核心觀念

本題考查「真空助力器＋串聯式主缸＋前碟後鼓液壓制動系統」的構造、液壓傳力及前後輪制動力分配。

主要觀念包括：

• 利用真空助力器放大駕駛人踩踏板的力量。
• 依帕斯卡定律，密閉液體所受壓力可均勻傳遞。
• 前輪制動採碟式煞車，後輪制動採鼓式煞車。
• 以前後輪制動力分配閥，避免後輪過早鎖死。
• 串聯式主缸具有雙迴路功能，任一迴路失效時仍保有部分煞車能力。

第一題

（一）前碟後鼓式真空輔助液壓剎車系統簡圖

以下以常見的前後分配式雙迴路系統表示：

 真空源
 （引擎進氣歧管）
 │
 單向止回閥
 │
 ▼
駕駛人 推桿 ┌──────────────┐ 推桿
踩踏板 ────────→ │ 真空助力器 │ ─────→
 │ 膜片、控制閥 │
 └──────────────┘
 │
 ▼
 ┌──────────────┐
 │ 串聯式主缸 │
 │ 儲液筒 │
 └──────────────┘
 │ │
 前輪迴路 後輪迴路
 │ │
 ┌────────┘ └────────┐
 ▼ ▼
 前輪碟式煞車 制動力分配閥
 液壓管路 （比例閥）
 │ │
 ▼ ▼
 ┌────────┐ ┌────────┐
 │卡鉗活塞│ │後輪輪缸│
 └────────┘ └────────┘
 │ │
 夾緊煞車碟 推開制動蹄
 │ │
 煞車碟盤 煞車鼓

主要元件名稱

1. 煞車踏板
2. 踏板推桿
3. 真空助力器
4. 真空源
5. 真空管路及單向止回閥
6. 串聯式主缸
7. 煞車油儲液筒
8. 前後液壓管路
9. 制動力分配閥或比例閥
10. 前輪碟式煞車卡鉗、活塞及煞車碟盤
11. 後輪鼓式煞車輪缸、制動蹄及煞車鼓
12. 制動蹄回位彈簧及自動調整裝置

（二）主要元件的功用與作用原理

1. 煞車踏板及推桿

煞車踏板是駕駛人輸入制動力的元件。駕駛人踩下踏板後，踏板以槓桿作用將腳踏力放大，再經由推桿傳至真空助力器。

踏板力可表示為：

踏板槓桿比越大，在相同腳踏力下，傳至助力器的推力越大，但踏板行程也會增加。

2. 真空助力器

真空助力器通常由下列元件組成：

• 真空室
• 大氣室
• 橡膠膜片
• 控制閥
• 回位彈簧
• 輸入推桿及輸出推桿

其作用是利用真空與大氣壓力的壓差，協助駕駛人推動主缸。

未踩煞車時

控制閥使真空室與大氣室保持相同真空狀態，膜片兩側壓力大致相等，因此助力器不產生額外推力。

踩下煞車時

1. 輸入推桿推動控制閥。
2. 控制閥先關閉真空通道。
3. 大氣室引入外界大氣。
4. 真空室仍保持真空。
5. 膜片兩側形成壓力差。
6. 壓力差作用於膜片面積，產生助力並推動主缸。

