汽車設計　申論題歷屆試題與參考架構

（一）車輪定位（wheel alignment）的目的為何？車輪定位不正確有何影響？（15 分）

（二）試列舉與車輪定位調整程序有關的項目（至少六項） ，並加以說明。（10 分）

（25 分）

試以圖解或理論推導說明車輛差速器的功能、原理與轉彎時的作動過程。（25 分）

（25 分）

已知車輛（柴油貨車）總重量 W=4120 kg，假設有 4 個前進檔，由引擎性能曲線得知轉速在 3600 rpm 時可達最高馬力 80 PS，而轉速在 2200 rpm時可達最大扭力 18.0 kg-m，輪胎有效半徑為 rw=0.4 m，傳動效率 ηt=0.9，μr=0.016，試求最高車速 Vmax=100 km/h，最大爬坡能力 tanθ=0.35 時之變速箱各組減速比 im 及最終減速比 if 值。 （25 分）

（25 分）

下圖所示為傳動齒輪箱，齒輪 2 為太陽齒輪（齒數 T2=19） ，齒輪 3 為行星齒輪（T3=18），齒輪 4 為環齒輪（T4=55） ，另有行星架 5 介於齒輪 2與齒輪 3 之間。

（一）若齒輪 4 為主動件，行星架 5 為輸出件，且齒輪 2 固定，試分析 ω5/ω4 轉速比。 （10 分）

（二）若齒輪 2 為主動件，轉速 N2 為 3600 rpm，行星架 5 為輸出件，且齒輪 4固定，試分析輸出軸的轉速，並說明其旋轉方向（相對於輸入軸的轉向） 。（15 分）

（25 分）

某單位欲招標一個含齒輪箱與馬達的電動車動力包，根據電動車的性能需求，承辦單位所訂的招標規範為：動力包的輸出功率  320 kW，最大停阻扭力（Stall torque）  20 N-m，最高轉速  800 rpm。共有兩家廠商參與投標：甲廠商以一個 250 kW，最大停阻扭力 10 N-m，最高轉速 1600 rpm 的馬達搭配速比為 2 的齒輪箱參與招標。乙廠商以一個280 kW，最大停阻扭力 15 N-m，最高轉速 1000 rpm 的馬達搭配一個可換檔的二檔變速箱參與招標，其中一檔的速比為 2，二檔的速比為 1。

（一）請分別估算各家廠商的規格與招標規範的符合情形。（7 分）

（二）為了更符合電動車的使用性能目標，該招標規範可如何改善？（13 分）

（20 分）

有關汽車關鍵零組件的開發與生產，若某一精密閥活塞加工零件於研發階段已經完成其尺寸、材料、公差以及製程等規格之設計與驗證，可以進入量產開發程序。開發工程師於量產開發過程中，指定某一加工廠進行小批量試產 100 件，該活塞的外徑規格為 6.62  0.03 mm，這些加工件量測所得之外徑平均值 = 6.6204，標準差 s = 0.01356。

（一）針對這些試產件，工程師必須根據那些指標，評估該加工廠是否具備該零件的量產能力？請說明這些指標的意義以及計算的基本假設。（20 分）

（二）根據您所計算的指標值評估該工廠的製程能力。（5 分）

（25 分）

某四輪乘用車原車的重心高度為 550 mm，車主自行將原車規格為205/55R16 的輪胎更換為 225/60R18，試估算更換輪胎規格後，對整車的剎車性能、驅動力，以及側向抗翻能力的影響。請估算其變化比例，詳列估算方法（忽略輪胎與鋼圈更換前後的重量差異，以及懸吊之影響，亦即假設車體與底盤為剛體）。 （30 分）

（30 分）

為了因應環保法規，四行程汽油引擎利用三元觸媒轉換器降低 CO、HC、NOx 三種污染物的排放：

（一）配合觸媒轉換器，通常引擎在那些運轉條件，引擎控制器（ECU）將空燃比（A/F ratio）控制於理論空燃比 14.7（亦即以 14.7 為目標空燃比）？其主要原因為何？（8 分）

（二）引擎在那些運轉條件，控制器的目標空燃比並非該理論空燃比？主要原因為何？（8 分）

（三）控制系統根據什麼資訊（或訊號）將空燃比控制至符合目標值？（9 分）

（25 分）

車輛設計時最基本需考量到安全、能源及環保之需求，各國政府對此亦多有法規之要求，請說明我國政府對此三方面之法規要求各為何。（30 分）

（30 分）

車輛行駛時主要之阻力有那些？其各別影響之因素為何？請詳細說明。行駛於不同路況（市區道路、高速公路、定速行駛等）時車輛之馬力消耗約分配如何？（25 分）

（25 分）

有一商用車重W  100, 000 N，輪胎滾動摩擦係數為 f r  0.01 ，車輛風阻 係 數 Cd  0.80 ， 車 輛 正 投 影 面 積 A  7.0 m 2 ， 空 氣 密 度  1.228 kg/m 3 ，引擎傳到驅動輪之動力為 125 KW，若傳動系統匹配恰當，試估算：（每小題 10 分，共 30 分）

（一）車速 25 m/s 時之最大爬坡能力。

（二）在爬 1 比 20 之坡時之最大車速。

（三）在（二）狀況下，若驅動輪胎直徑 100 cm，請問由引擎傳送到驅動輪胎扭矩為若干？

（30 分）

煞車壓力比例閥（pressure proportional valve）主要功能為何？車輛煞車時，若前輪被鎖死（lock up） ，會有何現象？後輪被鎖死，會有何現象？在設計上，煞車力之分配應如何考量？（15 分）

