108 高普考高考三級 汽車工程 汽車設計 考古題詳解

108 年・高普考・高考三級・汽車工程
試題代碼 汽車設計

第 一 題25 分

利用四氣體分析儀檢測一部 1600 c.c.1600\ \mathrm{c.c.} 四行程汽油引擎的使用中汽車。該車已經使用 15 年，行駛里程為 20 萬公里。

針對該車輛，甲檢驗員之怠速排污檢測結果為：

CO=0.02%CO=0.02\%，HC=3 ppmHC=3\ \mathrm{ppm}，CO2=4.2%CO_2=4.2\%，O2=10.5%O_2=10.5\%。

乙檢驗員重新檢測卻得到不同的結果：

HC=232 ppmHC=232\ \mathrm{ppm}，CO=0.32%CO=0.32\%，CO2=13.2%CO_2=13.2\%，O2=1.2%O_2=1.2\%。

請分析這兩種檢測數據的合理性，並探討導致不合理檢測結果的可能原因為何？

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核心觀念

四氣體分析儀主要測量排氣中的 COCO、HCHC、CO2CO_2 與 O2O_2。判讀時要看各成分是否互相吻合，尤其注意排氣是否受到空氣稀釋，以及燃燒狀況是否能合理解釋各氣體濃度。

一般而言：

  • 混合氣過濃或燃燒不完全時，COCO、HCHC 易升高；正常燃燒的 CO2CO_2 較高、O2O_2 較低。
  • 排氣混入大量外界空氣時，CO2CO_2、COCO、HCHC 會被稀釋，O2O_2 則升高。
  • 車齡與里程可提高點火、供油、汽門或排氣系統故障的機率，但不能單憑車齡判定排放數據真偽。

本題不是法條適用題，應以四氣體間的相互關係及怠速檢測條件判讀。

解題方法

先檢查甲、乙兩組數據是否符合排氣成分的基本比例，再判斷是否可能由引擎故障或檢測操作造成。

甲檢驗員數據：

CO=0.02%,HC=3 ppm,CO2=4.2%,O2=10.5%CO=0.02\%,\quad HC=3\ \mathrm{ppm},\quad CO_2=4.2\%,\quad O_2=10.5\%

CO2CO_2 僅 4.2%4.2\%、O2O_2 卻高達 10.5%10.5\%，同時 COCO 與 HCHC 幾乎為零。對於怠速中的汽油引擎，這組數據呈現明顯的空氣稀釋特徵：排氣中的主要燃燒產物被大量空氣稀釋，氧氣比例因而偏高。它較不像引擎實際排出的未稀釋廢氣，合理性低。

乙檢驗員數據：

HC=232 ppm,CO=0.32%,CO2=13.2%,O2=1.2%HC=232\ \mathrm{ppm},\quad CO=0.32\%,\quad CO_2=13.2\%,\quad O_2=1.2\%

CO2CO_2 明顯高於甲組、O2O_2 明顯低於甲組，符合較少空氣稀釋的排氣特徵。COCO 與 HCHC 有一定濃度，可由怠速燃燒不完全、燃燒室或供油狀態等因素解釋。以兩組數據的相對一致性判斷，乙組較能代表實際排氣，合理性較高；

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第 二 題25 分

四輪獨立懸吊汽車於底盤安裝防傾桿（Anti-Roll bar）的主要功能為何？

若一部汽車原始設計為前輪安裝防傾桿，你是否同意民眾私自將之改裝至後輪？請以對行駛操控安全性能之可能影響，詳述你同意與否之原因。

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核心觀念

防傾桿（Anti-Roll bar，又稱穩定桿）是連接同一車軸左右懸吊的扭力彈簧。車身側傾時，左右車輪相對車身產生不同方向的懸吊位移，防傾桿因而扭轉，增加該車軸對車身側傾的抵抗力，並使該軸左右輪的垂直載荷差增加。

防傾桿的主要功能是抑制車身側傾、改善轉彎時的操控與穩定性。它不會直接消除車輛轉彎時的總載荷轉移，也不等同於提高左右輪在不平路面上各自獨立運動的能力；它改變的是前、後軸之間承擔側向載荷轉移的比例。

解題方法

先分清兩個層次：

  1. 防傾桿裝在哪一軸，就會增加該軸的側傾剛度，並提高該軸左右輪的載荷轉移差。
  2. 前、後軸抓地能力的相對變化，會改變轉向不足或轉向過度傾向，進而影響操控安全。

