109 鐵路人員升資考試佐級晉員級 技術類(選試鐵路動力車與車輛構造及原理概要) 鐵路動力車與車輛構造及原理概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查車體結構材料的種類，以及選材時如何在強度、剛度、重量、耐蝕性、製造成本與維修性之間取捨。車體必須承受乘客與設備重量、運轉振動、牽引及制動造成的縱向力，以及車鉤連掛時的衝擊力；因此不能只比較材料的抗拉強度，也須考量材料密度、腐蝕情形與結構設計。

國內鐵路車輛車體結構的主要材料，可概分為碳鋼（含耐候鋼等低合金鋼）、不鏽鋼及鋁合金。車頭罩、內裝或局部構件可能另用玻璃纖維強化塑膠等材料，但不宜與車體主要承載結構的材料混為一談。

解題方法

作答可先列出三類主要材料，再依下列項目逐一比較：

1. 重量與比強度：材料密度影響車體自重，比強度可用「強度除以密度」概念理解。
2. 耐蝕性與維護：檢視是否容易鏽蝕，以及是否需要塗裝或防蝕處理。
3. 剛度與結構設計：彈性模數影響材料抵抗彈性變形的能力；材料剛度較低時，須透過板厚、斷面形狀或補強設計滿足要求。
4. 製造與成本：考量成形、銲接、加工及後續維修是否容易。

（一）國內使用之車體結構材料類型

1. 碳鋼及低合金鋼：包括一般碳鋼與耐候鋼等。
2. 不鏽鋼：利用其耐蝕性，常見於車體外板及結構件。
3. 鋁合金：常見於追求輕量化的車體，結構上常使用擠型材、板材組合。

（二）各類材料特性及比較

1. 碳鋼及低合金鋼

• 優點：強度、剛度良好，材料及加工技術成熟；銲接、修補與維修較方便，通常材料成本較低。耐候鋼等低合金鋼具有較佳的大氣耐蝕性。
• 缺點：密度高，車體自重較大；一般碳鋼容易鏽蝕，須依環境及設計施作塗裝或其他防蝕措施。耐候鋼雖可提升耐蝕性，仍須按使用環境與維護條件評估。
• 適用考量：適合重視結構強度、維修便利及成本控制的車輛；但車重增加會提高牽引能耗與軌道負荷。

2. 不鏽鋼

• 優點：耐蝕性佳，通常可減少防鏽塗裝與相關維護；適合潮濕、易腐蝕的使用環境。部分不鏽鋼板材可採薄板或特殊板形設計，兼顧強度與車體重量。
• 缺點：密度與鋼材相近，材料本身並不具鋁合金的低重量優勢；材料及製造成本較高，銲接與加工須控制品質，避免影響接頭性能及耐蝕性。
• 適用考量：車輛若重視耐蝕與降低防鏽維護，可採不鏽鋼車體；

核心觀念

傾斜式列車利用車體在曲線上向彎道內側傾斜，減少乘客感受到的橫向加速度，使列車能在維持乘坐舒適度的前提下，以較高速度通過曲線。題目主要比較兩種傾斜機構：

• 太魯閣號（TEMU1000）：以轉向架上的滾柱、滑槽機構使車體傾斜，屬於自然傾斜式。
• 普悠瑪號（TEMU2000）：由控制系統操控空氣彈簧的高度差，使車體傾斜，屬於空氣彈簧強制傾斜式。

列車過彎時，車體向彎道內側傾斜，方向與車輛行進時所受的向外離心效應相反，目的在降低乘客感受到的側向力。

解題方法

作答時先畫出車體、轉向架與傾斜機構的關係，再交代控制訊號如何轉換成車體傾斜，最後比較傾斜機構、最大傾角及系統特性。作圖不必追求比例，應清楚標示「車體傾斜方向」及「如何產生左右高度差」。

（一）傾斜控制系統原理

1. 太魯閣號：滾柱式自然傾斜

 車體向彎道內側傾斜
 ↙
 ┌──────────┐
 │ 車體 │
 └────┬─────┘
 ○ ← 滾柱
 ╭───┴───╮ ← 滑槽／傾斜支承
 │轉向架 │
 ────┴───────┴──── 軌道

太魯閣號的車體與轉向架間設有滾柱及滑槽式傾斜機構。列車進入曲線時，車體在曲線運動所產生的側向作用下，透過滾柱沿滑槽移動而向彎道內側傾斜；離開曲線後，車體再回復至正常位置。因此，傾斜動作主要由機械結構配合車輛運動產生，稱為自然傾斜。

列車的傾斜控制系統會依行車資訊控制傾斜作動時機；若傾斜控制失效，滾柱式機構仍具有自然傾斜的特性。其最大傾斜角度約為 5°。

2. 普悠瑪號：空氣彈簧式強制傾斜

 傾斜控制單元
 速度／位置資訊＋路線資料
 │
 ▼
 傾斜命令與時機判定
 │
 ▼
 氣閥／增壓器控制空氣流向
 ┌───┴───┐
 ▼ ▼
 外側空氣彈簧 內側空氣彈簧
 高度增加 高度降低
 └───┬───┘
 ▼
 車體向彎道內側傾斜