（15 分）

設計前置引擎前輪驅動車（FF）與前置引擎後輪驅動車（FR）的前輪定位包容角時，各有何差異？試以圖示申論之。（25分）

（25 分）

在設計一輛汽車時，無論是任何一種型式的汽車，首先應考慮的事項有那些？試申論之。（25分）

（25 分）

在設計汽車引擎時，如何從一台四汽缸四行程引擎的進氣歧管（intake manifold）外觀，來區別該進氣歧管是適用在低速、中速和高速引擎的進氣系統上，試以圖示申論之。（25分）

（25 分）

試以圖示申論，車輛剎車時，為何會發生車頭下沉及車尾上揚之趨勢？欲解決此趨勢的發生如何設計汽車？（25分）

（25 分）

利用四氣體分析儀檢測一部 1600 c.c.四行程汽油引擎的使用中汽車，該汽車已經使用 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的檢測結果為：CO = 0.02%，HC = 3 ppm，CO2 = 4.2%，O2 = 10.5%。乙檢驗員重新檢測卻得到不同的結果：HC = 232 ppm，CO = 0.32%，CO2 = 13.2%，O2 = 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？（25 分）

（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？若一部之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。（25 分）

（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.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？（25 分）

（25 分）

某單位欲採購電動遊園車，滿載車重 2000 kg，輪胎半徑 0.4 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，靜止起步最大加速度≥ 0.1 m/s2。採購時，承包商所選配的動力系統規格為：減速箱齒比 8，減速箱效率 0.95，馬達為無刷直流馬達，選用市面既有的規格，如下表所示：輸入 額定輸 額定 最大 額定 最大 額定 最大電壓 出功率 轉矩 轉矩 轉速 轉速 電流 電流48 V 5000 W 7.2 Nm 13 Nm 6500 rpm 7000 rpm 114 A 200 A假設該車輛所行駛路面之滾動阻力係數為 0.002，忽略風阻係數，並設重力加速度 g = 10 m/s2，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。（25 分）

（25 分）

就汽車設計而言，各零組件組裝時所需之公差（tolerance），以及配合度（fitting）的功能為何？請分別列舉實例及標示尺寸，並申述之。 （25 分）

（25 分）

試申述三種汽車車體結構，並以圖示表之，且註記其個別之中英文名稱及其適用之車種。（15 分）

（15 分）

試申述汽車傳動系統各機構之作用對汽車性能的影響。（30 分）

（30 分）

試以圖示說明，引擎波司（bushing）軸承的特徵及對防止汽車振動的功能。（30 分）

（30 分）

減少汽車自身質量是降低油耗最有效的措施之一，請敘述實現輕量化的手段，各種手段的優缺點，以及那種手段是最直接有效的方法。（15 分）

（15 分）

請比較汽油引擎車、油電混合動力車與電動車的效率（請列舉合理之效率值），並說明三種車對於排放的影響。（15 分）

（15 分）

請說明設計懸吊系統應滿足汽車的那些使用性能，並說明何謂獨立與非獨立懸吊系統及列表評價優缺點。（15 分）

（15 分）

下圖中是同樣一部車的外型，只是(a)車頭燈蓋向上打開(b)車頭燈蓋關閉(c)車頂打開(d)車子側窗搖下(e)車頂與側窗均打開(f)車頂與側窗均打開且車頭燈蓋亦向上打開。請依照空氣阻力係數的大小從低到高依序排列，並請大約估計每種不同改變造成空氣阻力提升的比例（例如，以+5%等的方式敘述） 。（15 分）(a) (b) (c) (d) (e) (f)全一張（背面）

（15 分）

評估車輛性能是汽車設計時很重要的步驟之一。汽車的加速性能可以用牛頓第二定律 F = ma 決定，其中 F 是作用於車子的牽引力， m 是車子的質量， a 為加速度。但考慮車子轉動組件（譬如車輪）對加速特性的影響，我們可以引入所謂的質量因子（mass factor）， γ m F − R = γ m ma其中 R 是作用於車子的阻力。 γ m 可以從下列轉動件的慣性矩（moment of inertia）來決定γ m = 1+ ∑ I w ∑ I i ξi2 + 2 2 mr mr其中 I w 是車輪的慣性矩， I i 是相對於驅動輪其他連結傳動系統的轉動件在齒比為 ξ i之慣性矩， γ 是車輪半徑。一部手排車的牽引力 F 與引擎輸出扭矩 M e 的關係為M eξ 0η t F= r其中 ξ 0 是某個檔位的整體減速比，η t 是傳輸效率。車速V 與引擎速度 N e 間之關係通常可以下式表示Ner V= (1 − i ) ξ0其中 i 是轉動齒輪間的滑差（slip），通常介於 2-5%之間。假設有一部重 21.24 kN（包括四個車輪）的手排車，每個車輪重 224.6 N，輪胎滾動半徑為 33 cm，且其迴轉半徑（radius of gyration）為 25 cm。假設引擎在轉速 3500 rpm下提供 325 N．m 力矩，其等效質量的慣性矩為 0.733 kg．m2，傳動系統在三檔時的整體減速比為 4.28 比 1，傳輸效率為 85%。本部車的輪胎滾動阻力係數為 0.02，空氣阻力係數為 0.38，迎風面積（frontal area）為 1.86 m2，空氣密度 1.23 kg/m3。請決定在平面路段本車在以上狀態下的加速度。（40 分）

（40 分）