4-1 H-TD 之機構實體化
本章節延續第三章之討論，將以選出的構型1-1 作為基礎，並且根據齒輪傳動 之規則，將前述探討的H-TD 力學模型轉變成實體機構。
首先，本研究設定除了行星齒輪組之外，本系統其餘之動力傳遞增減速機構皆 將以外齒輪對實現，對於外齒輪對來說，若需達成數值為負的減速比，則必須以1 或3 或 5 等等奇數個外齒輪對互相嚙合來完成。例如若要實現減速比−3，則可選 用 2 個相同模數，且齒數相差三倍的外齒輪互相嚙合來達成，或亦可選用 4 個相 同模數，且末端齒輪（輸出端）齒數為前端齒輪（輸入端）齒數之3 倍，而中介之 兩惰輪齒數可任意選配的方式達成；反之，若需達成數值為正的減速比，則必須以 2 或 4 或 6 等等偶數個外齒輪對來完成，例如若要實現減速比為 2，則可選用 3 個 模數相同，且末端齒輪（輸出端）齒數為前端齒輪（輸入端）齒數2 倍的，或亦可 選用5 個相同模數相同，且末端齒輪（輸出端）齒數與前端齒輪（輸入端）齒數 2 倍，而中間一惰輪齒數可任意選配的方式達成，另外當減速比設定為正值且為1 時 則相當於輸入與輸出桿件同步轉動，則可直接將輸入與輸出桿件連接，而不需要齒 輪對的加入。
接下來，將依序把機構組合成所求之扭力分配系統，第一步先將合併點桿件，
也就是桿件③（差速器行星架）與桿件⑦（行星齒輪組行星架）直接接合成一體同 步轉動，根據這樣的設定，令行星齒輪組與桿件①（左輪軸）互為同軸機構，也就 是說，左輪軸將通過行星齒輪組之軸心。根據以上描述，可繪製機構圖如圖 4-1。
圖 4-1 H-TD 機構實體化(1)
接下來，關於離合器之部分，為了有效利用空間以減少H-TD 所佔的體積，此 處設定離合器本體為與桿件②（右輪軸）同軸心之桿件，也就是說右輪軸將通過離 合器的旋轉軸心而並不與其直接連接。而為了實體化離合器部分的傳動機構，必須 先行討論𝑅𝑐1（離合器至右輪軸之減速比）、𝑅𝑐2（離合器至行星齒輪組環齒輪之減 速比）此二機構減速比的數值正負情況，以決定所使用的外齒輪數量。
為了容易控制車輛動態，我們希望H-TD 於扭力向左或向右導引時，兩輪軸可 以得到大小相等方向相反的扭力變化。依據式(3.44)所得左右輪軸於扭力向左、右 導引時兩輪軸之扭力差值，可知我們希望扭力向左導引時，左右輪軸分別獲得等效 導引扭力∆𝜏𝑇𝑉,𝑙、∆𝜏𝑇𝑉,𝑟如下：
∆𝜏𝑇𝑉,𝑙 =1
2× 𝑅𝑐1× 𝜏𝑐 (4.1)
∆𝜏𝑇𝑉,𝑟 = −1
2× 𝑅𝑐1× 𝜏𝑐 (4.2) 而扭力向右導引時，左右輪軸分別獲得等效導引扭力∆𝜏′𝑇𝑉,𝑙、∆𝜏′𝑇𝑉,𝑟如下：
∆𝜏′𝑇𝑉,𝑙 = −1
2× 𝑅𝑐1× 𝜏𝑐 (4.3)
∆𝜏′𝑇𝑉,𝑟 = 1
2× 𝑅𝑐1× 𝜏𝑐 (4.4) 參考表 3-4 即可知，若需符合式(4.1)～(4.4)，機構間之減速比必須符合以下關 係：
𝑅𝑐2
2 ×𝑟8+ 𝑟5 𝑟8 =1
2𝑅𝑐1 (4.5)
且因𝑟5、𝑟8皆為正值，可知𝑅𝑐1、𝑅𝑐2必須正負同號才能滿足條件。
由於離合器必須與右輪軸同軸，在𝑅𝑐1為正值的情況下，因此可知離合器與右 輪軸的連接有直接接合（減速比為 1），如圖 4-2(a)；或是加上第二根平行軸，再 另外以偶數個外齒輪對減速之可能，如圖 4-2(b)以 2 個外齒輪對為例。至於𝑅𝑐1為 負值的情況，須以奇數個齒輪對減速，則必須至少以 3 個外齒輪對搭配一平行軸 才能完成，較複雜且不實際。因此可知設定𝑅𝑐1為正值是較合理的選擇。再考慮到 離合器所需占用之體積，以及右輪軸本身的等效轉動慣量，將會發現若採用圖