助力器輸出力約為：

其中：

• $F_b$：真空助力器產生的助力
• $\Delta p$：真空室與大氣室的壓力差
• $A_d$：膜片有效面積

主缸輸入推力約為：

真空助力器失效時，煞車系統仍可由機械推力及液壓作用煞車，但踏板會變得沉重，所需踏板力明顯增加。

3. 真空源及單向止回閥

真空源通常為汽油引擎進氣歧管；柴油引擎或部分渦輪車則可能使用真空泵。

單向止回閥的作用為：

• 使真空可由真空源進入助力器。
• 防止引擎熄火或進氣歧管真空降低時，真空倒流。
• 保留短時間的助力真空。

因此，真空管路漏氣、止回閥故障或真空不足，都會造成助力減弱。

4. 煞車油儲液筒

儲液筒儲存煞車油，並補償：

• 煞車來令片磨耗造成的液量變化。
• 煞車油受熱膨脹或冷卻收縮。
• 主缸活塞回位時的液體補充。

儲液筒內通常分為兩個儲液室，分別供應串聯式主缸的兩個液壓迴路。

5. 串聯式主缸

串聯式主缸包含：

• 主活塞
• 副活塞
• 回位彈簧
• 皮碗
• 補償孔
• 液壓出口

其作用是將助力器傳入的機械推力轉換成液壓。

液壓壓力依帕斯卡定律傳遞：

其中：

• $P$：煞車油壓
• $F_m$：作用於主缸活塞的推力
• $A_m$：主缸活塞面積

主缸活塞面積越小，在相同推力下可產生較高油壓，但需要較長的踏板行程。

雙迴路作用

核心觀念

本題考查以齒條與齒輪為機械基礎的兩種動力轉向系統：

1. 機械液壓動力輔助轉向：利用液壓泵產生油壓，經控制閥將壓力油送至齒條活塞兩側，協助駕駛人推動齒條。
2. 電動輔助轉向：利用轉向扭力感知器測得駕駛人的轉向意圖，再由電子控制單元控制電動機，將輔助扭矩加至轉向機構。

兩種系統均保留方向盤、轉向柱、齒輪、齒條及轉向拉桿等機械傳力路徑，因此即使輔助力失效，仍可由人力進行機械轉向，但轉向力會大幅增加。

解題方法

作答時依序說明：

1. 畫出齒輪—齒條的基本機械結構。
2. 標示動力輔助系統的主要元件。
3. 說明直行時的中立或待命狀態。
4. 說明轉彎時的控制、受力及動作方向。
5. 補充兩種系統的安全及控制特性。

（一）機械液壓動力輔助轉向系統

主要元件

以齒條與齒輪式轉向機構為例，主要包含：

• 方向盤
• 轉向柱
• 小齒輪
• 齒條
• 左、右轉向拉桿及轉向節
• 液壓泵
• 儲油槽
• 壓力調節閥或溢流閥
• 液壓控制閥，又稱旋轉閥或滑閥
• 扭力桿
• 液壓缸及齒條活塞
• 高壓油管與回油管
• 引擎及皮帶驅動裝置

簡圖

 方向盤
 │
 轉向柱
 │
 扭力桿／控制閥
 │
 液壓泵──高壓油管
 │ │
 儲油槽 ┌──▼──┐
 ▲ │控制閥│
 │ └─┬──┬─┘
 │ │ │
 │ 左腔│ │右腔
 │ ┌─▼──▼─┐
 │ │齒條活塞│
 │ └──┬───┘
 │ │
 回油管 齒條
 ▲
 小齒輪
 ▲
 轉向柱

 齒條兩端
 │
 轉向拉桿
 │
 左右轉向輪

直行時的作用原理

車輛直行且方向盤保持中立位置時：

1. 方向盤、轉向柱及小齒輪不產生明顯的轉向扭矩。
2. 扭力桿不發生顯著扭轉，液壓控制閥保持在中立位置。
3. 液壓泵仍由引擎驅動並持續供油，但高壓油主要經控制閥回流至儲油槽。
4. 齒條活塞左右兩側的油壓大致相等，沒有明顯的液壓推力。
5. 齒條主要由駕駛人施加的機械力維持直行，液壓系統僅處於待命狀態。

因此，直行時不會因液壓輔助而使齒條持續向左或向右移動。

轉彎時的作用原理

以方向盤向右轉為例：

1. 駕駛人轉動方向盤，轉向柱帶動小齒輪轉動。
2. 由於輪胎與路面阻力存在，齒條運動受到阻礙，使扭力桿產生扭轉。
3. 扭力桿的扭轉量代表駕駛人的轉向力矩，並使液壓控制閥偏離中立位置。
4. 控制閥將液壓泵輸出的高壓油導入齒條活塞的一側，另一側的油液則經回油管回到儲油槽。
5. 活塞兩側形成壓力差，液壓推力為

其中，$p_1-p_2$ 為活塞兩側壓力差，$A$ 為活塞有效面積。 6. 液壓推力與駕駛人的機械推力共同推動齒條，使齒條向右移動，經轉向拉桿帶動前輪右轉。 7. 當方向盤停止轉動或達到所需轉角時，扭力桿扭轉量減小，控制閥逐漸回到中立位置，液壓輔助力隨之降低。