普悠瑪號由傾斜控制單元依列車速度、位置及預先設定的路線資料，判定傾斜開始時機，再發出傾斜命令。氣閥及增壓器控制左右空氣彈簧的空氣流量，使兩側高度產生差異，進而使車體向彎道內側傾斜。

核心觀念

本題考查軔機系統的基本功能，以及三種常見制動方式的「制動力如何產生、如何傳遞、如何解除」。作答時宜先說明軔機的整體目的，再分別交代直通軔機、自動軔機與電力軔機的作用流程，並點出自動軔機的失壓制動特性，以及電力軔機的能量轉換方式。

軔機系統的基本功能，是使行駛中的車輛減速或停止，並在停車或停留時維持車輛不移動。列車運動時的動能須經制動作用轉換或消耗，常見方式包括摩擦生熱，以及轉換為電能後回饋或消耗。

解題方法

依「系統目的 → 制動訊號 → 制動力產生方式 → 安全特性」的順序說明三種軔機。直通軔機和自動軔機都以壓縮空氣操作，但列車管壓力變化所代表的指令不同；電力軔機則由牽引電動機發電產生制動作用。

（一）軔機系統之意義

軔機系統是裝設於鐵路機車車輛上，用以控制車輛速度、使車輛減速或停止，並於停車後保持車輛停留的裝置與相關控制設備總稱。其作用通常是將車輛運動時的動能轉換為熱能或電能，藉此產生與行車方向相反的制動力。

軔機系統的主要功能如下：

1. 減速與停車：在正常行車、進站或緊急狀況下，使列車降低速度或停止。
2. 速度控制：在長下坡等情況下，控制列車速度，避免列車持續加速。
3. 停留防溜：列車停妥後維持制動力，避免車輛自行滑動。
4. 安全保障：讓機車與各車輛的制動作用能依駕駛指令協調運作；部分系統並具備管線故障時自動制動的特性。

（二）三種軔機系統之作用原理

1. 直通軔機系統

直通軔機又稱直通空氣軔機，係由機車的壓縮空氣經控制閥直接送入各車輛的軔缸，使軔缸活塞推動軔瓦或其他摩擦裝置，壓向車輪或制動盤而產生制動力。

其作用流程如下：

• 施軔：操縱軔機閥，將壓縮空氣由總風缸經管路送入軔缸；軔缸壓力上升，活塞推動制動機構，產生制動力。
• 緩解：操縱軔機閥排出軔缸內的空氣；軔缸壓力降低，活塞及制動機構復位，制動力解除。
• 制動力調整：以調整送入軔缸的空氣壓力或排氣量，控制軔缸壓力及制動力大小。

直通軔機的特點是構造與操作較直接，但其制動作用仰賴機車供氣及管路狀態；若列車管路中斷或失壓，通常不會像自動軔機那樣由各車輛自行啟動制動。因此，直通軔機通常用於機車本身的制動或輔助控制，不具備自動軔機同等的列車失壓自動施軔特性。

2. 自動軔機系統

核心觀念

本題考查通勤電聯車常見的「交流電動機變頻驅動系統」，重點有二：一是說明電力如何由架空線一路轉換為交流馬達所需的可變電壓、可變頻率電源；二是說明 IGBT 如何作為功率開關，控制逆變器輸出。

典型牽引電力流程如下：

不同車型的變流器配置與電路細節可能不同；以下依國內通勤電聯車常見的交流牽引系統說明。

（一）交流馬達動力系統原理

系統示意圖

 架空線單相交流電
 │
 集電弓／主斷路器
 │
 主變壓器
 │
 牽引變流器：整流器
 │
 直流中間電路（DC link）
 ┌─────┴─────┐
 濾波電容 煞車斬波器
 │
 煞車電阻
 │
 牽引變流器：三相逆變器
 （IGBT 功率開關）
 │
 三相可變頻交流電
 │
 三相交流牽引馬達
 │
 齒輪傳動裝置
 │
 車輪

原理與作動流程

1. 受電與降壓 集電弓自架空線取得單相交流電，經主斷路器送入主變壓器，轉換為牽引變流器所需的電壓等級。

2. 整流與直流中間電路 整流器將變壓器輸出的交流電轉換為直流電，並由直流中間電路的電容等元件平滑、穩定電壓，形成逆變器的直流電源。

3. 逆變與調速 逆變器利用 IGBT 高速切換直流電，經脈寬調變（PWM）合成三相交流電。控制系統調整輸出頻率與電壓，使交流馬達產生所需的轉速與轉矩。一般而言，同步轉速與電源頻率成正比；以感應馬達為例，其同步轉速為：

$n_s=\frac{120f}{P}$

其中 $n_s$ 為同步轉速（rpm）、$f$ 為電源頻率（Hz）、$P$ 為馬達極數。改變逆變器輸出頻率，即可控制馬達轉速；並配合調整電壓，維持適當的磁通與轉矩能力。

4. 牽引與傳動 三相交流馬達輸出的機械轉矩，經齒輪裝置傳至車軸與車輪，推動列車行進。列車控制系統可依加速需求調整各馬達的輸出。