1-1 前言
近代能源的使用與耗竭一直是全球關注的焦點，儼然能源的使用效率成為世 人必須正視的課題，再還沒發現與挖掘更多新能源與舊能源前，唯有依賴現代科 技提升能源的使用效率，減緩能源危機的到來。目前國際各研發機構與汽車大廠 都積極研發潔淨能源，而發展之餘對於傳統引擎車的效率提升依然並行著，仍然 是研發重點。
當能源開採出來之後，到呈現效果在車輛速度表現上，共歷經了三段的能量 轉變步驟[1]：“well-to-tank”、“tank-to-vehicle”及“vehicle-to-miles”，如圖 1-1。
well-to-tank：指自然界開採出來之能源，如石油等，經加工轉變成另一型態的能 量儲存裝置過程，如汽油、柴油等。
tank-to-vehicle：指車輛動力系統消耗能量儲存裝置產生動能之過程。
vehicle-to-miles：指動力系統輸出動力，使車輛有速度、加速度的表現的過程。
在經歷每一段轉換的過程能量都會產生損失，因此提高能量的使用效率就能 減少能量的消耗。“well-to-tank”與“vehicle-to-miles”階段不為本研究之重點，而將 針對“tank-to-vehicle”著手，以改善能量的使用效率。
希望調整動力系統的燃油特性來提升“tank-to-vehicle”的效率，改善方法如 下[2]：
改善動力元件效率
改善傳動系統效率
選擇適當的動力元件大小
使用適當的傳動系統
適當的行車控制
以上方法中，前兩項系統效率之改善，不為研究重點，後三項為動力系統之 匹配，本研究將著重於使用適當的傳動系統，由引擎匹配出適當的變速箱速比，
使車輛能源使用更有效率。近年各大車廠對於效率優化的方法，導向變速箱速比 的擴張，一方面以擴張總變速比，使車輛提升性能與油耗，另一方面增加檔數，
希望更有效的使引擎操作在高效率區間，使能源能更有效的被利用。可見速比的 設計有相當的影響力，故本研究將致力於速比的設計與規劃，期望透過引擎設計 規劃合適的速比，以改善效率的問題。
圖 1-1 能量轉變結構圖[1]
1-2 文獻回顧
本研究主要是藉由探討變速箱參數的設計與規劃，對動力系統輸出與操作區 間的影響，並整理與歸納變速箱速比之規劃方法。下列將分別對變速箱發展與齒 輪變速箱，簡單介紹相關文獻。
變速箱發展
在2001 年，ZF Friedrichshafen AG 發表了世界上第一顆六速自動變速箱，隨 著時代的變遷對於能源與空汙備受重視，於2009 年產出了全新的八速自動變速
除了ZF Friedrichshafen AG 之外，TOYOTA、GM、FORD、HONDA 與 Mercedes-Benz 等車廠，也紛紛發表更多速的自動變速箱。TOYOTA 在 2007 年到 2017 年，推出了三個八速[5-7]與一個十速自動變速箱[8]，依然藉由擴寬總變速比 以取得更好的性能與油耗表現。Mercedes-Benz 於 2013 年首次車輛搭載其全新的 九速自動變速箱。在這趨勢下，更有大廠合作開法全新自動變速箱，如GM 與
PORSCHE 的八速 PDK(Porsche Doppel Kupplungen)與 HONDA 的九速雙離合變速 箱。
齒輪變速箱
齒輪變速箱的研究後期多為速比調整、控制策略及換檔方式的改善等，包含 手動變速箱、自動變速箱及雙離合器變速系統等。以下將以齒輪構成之有段變速 箱作介紹。
1981 年 Martin 分別就私用車及商用車，介紹車輛變速箱減速比規劃方法，
[10]。Singh 等人以維持車輛動力性能，發展出一減速比規劃方法及其計算公式，
為使換檔過程更平順[11]。而 Hassan 將現有常用之減速比規劃方法做分類介紹，
並以最小化換檔動力落差進行最佳化設計[12]。2009 年陳盈秀使用匹配的方式分 析傳統引擎車之動力系統，探討各檔速對車輛油耗之影響[13]。廖芳儀依照電動 大客車駕駛型態進行速比設計與評估[14]。控制方面，Yin 等人將動力表現及油耗 表現配置權重比例，設計規劃變速箱換檔時機之方法[15]。Chana 等人研究不同 檔數的變速器對於車輛性能與效率的影響[16]，Porter 研究不同功率大小的引擎與 有段式變速器搭配後車輛特性的變化[17]。Thring 評估不同變速裝置與引擎作匹 配後，對於車輛性能、油耗、成本等影響[18]。
從文獻回顧裡，發現許多針對傳統引擎車動力系統之研究，除了有動力系統 的匹配、傳動系統速比與檔數設計，還有換檔控制策略與動力系統搭配後車輛特 性。少有只針對現有變速箱速比的規劃與設計進行分析研究，故本研究將以速比 為主軸進行發展。
1-3 研究動機與目的
車輛動力系統主要是根據車輛性能、效率與空汙等需求進行設計與規劃。在 動力系統匹配下，需要依據動力源進行傳動系統之設計與匹配，再透過控制讓系 統操作更有效率，故想改善“tank-to-vehicle”的表現，傳動系統的設計很重要，因 為控制系統是建立在動力源與傳動系統已確定的情況下，傳動系統設計不佳，只 依賴控制難以彌補，故速比設計對後續的控制與油耗表現有重大的影響。而在文 獻中可以發現變速箱檔數與總變速比不斷的在變多與變寬，速比的設計是關鍵，
希望透過分析了解其設計需求與極限。
目前所見的相關文獻中，較少有單純透過速比收集進行數據分析，並擬定一 套明確的設計方法。本研究將透過對各變速箱速比規劃進行數值分析，並且歸納 與整理，找出車廠對速比的設計參數，再對參數進行車輛模擬分析，最終訂定一 套完整的速比設計程序，可依照需求進行調整。
1-4 研究方法與步驟
研究將使用MATLAB 建立簡單的數值分析，分析速比規劃的方式，歸納出 規劃型態，針對關鍵檔位進行觀察分析，找出設計共通點。接著透過車輛模擬軟 體ADVISOR 為工具，首先分析傳統引擎車的變速箱換檔時機、檔數及引擎性能 特性的影響，接著分析歸納之型態與參數對車輛油耗的影響。後續MATLAB 建 構車輛加速模型，對歸納之型態與參數進行性能分析。最後利用歸納之型態、油 耗與性能分析結果擬定速比規劃設計之方法。
1-5 論文架構
本研究之各章節大綱如下：
第一章：緒論，討論研究背景與目的，以及研究步驟與論文架構。
第二章：介紹本研究使用的理論基礎，包含車輛傳動系統、變速箱原理及傳統引 擎車輛速比規劃方式、換檔策略與車輛力學，最後為車輛燃油消耗說明。
第三章：分析市面上的極多速變速箱的速比規劃，找出相似之處並歸納出規劃型 態，接著對傳動系統與引擎匹配進行分析。
第四章：極多速變速箱之速比設計，針對小客車之行駛特性，設計項目包含速比 與換檔策略。
第五章：介紹數值模擬方法以及模擬所使用之軟體，並將歸納之型態與參數對車 輛油耗與性能進行分析。
第六章：極多速變速箱速比規劃設計之應用與評估。
第七章：研究總結，討論未來可進一步探討的方向。