轉彎時，車輛因橫向加速度產生載荷轉移。防傾桿不能改變車輛質量、重心高度與橫向加速度所決定的總載荷轉移；它主要改變前後軸分配多少載荷轉移。某一軸左右輪載荷差增加時，輪胎的合計側向力通常會下降，因輪胎側向力與垂直載荷並非線性正比。因此，該軸較容易先達到抓地極限。

將前防傾桿改至後輪的操控影響

若原車只在前軸安裝防傾桿，改裝至後軸會使前軸側傾剛度降低、後軸側傾剛度提高，改變前後軸的側向載荷轉移分配。

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第 三 題25 分

交通部為了因應世界的機車安全法規趨勢，提升機車駕駛的安全性，新法規定 125 c.c.125\ \mathrm{c.c.} 以上機車必須加裝 ABS 或 CBS（combined brake system，連動剎車）。

CBS 主要連動前後輪的剎車系統，讓駕駛者按壓一個剎車把手可同時提供前輪與後輪有剎車力。

試問：

為何裝置 CBS 可提升機車的安全性？

CBS 必須具備正確的前輪與後輪的剎車力比例，就機車的剎車安全性而言，前／後輪的剎車力比例之設計原則與具體方法為何？

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核心觀念

本題考查機車制動時的動態軸荷轉移，以及 CBS（連動式煞車系統）如何分配前、後輪制動力。煞車時，車身慣性使負荷由後輪移向前輪，因此前輪可提供的制動力會增加，後輪可提供的制動力會減少。若前、後輪制動力分配不當，可能造成後輪過早鎖死、前輪鎖死或制動距離增加。

題幹所述「125 c.c. 以上機車必須加裝 ABS 或 CBS」與民國 108 年規定不完全相符。依命題當年交通部發布的車輛安全檢測基準，當時規定是 126 c.c. 以上新車須配備 ABS；125 c.c. 以下新車須配備 ABS 或 CBS。以下法規背景以民國 108 年為準。

CBS 為何能提升安全性

傳統機車常由不同控制器分別操作前、後輪煞車。若駕駛者只操作其中一個控制器，或前、後輪制動力配合不佳，就無法充分利用兩輪輪胎與路面的附著力。CBS 讓一次煞車操作同時作用於前、後輪，可降低漏用其中一輪煞車的情形，並減少因操作經驗不足造成的制動力分配落差。

煞車時車重轉移至前輪，前輪負荷增加、可承受的制動力較大；後輪負荷減少，若後輪分到過多制動力，就容易先鎖死並側滑。妥善設定的 CBS 能依前、後輪可用附著力分配制動力，提升制動效率與直線穩定性。CBS 本身不等於 ABS：CBS 負責連動與分配煞車力，不能單靠連動功能防止車輪鎖死。

前、後輪制動力比例的設計原則

基本原則是：在各輪輪胎附著條件相同時，讓前、後輪制動力大致依照各輪當下的垂直負荷分配，使兩輪接近同時用盡附著能力。這能避免某一輪先超過輪胎可承受的制動力。

設機車與乘員總質量為 mm，軸距為 LL，重心距前輪接地點為 aa、距後輪接地點為 bb，重心高度為 hh，車輛減速度為 axa_x。因此 a+b=La+b=L。假設路面水平、煞車時車身俯仰影響忽略，前、後輪動態垂直負荷為：

Nf=mgb+maxhLN_f=\frac{mgb+ma_xh}{L} Nr=mga−maxhLN_r=\frac{mga-ma_xh}{L}

式中 NfN_f、NrN_r 分別為前、後輪垂直負荷。前輪負荷因煞車而增加，後輪負荷則相應減少；減速度越大，負荷轉移越明顯。

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第 四 題25 分

某單位欲採購電動遊園車，滿載車重 2000 kg2000\ \mathrm{kg}，輪胎半徑 0.4 m0.4\ \mathrm{m}。根據使用條件之需求，動力性能之規格為：

  • 滿載時，平地巡航車速 ≥18 km/hr\geq 18\ \mathrm{km/hr}
  • 靜止起步最大加速度 ≥0.1 m/s2\geq 0.1\ \mathrm{m/s^2}

採購時，承包商所選配的動力系統規格為：

項目規格
輸入電壓48 V48\ \mathrm{V}
額定輸出功率5000 W5000\ \mathrm{W}
額定轉矩7.2 N m7.2\ \mathrm{N\,m}
最大轉矩13 N m13\ \mathrm{N\,m}
額定轉速6500 rpm6500\ \mathrm{rpm}
最大轉速7000 rpm7000\ \mathrm{rpm}
額定電流114 A114\ \mathrm{A}
最大電流200 A200\ \mathrm{A}