4-2(b)之配置，在離合器脫開的狀況下，右輪軸連帶必須帶著 4 個多餘的齒輪進行 轉動，右輪軸之等效轉動慣量將會提高，且多出來的平行軸與齒輪機構可能限制離 合器的空間，因此這裡選擇圖 4-2(a)之配置，而可得到圖 4-3 的機構配置。
(a) (b) 圖 4-2 離合器機構配置示意圖
圖 4-3 H-TD 機構實體化(2)
在𝑅𝑐1為正值的情況下，可知𝑅𝑐2亦須為正值，考慮減速比不等於1，且根據圖 4-3 可以發現離合器與行星齒輪組之環齒輪分別位於差速器左右的輸出輪軸上，因 此推論外加一平行軸並且利用2 個外齒輪對減速，便可完成減速比𝑅𝑐2為正的設計 要求，如圖 4-4。
圖 4-4 H-TD 機構實體化(3)
最後討論𝑅𝑀𝐺（馬達與行星齒輪組太陽齒輪之間的機構減速比）的部分，此處 同樣因節省空間而設定馬達與左輪軸同軸，接著因𝑅𝑀𝐺數值正負對於系統之扭力分 配功能並不造成影響，因此較為簡便的減速比設計可為由馬達直接帶動太陽齒輪
如圖 4-5(a)，或是外加一平行軸，並且以 2 對外齒輪對進行減速如圖 4-5(b)，基於 節省空間以及降低機構複雜度之理由，選擇以圖 4-5(a)之配置實現馬達減速比𝑅𝑀𝐺。
(a) (b) 圖 4-5 馬達減速機構配置示意圖
另外再依照設計要求於行星齒輪組之環齒輪加上一煞車裝置，最後可得到如 圖 4-6 所示之機構作為 H-TD 之可行性設計，以功能動力圖表示如圖 4-7。
圖 4-6 H-TD 機構實體化(4)
圖 4-7 H-TD 功能動力圖
4-2 H-TD 之操作模式與模式切換邏輯
接下來，為了有效達成本研究設定之混合動力以及扭力分配功能，本小節將說 明此系統的各種操作模式，以及系統之模式切換策略。
首先說明系統之混合動力模式（Hybrid mode），車輛於起步、加速、或者巡航 期間，為了增加動力系統扭力、功率之輸出、或是調節系統動力使引擎於燃油效率 較佳之運轉區間運作，則可由本系統之輔助馬達提供額外的動力，參考圖 4-8，此 模式下，須將離合器（C）脫開，並且將環齒輪之煞車裝置（B）接合，此時環齒 輪將靜止不動，而行星齒輪組形成一減速機構，使得馬達可輸出動力（圖中藍色箭 頭），經由減速並與主動力源之動力（圖中紅色箭頭）形成混合動力；另外當混合 動力減速時，同樣保持離合器脫開，煞車接合，此時馬達將轉變為發電機之功能，
對差速器施以一減速阻力使車輛減速，並且將動能轉換為電能回充至車輛之電能 儲存裝置，此一功能不僅回收動能為電能，更可降低車輛之煞車負載，有效減少煞 車系統之磨耗並延長工作壽命。
圖 4-8 混合動力模式動力流示意圖
另一方面，當車輛需要扭力分配之功能時，系統此時將切換至扭力分配模式
（Torque vectoring mode）。參考圖 4-9，此模式下，煞車脫開、離合器接合，同時 視行駛狀況將扭力導引至左或右輪軸，根據表 3-4，可知，若要將扭力導引至左側 輪使左側輪獲得加速之扭力（如圖 4-9 所示之狀況），則此時馬達需提供+𝑦方向之 扭力，反之須將扭力導引至右側輪時，馬達則提供−𝑦方向之扭力輸出。
