeddability、抗咬死性 Anti-seizure）。

3. 防止振動功能論述（佔分約 35%）：

• 核心在於說明液壓油膜為「黏彈性阻尼介質」，能吸收燃燒高頻衝擊力，非單純固體支撐。
• 說明適當油隙（Oil clearance）可維持運轉中心穩定，抑制軸心漂移與油膜自激震盪（Oil whirl）。

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解題技巧

1. 答題口訣：「三層複合剛柔濟，凸起定位緊密貼；動壓油楔成支撐，擠壓阻尼化衝擊」。
2. 考場快速作圖要訣：

• 先畫一個等角投影的半圓薄殼，在端面切出剖面線以標記三層材料；
• 旁邊緊接著繪製軸頸與軸承座之斷面，用箭頭標註油膜進油口、偏心收斂間隙及爆炸力 $F$ 與油膜阻尼力 $F_d$ 之反向作用。

3. 常見致命陷阱：

• 誤將波司當成「滾珠／滾柱等滾動軸承」論述，直接痛失全部配分。
• 只寫「潤滑防磨損」，忽略題目核心在於「防止汽車振動」的動態吸震與阻尼機制。
• 漏提「凸起壓緊量（Crush Height）」，此為汽車設計學中固定滑動軸承與防止結構微動振動（Fretting）的最關鍵參數。

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【答案】

一、引擎波司軸承之構造與特徵（附圖示）

引擎波司（Engine Bushing / Plain Bearing Shell）為用於曲軸主軸頸（Main Bearing）與連桿大端（Rod Bearing）的剖分式薄壁滑動軸承，其結構特徵與斷面組成如下圖一所示：