向左轉時，控制閥將壓力油導入齒條活塞的另一側，齒條移動方向相反。

（二）電動輔助轉向系統

主要元件

電動輔助轉向系統主要包含：

• 方向盤
• 轉向柱
• 小齒輪
• 齒條
• 轉向扭力感知器
• 轉向角度感知器
• 車速感知器或車速訊號
• 電子控制單元（ECU）
• 電動機
• 減速齒輪或蝸桿齒輪機構

核心觀念

本題考查車輛在加速、煞車時的縱向載荷轉移，以及後輪驅動車輛之葉片彈簧懸吊所產生的驅動軸扭矩反作用力。

• 後端下蹲（Rear-end Squat）：車輛加速時，車身後部下沉，後懸吊彈簧被壓縮，前部相對上升。
• 前方下沉（Front-end Dive）：車輛煞車時，車身前部下沉，前懸吊彈簧被壓縮，後部相對上升。

解題方法與產生原因

（一）後端下蹲

車輛加速時，後輪與路面間產生向前的驅動力。由於車輛重心位於路面上方，驅動力會對車身產生俯仰力矩，使後軸承受較大的垂直載荷。

因此，後懸吊的葉片彈簧受壓縮，後車身降低，形成後端下蹲。

此外，圖中後輪驅動軸將驅動扭矩傳給車輪時，車軸外殼會受到大小相等、方向相反的反作用扭矩。此反作用扭矩經由車軸座傳至葉片彈簧，使葉片彈簧產生彎曲、扭轉及前後端反力，進一步影響後懸吊的壓縮程度。

加速時的縱向載荷轉移可概念表示為：

其中：

• $m$：車輛質量
• $a$：加速度
• $h$：重心高度
• $L$：前、後軸距

加速時後軸垂直載荷增加，因而造成後懸吊下沉。

（二）前方下沉

煞車時，輪胎與路面間產生向後的煞車力。由於煞車力作用於路面附近，而重心位於路面上方，車身會產生向前俯衝的俯仰力矩。

結果為：

• 前軸垂直載荷增加；
• 前懸吊彈簧被壓縮；
• 車頭降低，形成前方下沉；
• 後軸垂直載荷減少，後部相對上升。

煞車時前軸增加的載荷同樣可表示為：

此時前軸載荷增加、後軸載荷減少。若後輪驅動系統存在驅動軸及葉片彈簧的扭矩反作用，亦會改變後懸吊的受力，但前方下沉的主要原因仍是煞車時的重心載荷轉移。

核心觀念

本題考查前置引擎後輪驅動車輛的後輪驅動軸，依「車輪、後輪軸、軸承與軸殼」的相對支承關係，分為：

1. 半浮式後輪軸（Semi-floating axle）
2. 四分之三浮式後輪軸（Three-quarter floating axle）
3. 全浮式後輪軸（Full-floating axle）

「浮式」是指後輪軸是否承受車輪及車身重量、側向力等外力。浮式程度越高，後輪軸所承受的彎矩與側向負荷越少。

解題方法

判斷三種型式時，掌握下列原則：

• 軸承設在車輪附近或輪轂內部，且車輪重量直接作用於後輪軸：屬半浮式。
• 車輪重量由軸殼上的軸承支承，但後輪軸仍承受部分側向力：屬四分之三浮式。
• 車輪的垂直載重與側向力均由軸殼及軸承承受，後輪軸只傳遞驅動轉矩：屬全浮式。

（一）三種後輪軸型式、構造及軸承位置

1. 半浮式後輪軸

構造示意圖

車身中央 車輪
 差速器 後輪軸 輪轂
 │───────────────●──────────────│
 │ │軸承 │
 │ 軸殼端部 │
 └───────────────────────────────┘

軸承位於後輪軸外端、接近車輪的位置。車輪通常直接固定在後輪軸的凸緣上，或與後輪軸形成一體。

受力特性

半浮式後輪軸同時承受：

• 驅動轉矩
• 車輛重量所造成的垂直載重
• 路面不平所造成的徑向力
• 車輛轉彎時的側向力
• 軸承與車輪偏置所造成的彎矩

因此後輪軸同時受到扭轉與彎曲作用，軸徑通常較大，構造簡單、成本低，適合小型及一般乘用車。

2. 四分之三浮式後輪軸

構造示意圖

車身中央 車輪
 差速器 後輪軸 輪轂
 │───────────────●──────────────│
 │ │
 │ 軸承 ───┤
 │ （支承輪轂）
 └───────────────────────────────┘
 軸殼