減速箱齒比為 88，減速箱效率為 0.950.95；馬達為無刷直流馬達，選用市面既有的規格，如上表所示。

假設該車輛所行駛路面之滾動阻力係數為 0.0020.002，忽略風阻係數，並設重力加速度 g=10 m/s2g=10\ \mathrm{m/s^2}，請估算並判斷該組動力包的馬達與減速箱齒比的配合規格之動力輸出是否能滿足使用條件之需求？

若不合理，請說明原因，並提出更佳的方案，請詳列估算公式。

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題要把車輛的行駛需求換算成輪胎所需的牽引力與輪上轉矩，再透過減速箱效率及齒比，反推馬達需要提供的轉矩；最後分別檢查巡航與起步加速。

主要公式如下：

F滾動=fmg,F需求=ma+F滾動F_{\text{滾動}}=fmg,\qquad F_{\text{需求}}=ma+F_{\text{滾動}} T輪=F需求r,T馬達=T輪iηT_{\text{輪}}=F_{\text{需求}}r,\qquad T_{\text{馬達}}=\frac{T_{\text{輪}}}{i\eta}

其中 ff 為滾動阻力係數、mm 為滿載質量、rr 為輪胎半徑、ii 為減速箱齒比、η\eta 為減速箱效率。

解題方法與計算

採用「先算輪端需求，再換算馬達需求」的方式。題目未提供馬達轉矩—轉速曲線，因此以下估算假設馬達在起步時可提供表列最大轉矩 13 N m13\ \mathrm{N\,m}，並忽略車輪及傳動系統的轉動慣量。

一、巡航速度需求

平地巡航速度為：

v=18 km/h=5 m/sv=18\ \mathrm{km/h}=5\ \mathrm{m/s}

滾動阻力為：

F滾動=0.002(2000)(10)=40 NF_{\text{滾動}}=0.002(2000)(10)=40\ \mathrm{N}

維持等速巡航時，牽引力需抵銷滾動阻力，因此輪上轉矩需求為：

T輪=40(0.4)=16 N mT_{\text{輪}}=40(0.4)=16\ \mathrm{N\,m}

減速箱齒比為 88、效率為 0.950.95，故馬達所需轉矩為：

T馬達=168(0.95)=2.11 N mT_{\text{馬達}}=\frac{16}{8(0.95)} =2.11\ \mathrm{N\,m}

車速 5 m/s5\ \mathrm{m/s} 時，車輪角速度為：

ω輪=vr=50.4=12.5 rad/s\omega_{\text{輪}}=\frac{v}{r} =\frac{5}{0.4}=12.5\ \mathrm{rad/s}

馬達角速度與轉速為：

ω馬達=8(12.5)=100 rad/s\omega_{\text{馬達}}=8(12.5)=100\ \mathrm{rad/s} n馬達=100602π≈955 rpmn_{\text{馬達}}=100\frac{60}{2\pi} \approx955\ \mathrm{rpm}

巡航所需馬達輸出功率為：

P馬達=T馬達ω馬達=2.11(100)≈211 WP_{\text{馬達}}=T_{\text{馬達}}\omega_{\text{馬達}} =2.11(100)\approx211\ \mathrm{W}

因此，在馬達低轉速區能提供至少 2.11 N m2.11\ \mathrm{N\,m} 的假設下，巡航需求遠低於表列額定輸出功率 5000 W5000\ \mathrm{W}，巡航速度可達標。

二、起步加速需求

要求起步加速度為 0.1 m/s20.1\ \mathrm{m/s^2}，所需克服的總牽引力為：

F需求=ma+F滾動=(2000)(0.1)+40=240 NF_{\text{需求}}=ma+F_{\text{滾動}} =(2000)(0.1)+40=240\ \mathrm{N}

輪上所需轉矩為：

T輪=240(0.4)=96 N mT_{\text{輪}}=240(0.4)=96\ \mathrm{N\,m}

換算成馬達所需轉矩：

T馬達,需求=968(0.95)≈12.63 N mT_{\text{馬達,需求}} =\frac{96}{8(0.95)} \approx12.63\ \mathrm{N\,m}

表列馬達最大轉矩為 13 N m13\ \mathrm{N\,m}，高於需求；反算可得輪上最大轉矩、牽引力及加速度：

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