圖 4-9 扭力分配模式動力流示意圖
考量到上述混合動力模式與扭力分配模式的切換過程，並且參考圖 4-6，將會 發現若系統由混合動力模式切換至扭力分配模式的過程中，環齒輪、傳動平行軸、
以及離合器皆必須由靜止開始轉動，此時離合器之兩接合端將存在一轉速差，且此 轉速差隨著右側輪轉速越高而越大，於接合過程中系統將出現能量以及離合器摩 擦片之耗損，且因本系統之扭力分配功能必須於離合器完全接合後才能發揮最大 作用，當離合器兩端轉速差越大時也將使離合器完全接合之時間拉長，進而影響系 統之反應時間。
為因應此一問題，這裡進一步提出一種系統處於混合動力模式以及扭力分配 模式之間的狀態，並稱為中介模式（Intermediate mode），參考圖 4-10，設定當系 統處於中介模式時，煞車脫開、離合器也脫開，此時馬達則隨時調整轉速，使得離 合器兩端保持相同之轉速，待需切換至扭力分配模式時，離合器即可以較低之磨耗 以及較小的能量損失完成接合，同時亦可降低系統由混合動力模式切換至扭力分 配模式之反應時間。
圖 4-10 中介模式動力流示意圖
接著將討論H-TD 的各種操作模式之間之切換邏輯，根據上述討論可以知道，
系統在混合動力模式與扭力分配模式之間的切換將因為煞車的作動以及離合器的 同時作動而出現系統反應時間上的延遲，因此本研究提出中介模式作為兩模式之 間的緩衝。而應用時實際車輛上時，將必須考慮車輛當下之行駛狀況切換操作模式 並且決定模式切換之時機，本研究於此提出模式切換策略的參考。
首先，因為中介模式切換至另兩種模式的作動元件皆僅有一個，反應時間皆較 短，因此本研究設定使中介模式為H-TD 系統之常駐模式，也就是說，當系統並不 需要扭力分配以及混合動力的情況下，系統將自動切換到中介模式運作，也就是馬
達必須常時運作，保持離合器之轉速與右輪軸同步，待需要扭力分配或混合動力之 時機，再分別切換至兩模式。
另一方面，系統處於混合動力或扭力分配模式時，當系統判斷並不需再進行當 下之功能，系統將自動切換回中介模式。而若當下處於混合動力模式但系統判斷必 須立即切換至扭力分配模式，則此時系統必須首先將煞車脫開，再將離合器接合，
並且以較長的反應時間切換至扭力分配模式，反之系統若處於扭力分配模式但必 須立即轉換至混合動力模式時，此時系統則必須首先將離合器脫開，再將煞車接合，
並且切換至扭力分配模式。將上述之模式切換策略以圖像化表示，可參考圖 4-11，
圖中虛線箭頭表示當下之邏輯判斷，實現箭頭則表示系統元件的物理切換。
圖 4-11 H-TD 操作模式切換邏輯示意圖
4-3 H-TD 之設計參數設定
完成 H-TD 之機構實體化以及操作模式設定後，本小節將詳細說明如何進一 步以最佳化方法設定H-TD 中的設計參數。首先將推導 H-TD 於各種操作模式下的 系統動態方程式，接下來說明最佳化的想法後，設定最佳化目標函數與限制條件後 得到結果，最後說明如何根據實際車輛之動力設計需求，決定動力元件（馬達、離
完成 H-TD 之機構實體化以及操作模式設定後，本小節將詳細說明如何進一 步以最佳化方法設定H-TD 中的設計參數。首先將推導 H-TD 於各種操作模式下的 系統動態方程式，接下來說明最佳化的想法後，設定最佳化目標函數與限制條件後 得到結果，最後說明如何根據實際車輛之動力設計需求，決定動力元件（馬達、離