第一章 緒論
1.3 實驗規劃
圖 1.2：實驗規劃
圖 1.2 為實驗規劃流程圖，為動力系統及傳動系統之架構流程，由動 力系統開始架設，而後連結至傳動系統、配置油壓系統迴路，最後使用電 磁閥來控制整個油壓系統，車輛完成後為線控車輛，是以電子訊號控制車 身動態。
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第二章『文獻回顧』：描述油壓傳動技術與油電複合動力車發展的回顧。
第三章『油壓傳動系統』：對於車輛傳動系統的設計方法、傳動方式及 動力的計算方式。
第四章『複合動力系統』：說明油電複合動力的種類以及電動馬達及引 擎的特性。
第五章『實驗結果』：針對實驗規劃的系統組裝後測試的結果及探討造 成理論與實際產生差異的原因。
第六章『未來研究方向』：針對可改良的部分提出具體改良的方法以及 提出新的油壓傳動設計方式。
第二章 文獻回顧
2.1 油電動力複合車發展回顧：
一八九九年，斐迪南‧保時捷製造出第一輛混合動力的車輛，而大量生 產的混合動力車則要在二十世紀九零年代才出現，HONDA、福特、賓士、保 時捷等國際汽車大廠都有開發油電混合車，但 TOYOTA 的開發最為成功，於 七零年代即發表了第一台整合引擎和電動馬達的汽車(S800/Century)。
80 年代開始研究電動車的實用性，並為第一款可大量生產 HYBRID 的車款做 準備。90 年代，二氧化碳的過量排放，已被視為引起全球溫室效應的主要 因素之一，促使 Toyota 加速研究 HYBRID 汽車的可行性，更奠定 Toyota 生 產 HYBRID 車輛的研究方向。1997 年 Toyota 發表了第一代 Prius，全世界 第一台正式量產的 HYBRID 車輛，提供優異的排放表現。第一代 PRIUS 的研 發以環境保護為優先。
第二代則以 HSD 油電複合動力為基礎，根據經濟部能源局公布的車輛油耗 指南，平均每公升汽油可行使 24.7 公里[3]，比傳統汽油車的油耗量節省 50%，並能完美切換汽油及電力兩種動力，提供更大爆發力。電動馬達的最 大扭力為 40.8 kgf-m[2]，若與引擎配合則高達 48.7 kgf-m[2]，且 0~100 km 加速只要 10.9 秒[2]，在排氣方面，Prius 的 CO2 排放量為 104 g／km[2]。
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2.2 油壓技術回顧：
1650 年，法國人帕斯卡(Pascal)首先提出了靜止液體中壓力傳遞 的基本規律──帕斯卡定理，為液壓傳動奠定了理論基礎[5]。1795 年，英
優點：
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第三章 油壓傳動系統
3.1 油壓傳動系統：
為了使引擎的轉速可以與車速匹配，引擎輸出動力必須經過齒輪變速
箱。在低速時轉換成大扭力低轉速以利加速，在高速時轉換為高轉速以響 應車速。換檔時必須借助離合器，自排的車輛另外還需加裝扭力轉換器，
以將引擎的動力平順的傳送到自排變速箱，傳動的部分是以鋼鐵作為傳動 軸，經由齒輪轉換方向到各輪傳動軸帶動輪胎，過彎時內輪與外輪因為半 徑不同，內、外輪速度要保持相同，必須要裝設差速器，如此一來，車重 將會造成引擎的負擔，所有迴轉的部件都有慣性力，在高速時會大幅的降 低傳動效率，部件齒輪間的接觸點也會有摩擦力的損失。實作車輛將改裝 成油壓傳動系統，可將離合器、變速箱、扭力轉換器由一鋁板介面取代，
僅需裝設油壓幫浦、油管、作動閥及油壓馬達。
3.2 油壓迴路規劃:
圖 3.1:油壓迴路
為避免不必要體積與重量負擔，此油壓迴路設計以簡單方便配置為取 向，用以達到傳動為目的，探知實驗傳動結果，因而僅具有前進及空轉兩 檔位功能。
3.3 油壓傳動元件：
油壓迴路系統一共僅使用六個元件，其中四個動力元件，兩個方向控 制元件，四個動力元件中兩個作為油壓泵使用、兩個作為油壓馬達使用，
容積皆為 24.6(c.c/rev)，方向控制閥通電時為雙通，在空轉檔位使用，不 通電時為封閉，在前進檔位時使用。油壓泵的最大工作壓力為 210
(kg/ )，扭力為 6.64(kg-m)，如需加強扭力需使用高壓油壓泵再經過變 速方能提升油壓傳動系統之扭力。
