109 鐵路人員升資考試員級晉高員級 技術類(選試鐵路動力車與車輛構造及原理) 鐵路動力車與車輛構造及原理 考古題詳解

核心觀念

本題考查軌道車輛車體結構設計時，如何以不同載重狀態代表車輛從空車、正常載客到超載的使用情形，並據以檢核車體強度、剛度及疲勞耐久性。載重狀態常以 $S_1$ 至 $S_5$ 表示；其中 $W_i$ 代表相應載重狀態下的車輛重量。

車體設計不只要承受車輛自重與乘客重量，還要考慮運轉時的垂向、縱向及橫向作用力，以及長期反覆作用所造成的疲勞。結構須能承受規定負荷，避免產生有害變形、破壞或影響車輛功能的撓曲。

解題方法

作答時先列出載重狀態，再說明各狀態包含的載客條件；最後補充車體必須檢核的結構負荷與性能要求。如此可同時回答「幾種負荷狀況」及「各狀況之要求或條件」。

各載重狀況

1. $S_1$：空車狀態 車輛完成運轉整備後的空車狀態，重量為 $W_1$。整備重量包括運轉所需設備與材料，不包括乘客載重。

2. $S_2$：座位滿載狀態 在 $S_1$ 基礎上加上全部座位乘客的重量，重量為 $W_2$。用以代表座位全數坐滿的載客情況。

3. $S_3$：座位滿載加立位載客狀態 座位滿載，並在立位空間按每平方公尺 5 人計入站立乘客，重量為 $W_3$。此狀態反映一般較高載客密度下的車體負荷。

4. $S_4$：座位滿載加高密度立位載客狀態 座位滿載，並在立位空間按每平方公尺 7 人計入站立乘客，重量為 $W_4$。此狀態代表較擁擠的營運載客情況。

5. $S_5$：超載設計狀態 以空車重量加上 $S_4$ 載客量的 1.25 倍計算，重量為 $W_5$：

$W_5 = W_1 + 1.25(W_4-W_1)$

$S_5$ 用於檢核車體在超載設計條件下的承載能力。乘客載重以外的設備、車體與車內固定裝置重量，仍須依規定納入車輛重量計算。

核心觀念

計算軌道車輛的動力牽引力，須先計算列車運行時所受的總阻力。常見的阻力包括：

• 基本阻力：車輪與軌面接觸、軸承摩擦、傳動裝置摩擦，以及空氣阻力等所造成的阻力。
• 坡道阻力：列車沿坡道行駛時，重力沿軌道方向的分力。
• 曲線阻力：列車行經曲線時，輪軌幾何關係、輪緣接觸及車輛轉向等因素造成的阻力。
• 加速阻力：列車加速時，克服車輛平移質量及旋轉部件轉動慣量所需的力。
• 其他附加阻力：依車輛、路線及運轉條件而定，例如隧道、風或惡劣天候所增加的阻力。

列車牽引力至少須克服當時運轉條件下的總阻力；若要加速，還須提供加速所需的額外牽引力。

解題方法：抓住坡道與高速直線行駛的主要阻力

題目限定「坡道上直線高速行駛」，可先排除曲線阻力；若列車維持等速，亦無加速阻力。此時應詳細說明的兩種主要阻力為坡道阻力與基本阻力，其中高速時基本阻力以空氣阻力影響尤為顯著。

一、坡道阻力

列車在坡道上行駛時，車輛重量沿軌道方向的分力會阻礙上坡運動。設列車總重量為 $W$，坡道角度為 $\theta$，則坡道阻力為：

鐵路坡度通常很小，若坡度以千分率 $i$ 表示，則 $\sin\theta \approx i/1000$，因此：

若以列車總質量 $m$ 表示，且 $W=mg$，則：

核心觀念

本題考查兩件事：一是軌道車輛行駛時，車內噪音由哪些機械、氣動及外部來源形成；二是如何在車內以一致的條件量測，並選擇能代表乘客實際感受的測點。

車內噪音不是單一聲源造成，而是車輛本身的設備噪音、輪軌作用與氣流噪音，經由空氣或車體結構傳入車廂後疊加而成。量測時須固定列車運轉與車廂狀態，並在車廂中央、端部及轉向架附近等位置取樣，避免只測一點而忽略局部高噪音區。

以命題當年的通行方法，可參照 ISO 3381:2005《鐵路應用－車內噪音量測》。本題不涉及法條，無須套用法規條文。

噪音來源

一、輪軌與走行系統噪音

車輪滾過鋼軌時，輪軌表面粗糙、鋼軌接縫、波狀磨耗、車輪扁疤等會造成振動與撞擊，形成滾動噪音及衝擊噪音。振動也會經車輪、軸承、轉向架與車體傳遞，成為結構傳播噪音。車速提高時，輪軌滾動噪音通常更明顯。

