110 高普考高考三級 汽車工程 汽車設計 考古題詳解

核心觀念

本題考查車輛設計必須同時符合三類公共政策要求：行車安全、能源使用效率，以及污染與噪音控制。作答時應分別說明主管法規、管制對象與主要執行方式，並指出法規透過新車型審驗、測試合格及後續檢查落實。

**以命題當年（民國 110 年）法規為準。**下列內容按當年適用制度說明；其後法規曾有修正，實際適用仍應依各法規施行日期及車輛類別判斷。

解題方法

依「安全、能源、環保」三個面向分段作答。每一段交代「法規名稱與依據、主要要求、對設計或上市的影響」，可避免只列法規名稱，卻未說明其如何限制車輛設計。

一、安全法規要求

我國車輛安全主要依《公路法》及《車輛型式安全審驗管理辦法》辦理，並以交通部公告的《車輛安全檢測基準》作為具體檢測規範。車輛製造廠或進口商須依車種與車型完成相關安全檢測及型式安全審驗，取得合格證明後，始得辦理新領牌照。

《車輛安全檢測基準》涵蓋的項目包括車輛規格、燈光與標誌、煞車、轉向、輪胎、安全帶、安全玻璃、座椅及車身等；依車種與適用規定，另包括燃料系統、電氣安全及其他安全裝置。設計時須符合各項尺寸、性能、強度及裝置要求，並以審驗及檢測結果確認車輛符合規範。

二、能源法規要求

車輛耗能主要依《能源管理法》及《車輛容許耗用能源標準及檢查管理辦法》管理。汽、柴油車須依規定的測試方法測定能源效率，符合所屬車種的耗能標準，並辦理車型耗能證明及能源效率標示等管理事項。測試方法及標準依車種、車重、排氣量與適用規定而異。

我國並有廠商年度銷售車輛的加權平均能效管理，要求廠商銷售車輛整體的能源效率符合相應標準。這促使設計兼顧車輛個別能效與車系整體能效，例如改善引擎與傳動效率、降低車重及行駛阻力。答題時不必硬背各車種數值，但應指出能效須經法定方法測試，且受車種標準及廠商加權平均要求拘束。

核心觀念

車輛行駛時，發動機經傳動系統提供的驅動力，必須克服各種行駛阻力，並在加速時增加車輛動能。縱向行駛的基本平衡式為：

$$F_t=F_r+F_a+F_g+F_i$$

其中 $F_t$ 為輪上驅動力，$F_r$ 為滾動阻力，$F_a$ 為空氣阻力，$F_g$ 為坡度阻力，$F_i$ 為加速阻力。定速、平路行駛時，加速阻力與坡度阻力為零，輪上功率主要用於克服滾動阻力與空氣阻力。

主要行駛阻力及影響因素

一、滾動阻力 $F_r$

輪胎受載後變形，胎面與路面接觸時因橡膠滯後及路面變形而消耗能量，形成滾動阻力。一般可寫成：

$$F_r=f_r W\cos\theta \approx f_r W$$

其中 $f_r$ 為滾動阻力係數，$W$ 為車重，$\theta$ 為道路坡角。滾動阻力的主要影響因素如下：

• 車重愈大，輪胎負荷愈大，滾動阻力通常愈大。
• 胎壓不足會增加輪胎變形，通常使滾動阻力上升；輪胎結構、橡膠材質、胎面花紋與磨耗狀況也會影響阻力。
• 路面鬆軟、粗糙或不平時，輪胎與路面變形增加，滾動阻力上升。
• 車速、輪胎溫度及輪胎尺寸也會影響滾動阻力係數；實際變化依輪胎與路況而異。

二、空氣阻力 $F_a$

車輛行進時推開空氣並克服車身表面附近的氣流阻力，所需空氣阻力近似為：

$$F_a=\frac{1}{2}\rho C_D A V_r^2$$

其中 $\rho$ 為空氣密度，$C_D$ 為空氣阻力係數，$A$ 為車輛迎風面積，$V_r$ 為車輛與空氣的相對速度。主要影響因素如下：

• 相對風速愈大，空氣阻力約與風速平方成正比；逆風會增加阻力，順風則可降低阻力。
• 迎風面積 $A$ 與空氣阻力係數 $C_D$ 愈大，阻力愈大；車身外形、底盤氣流、車窗開啟及外掛行李架等都可能改變氣動阻力。
• 空氣密度愈大，空氣阻力愈大；密度受氣溫、氣壓與海拔影響。