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3.4 行星變速齒輪：
行星齒輪組如圖 3.2，由外齒環、行星輪、太陽輪及將行星輪連結在 一起的行星架所構成，其中外齒環、行星架或太陽輪都可輸入軸或輸出軸，
在此三部件都不固定的情況下為空轉狀態，如外齒環或太陽輪其中任一固 定，則能產生一固定傳動比，例如：以太陽輪為輸入軸，行星架為輸出軸，
在外齒環固定時，即能產生一固定傳動比，是故一個行星齒輪可以有兩個 傳動比。
此元件的設置可使油壓傳動系統的扭力提升三倍。在油壓馬達輸出與 輪胎傳動軸之間，裝設一行星齒輪減速座，將油壓馬達的輸出動力固定於 行星架，使用 2：1 的太陽輪與行星輪的半徑比，達到 3：1 的減速比(如圖 3.2)。
圖 3.2：行星齒輪組 下列算式證明太陽輪轉速三倍於行星架：
：太陽輪轉速 行星輪轉速
：行星架轉速 證明： ＝3
＝2 (2.1) 2 (2.2)
（2.1）代入（2.2）後可得
2
故
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又 ( ) (2.3) (2.3) 整理後
將(2.1)代入後，可得 ＝3
圖 3.3 為裝置在車輛上的行星齒輪座。
圖 3.3：行星齒輪座
3.5 鋁板介面：
圖 3.4：鋁板介面元件配置
電動馬達最高工作轉速為 1200RPM、油壓泵最高工作轉速為 3000RPM 及 引擎設定最大工作轉速為 8000RPM，為使兩動力源之間與油壓泵轉速能夠搭 配，因而設此三層鋁板作為搭配介面，其間裝設變速齒輪、離合器、油壓 缸、固定間距用鋁塊、鏈條及鏈條緊迫器。根據引擎、電動馬達及油壓泵 的最大轉速，設定齒輪比為 8000：1200：3000，第一個區間為引擎搭配電 動馬達的變速介面，齒輪比為 6.67：1，第二個區間為電動馬達搭配油壓泵 的變速介面，齒輪比為 1：2.5。
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3.5.1 離合器：
圖 3.5：離合器
其使用方式為在第二層與第三層鋁板間，使用一傳動齒輪，不接合時，
僅馬達單獨出力，接合時則協力推動車輛，其接合推力是靠油壓缸推動傳 動齒輪使其接合，其運作方式為;在馬達與引擎轉速能配合時，經由通電打 開離合器電磁閥，手動壓下一端之油壓缸，將油之壓力推動另一端之油壓 缸，將傳動齒輪推進第二層鋁板，則可接收來自引擎的傳輸動力，達成引 擎與電動馬達共同出力。中間部分即為離合器咬合時的接觸面。
3.6 理論值計算：
最高馬力 32hp/10500rpm 最大扭力 2.4kg-m/8500rpm
表 3.1：引擎規格表
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0.0002~0.001 Railroad steel wheel on steel rail 0.010 to 0.015 Ordinary car tires on concrete 0.02 Car on stone plates
0.03 Car/bus on tar/asphalt
表 3.4:各種路面之滾動摩擦係數[1]
3.6.2 車輛啟動所需之最小輪扭力：
由表 3.4[1]得知一般路面滾動摩擦係數μ為 0.03；車重 W 為 500kg；
車輪半徑 r 為 0.315；F 為輪胎與地面的摩擦力； N 為單位力量牛頓；T 為 扭力
W=mg=500∙9.81=4905(N) F=μW=147.15(N)
T=F∙r=46.35(N-m)=4.725(kg-m)
3.6.3 油壓系統之輪扭力計算：
因電動馬達可在低轉速時發揮扭力特性，故設定時速 0～20km/h 時，
由電動馬達獨自推動車輛，至時速 0～20km/h 後，引擎介入扭力輸出，共 同出力至最大時速 120 。
3.6.3.1 起步時之輪扭力：
油壓幫浦扭力為 6.64(kg-m)，電動馬達所提供扭力為 10(kg-m)經由 升速 2.5 倍降為 10 =4(kg-m)，又行星齒輪減速比為 3：1，故輪扭力 為 3=12(kg-m)。
而 12 (kg-m) 4.725(kg-m)，油壓傳動系統動力可順利推動車輛。
3.6.3.2 引擎動力介入後之扭力計算方式：