二、牽引與動力設備噪音

牽引馬達、齒輪箱、傳動裝置、柴油引擎及冷卻風扇等運轉時，會產生電磁、機械振動與氣流噪音。加速或牽引負載增加時，動力設備噪音通常較突出；減速或制動時，煞車裝置也會產生摩擦聲或尖銳聲。

三、輔助機械與車內設備噪音

空調與通風機、壓縮機、發電機、泵、電氣設備及車內廣播等，會形成持續性或週期性噪音。設備安裝位置、固定方式與車體共振會影響噪音傳入車廂的程度。

四、氣動與外部環境噪音

高速行駛時，車體周圍氣流、車窗及門縫的氣流聲會增加；隧道、橋梁、道岔等路段也可能因反射或輪軌撞擊而提高車內噪音。此類聲音可直接透過車體開口傳入，或先激振車體再以結構傳聲方式進入車廂。

解題方法：先辨識來源，再交代標準量測條件

作答時可依「聲源—傳遞途徑—量測方法—測點位置」順序整理。聲源部分列出輪軌、牽引設備、輔助機械、氣流及外部環境；量測部分則說明聲級計、量測量、車輛狀態與測點高度。這樣能同時回答題目兩個要求，也能避免把車外噪音測點誤寫成車內測點。

量測設備與量測量

使用符合精度要求的聲級計與麥克風，量測前後以聲校正器確認儀器校正狀態。列車定速行駛時，主要量測 A 加權等效連續音壓級 $L_{pAeq,T}$；若要描述短時間變化，可量測 $L_{pAeq,1s}$。加速或制動測試可記錄最大 A 加權、快反應音壓級 $L_{pAFmax}$，並量測指定時間內的 $L_{pAeq,T}$。型式試驗另可作頻譜分析，常用三分之一倍頻帶。

等效連續音壓級是將量測期間的聲音能量換算為同等能量的穩定音壓級，其一般表示式為：

核心觀念

本題考查電動式自動車門的機械驅動、電氣控制與行車安全聯鎖。回答時可先列出車門系統的基本元件，再依「正常開關門流程」及「異常時的保護措施」說明功能。

電動式車門由電動機提供開關門動力，控制器依駕駛員或列車控制系統的指令，驅動車門並監測門的位置、鎖閉狀態及運轉異常。各型車的構造與控制邏輯有所差異，以下依常見軌道列車電動式自動車門說明。

基本元件

1. 門扇及車門框：構成乘客上下車的開口，門扇可為單扇或雙扇。
2. 導軌與導輪：引導門扇按規定路徑平順移動，並承受門扇運動時的負荷。
3. 電動機及傳動機構：電動機提供動力，經齒輪、皮帶、連桿或螺桿等傳動機構，帶動門扇開啟或關閉。
4. 門鎖及鎖閉機構：車門關閉到位後將門扇鎖定，避免列車行進時意外開啟。
5. 車門控制器：接收開門、關門、致能及安全聯鎖訊號，控制電動機的運轉方向、速度與停止。
6. 位置及狀態感測元件：如限位開關、位置感測器、鎖閉狀態開關，用來確認車門已開啟、關閉或鎖定。
7. 障礙物偵測元件：偵測關門時門口有異物或乘客受阻的情形，可由安全觸邊、電流變化或其他感測方式構成。
8. 操作與顯示元件：包括駕駛員操作開關、車門開關按鈕、指示燈、警示音及故障顯示。
9. 電源、配線及車門控制迴路：供應車門動力與控制電源，並傳遞列車及各車門間的控制、狀態訊號。
10. 緊急操作及隔離裝置：供緊急情況下手動開門，或在單一車門故障時隔離該門。

解題方法：依正常流程整理自動功能

把車門操作想成「列車停妥並允許開門 → 開門 → 保持開啟 → 關門並確認鎖閉 → 允許列車行駛」，逐步列出控制與安全功能。

基本自動功能

• 停車及開門側選擇：列車停妥後，系統依停靠月台側及駕駛員操作，選定允許開啟的車門側，避免非月台側車門被開啟。
• 車門致能與開門控制：列車停妥且具備開門條件後，駕駛員或列車控制系統發出開門指令；各車門依控制指令開啟。
• 開啟到位及保持開啟：控制器確認門扇到達開啟位置後停止驅動，並依設定時間維持開啟，供乘客上下車。
• 自動或人工關門：停留時間終了或收到關門指令後，控制器驅動車門關閉。關門時可伴隨警示音或燈號，提醒乘客注意。