空氣阻力隨車速平方增加，因此克服空氣阻力所需功率 $P_a=F_aV$ 約與車速三次方成正比。高速時它往往成為主要負荷。

三、坡度阻力 $F_g$

車輛沿坡道上行時，重力沿道路方向的分力阻礙前進：

$$F_g=W\sin\theta\approx W\frac{i}{100}$$

其中 $i$ 為道路坡度百分比。坡度愈大、車重愈大，上坡阻力愈大；下坡時重力分力方向與行進方向相同，成為助力，若以阻力符號表示則為負值。

四、加速阻力 $F_i$

車輛加速時，驅動力須增加車輛平移與旋轉部件的動能：

$$F_i=\delta m a$$

其中 $m$ 為車輛質量，$a$ 為加速度，$\delta$ 為考慮車輪、傳動系等旋轉部件慣量的係數。車重、加速度及旋轉部件慣量愈大，加速阻力愈大；定速行駛時 $a=0$，故此項為零。

核心觀念

車輛在穩定爬坡時，引擎傳至驅動輪的功率用來克服滾動阻力、空氣阻力及坡度阻力。最大爬坡能力或最大車速，皆由驅動輪可提供的牽引力與行駛阻力平衡決定。

所需牽引力為

$$F_t=F_r+F_a+F_g$$

其中：

• 滾動阻力：$F_r=f_rW$
• 空氣阻力：$F_a=\frac{1}{2}\rho C_d A v^2$
• 坡度阻力：$F_g=W\sin\theta$

車輪功率與牽引力的關係為

$$P=F_t v$$

題目給定的 $125\ \mathrm{kW}$ 是引擎傳到驅動輪的動力，因此直接作為驅動輪可用功率，不再另乘傳動效率。

解題方法

(一) 車速 $25\ \mathrm{m/s}$ 時之最大爬坡能力

先計算此車速下的滾動阻力與空氣阻力：

$$F_r=f_rW=0.01(100{,}000)=1{,}000\ \mathrm{N}$$ $$F_a=\frac{1}{2}(1.228)(0.80)(7.0)(25)^2 =2{,}147\ \mathrm{N}$$

驅動輪可提供的牽引力為

$$F_t=\frac{P}{v} =\frac{125{,}000}{25} =5{,}000\ \mathrm{N}$$

可用來克服坡度阻力的力為

$$F_g=F_t-F_r-F_a =5{,}000-1{,}000-2{,}147 =1{,}853\ \mathrm{N}$$

由 $F_g=W\sin\theta$，坡度以坡面角度的正弦值表示：

$$\sin\theta=\frac{1{,}853}{100{,}000}=0.01853$$

因此最大爬坡角約為

$$\theta=\sin^{-1}(0.01853)\approx1.06^\circ$$

若以坡度百分比（$\tan\theta\times100\%$）表示，約為 $1.85\%$。

(二) 爬 $1$ 比 $20$ 之坡時之最大車速

$1$ 比 $20$ 表示每前進 $20$ 單位水平距離，上升 $1$ 單位，因此

$$\tan\theta=\frac{1}{20}$$

坡度阻力為 $F_g=W\sin\theta$。由直角三角形關係：

$$\sin\theta=\frac{1}{\sqrt{20^2+1^2}} =\frac{1}{\sqrt{401}}$$ $$F_g=\frac{100{,}000}{\sqrt{401}} \approx4{,}994\ \mathrm{N}$$

核心觀念

本題考煞車時的前後輪煞車力分配與車輪鎖死對車輛穩定性的影響。煞車壓力比例閥（pressure proportional valve）又稱感載比例閥或後煞車比例閥，主要用來限制後輪煞車管路壓力：當煞車壓力超過設定值後，後輪壓力的增加率會小於主缸壓力的增加率，以降低後輪煞車力，避免後輪過早鎖死。

煞車時車身前傾，前軸荷重增加、後軸荷重減少。各輪能提供的最大煞車力受輪胎與路面附著力限制，可概略表示為：

$$F_{b,\max}=\mu N$$

其中 $\mu$ 為輪胎與路面間的附著係數，$N$ 為該輪的垂直載重。因此，煞車力分配須配合前後軸動態載重變化，才能兼顧制動效率與行駛穩定性。

解題方法

依序說明比例閥的功能、前輪與後輪鎖死的影響，再歸納設計分配原則：

1. 煞車力分配不當時，先鎖死的車軸會先失去輪胎的側向導引能力。
2. 前後輪鎖死造成的車輛反應不同；一般而言，前輪先鎖死較容易維持方向穩定，後輪先鎖死則容易引發偏航或甩尾。
3. 因煞車時後軸載重降低，設計上須避免後輪煞車力超過其可用附著力。比例閥就是調整後輪壓力的重要元件。

前輪被鎖死的現象

前輪鎖死後，前輪輪胎的側向力大幅降低，轉向輪失去有效導向能力。車輛會有轉向不足現象，方向盤轉動也難以使車輛依預期轉彎，車輛傾向沿原方向滑行。

後輪被鎖死的現象