引擎扭力輸出最大值為 2.4kg-m，經由變速齒輪減速 6.67 倍後扭力提 升為 16kg-m，混合電動馬達動力後扭力為 16+10=26kg-m，再升速 2.5 倍後，
扭力降為 10.4kg-m，推動油壓幫浦後再經由行星變速齒輪可將扭力提升至 31.2kg-m，此值為此台車設計的最大扭力輸出值。
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3.6.4 輪胎與地面的最大抓地力計算：
輪胎與地面的動摩擦係數設為 0.8：
F=μW=0.8 500 9.81=3924(N)
故摩擦力 F 大於 3924(N)時才有可能產生打滑。
120 =120 =33.3
此時引擎動力介入，輪扭力值：T=31.2kg-m
摩擦力：F=
=
=971.66(N) 20~120 1.94 17.18 286.3 505~3032 253~1200 1695~8000表 3.5：動力理論值計算
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第四章 複合動力系統
所謂的複合動力車，2003 年聯合國將「複合動力車」的定義規定如下：
為了推動車輛的革新，至少擁有兩個能量變換器和兩個能量儲存系統的車 輛稱之[2]。
4.1 混合動力系統的種類：
HYBRID 系統可分成三個主要種類，包括：
4.1.1 混聯式混合動力[2]：
圖 4.1.1：混聯式動力系統[2]
利用電動機和發動機來驅動車輪，並可用發電機來發電及自行充電。
混聯式系統(Series Parallel HYBRID System)，使用電動馬達、引擎、或 兩者同時運作為動力來源。由於混聯式系統已把發電機整合在內，因此系 統可根據行車狀況，在行駛中同時為 HYBRID 電池充電[2]。
系統的基本的組分包含(1) 電動馬達 (Electric Motor)；(2)引擎 (Petrol Engine)；(3)發電機 (啟動馬達) (Generator)；(4)動力分配系統 (Power Split Device)；(5)電力控制系統 (Power Control Unit:
inverter/converter)；(6)HYBRID 電池 (Nickel -Metal Hydride
Battery)；(7) 減速齒輪軸(Regenerative Braking System)。動力分配裝 置 (Power Split Device) 除了可將部分引擎所產生的動力驅動車輛，更 可把剩餘的動力轉換成電能傳送至電動馬達、發電機為 HYBRID 電池充電
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4.1.2 串聯式混合動力[2]：
圖 4.1.2：串聯式動力系統[2]
使用電動機驅動車輪，電動機的電力來自發動機。
串聯式混合動力系統利用發動機動力發電，從而帶動電動機驅動車輪。其 基本結構是由電動機、發動機、發電機、HV 蓄電池、變壓器組成。由一個 小輸出功率的發動機進行准穩恆性運轉來帶動發電機，直接向電動機供應 電力，或一邊給 HV 蓄電池充電一邊行駛。
由於內燃發動機的動力是以串聯的方式供應到電動機，所以稱為「串聯式 混合動力系統」[2]。
4.1.3 並聯式混合動力[2]：
圖 4.1.3：並聯式混合動力系統[2]
用電動機和內燃發動機來驅動車輪，用發動機來給 HV 蓄電池充電。
並聯式混合動力系統使用電動機和發動機兩種電力來驅動車輪。其基本結 構是由電動機、發動機、HV 蓄電池、變壓器和變速器組成。
並聯式混合動力系統中利用 HV 蓄電池的電力來驅動電動機。因電動機兼用 為發電機，所以不能一邊發電一邊用來行駛。
動力的流向為並聯，所以稱為「並聯式混合動力系統」[2]。
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4.2 電動馬達與引擎扭力特性：
引擎與電動馬達之扭力特性不同，引擎在低轉速時扭力低，而電動馬 達在低轉速即能發揮其扭力特性如圖 4.7[8]，到高轉速時因反向電動勢的 作用降低電動馬達在高轉速的效能，而引擎在高轉速時卻能發揮其扭力特 性如圖 4.6[7]，引擎與電動馬達恰好能互補雙方的缺點。
圖 4.2：引擎特性圖 [8]
圖 4.3：電動馬達特性圖[7]