軸承設在後輪軸殼的外端，車輪輪轂由軸殼上的軸承支承；後輪軸主要透過花鍵或凸緣傳遞驅動轉矩。

受力特性

四分之三浮式後輪軸：

• 車輛重量的主要垂直載重由軸殼及軸承承受。
• 驅動轉矩仍由後輪軸承受。
• 轉彎時的部分側向力及軸向推力仍可能作用於後輪軸。
• 後輪軸仍承受部分彎曲負荷，但比半浮式小。

其受力介於半浮式與全浮式之間，故稱為四分之三浮式。

3. 全浮式後輪軸

構造示意圖

車身中央 車輪
 差速器 後輪軸 輪轂
 │───────────────┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈┈───│
 │ ● │
 │ 軸承 ● │
 │ （輪轂兩側） │
 └───────────────────────────────┘
 軸殼

後輪軸的外端通常以花鍵與輪轂連接，輪轂由軸殼端部的兩個軸承支承。車輪的重量及側向力不直接由後輪軸承受。

受力特性

全浮式後輪軸：

• 驅動轉矩由後輪軸傳遞至車輪。
• 車輛重量由軸殼及輪轂軸承承受。
• 垂直載重由軸殼及軸承承受。
• 轉彎時的側向力及軸向推力由軸承與軸殼承受。
• 後輪軸幾乎只承受扭轉，不承受車輪載重造成的彎曲力矩。

全浮式構造承載能力大、可靠性高，常用於卡車、巴士及重型車輛。

（二）後輪軸受力情形

核心觀念

本題考查前輪定位中的「磨胎半徑」或「轉向偏差」（Scrub Radius／Steering Offset）。其重點是比較：

1. 轉向軸線與地面的交點。
2. 輪胎接地面中心線與地面的交點。

兩者在車輛前視圖上的橫向距離，即為磨胎半徑。

轉向軸線是通過上、下轉向節或避震器支柱上、下支點的假想直線；將此線延伸至地面，可得轉向軸線地面交點。

（一）磨胎半徑的定義及圖示

磨胎半徑 $r_s$ 定義為：

在車輛前視圖中，轉向軸線與地面的交點，和輪胎接地面中心之間的橫向距離。

可表示為：

其中：

• $x_c$：輪胎接地面中心的位置。
• $x_s$：轉向軸線與地面交點的位置。

示意圖如下：

 轉向軸線
 /
 /
 /
 /
 /
---------------●---------------- 地面
 轉向軸線 輪胎接地面
 地面交點 中心
 <---- r_s ---->

若轉向軸線地面交點與輪胎接地面中心重合，則：

此時縱向輪胎力通過轉向軸線，不會因磨胎半徑產生轉向力矩。

「磨胎」是指輪胎轉向時，接地面不完全繞著接地中心原地旋轉，而會產生橫向拖曳或摩擦，因此此距離稱為磨胎半徑；它不是輪胎本身的幾何半徑。

（二）正負值的定義

以下採汽車工程最常用的前視圖定義：

1. 正磨胎半徑（Positive Scrub Radius）

當輪胎接地面中心位於轉向軸線地面交點的外側時，稱為正磨胎半徑。

車輛內側 車輛外側
 | |
 ●-------------------------------●
轉向軸線交點 輪胎接地面中心
 正磨胎半徑

亦即：

正磨胎半徑通常表示轉向軸線地面交點位於輪胎接地中心的內側。

2. 負磨胎半徑（Negative Scrub Radius）

當輪胎接地面中心位於轉向軸線地面交點的內側時，稱為負磨胎半徑。

其示意為：

車輛內側 車輛外側
 | |
 ●-------------------------------●
輪胎接地面中心 轉向軸線交點
 負磨胎半徑

3. 零磨胎半徑（Zero Scrub Radius）

當兩者重合時：

此時縱向力對轉向軸線不產生由磨胎半徑造成的力矩。

（三）對車輛操控與性能的影響

輪胎縱向力對轉向軸線產生的力矩約為：

其中：