有別於馬達(dá)屬於基礎(chǔ)電機(jī)設(shè)備之一，與之緊密相連的減速機(jī)向來(lái)被視為被動(dòng)元件。直到近10年來(lái)受惠於工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）造就無(wú)人工廠趨勢(shì)，才促使國(guó)際品牌大廠逐漸推陳出新智慧減速機(jī)，進(jìn)而滿足於電動(dòng)車生產(chǎn)及組裝階段追求節(jié)能減碳需求。

過(guò)去在傳統(tǒng)製造業(yè)使用的減速機(jī)，雖然都與機(jī)臺(tái)上的馬達(dá)、螺桿、連軸器等傳動(dòng)元件緊密連結(jié)，卻唯獨(dú)少了智慧監(jiān)測(cè)功能。一旦出現(xiàn)異常、發(fā)生未預(yù)期的損壞時(shí)，仍必須停機(jī)整組更換，額外增加維修時(shí)間與成本，且將影響產(chǎn)能而蒙受更大損失。

但在目前追求工業(yè)4.0趨勢(shì)下，臺(tái)灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產(chǎn)品，業(yè)者只能選擇透過(guò)傳統(tǒng)外掛加速規(guī)等感測(cè)器，來(lái)蒐集減速機(jī)振動(dòng)、溫度訊號(hào)。卻容易受限於現(xiàn)今要求高度彈性、嚴(yán)苛限制生產(chǎn)線空間的環(huán)境裡，設(shè)備與感測(cè)器若遭遇繞線問(wèn)題，恐難以發(fā)揮效能；加上業(yè)界仍缺乏無(wú)線監(jiān)測(cè)機(jī)制，所以必須保留足夠空間，才能供感測(cè)器24hrs長(zhǎng)期監(jiān)控與傳輸數(shù)據(jù)，未必適用於所有機(jī)臺(tái)設(shè)備。

工研院也在近年來(lái)配合經(jīng)濟(jì)部技術(shù)科專計(jì)畫(huà)，開(kāi)始發(fā)掘產(chǎn)業(yè)對(duì)於智慧減速機(jī)需求，進(jìn)而積極整合振動(dòng)感測(cè)器、智能診斷演算法及高精度減速機(jī)設(shè)計(jì)能量，成功發(fā)表內(nèi)嵌式無(wú)線量測(cè)智慧減速機(jī)系統(tǒng)。強(qiáng)調(diào)可透過(guò)WiFi傳輸感/量測(cè)數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)人工智慧（AI）分析，預(yù)測(cè)元件壽命；同時(shí)提供NVH振噪分析、CNC加工齒形修整與異形曲面研磨分析等相關(guān)技術(shù)服務(wù)。

圖1 : 在目前追求工業(yè)4.0趨勢(shì)下，臺(tái)灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產(chǎn)品，業(yè)者只能選擇透過(guò)傳統(tǒng)外掛感測(cè)器，來(lái)蒐集減速機(jī)振動(dòng)、溫度訊號(hào)。卻受限於現(xiàn)今要求高度彈性、嚴(yán)苛限制生產(chǎn)線空間的環(huán)境，未必適用於所有機(jī)臺(tái)設(shè)備。（source：gmauthority.com）

工研院打造設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)　確保減速機(jī)符合產(chǎn)業(yè)需求

目前旗下機(jī)械與機(jī)電系統(tǒng)所團(tuán)隊(duì)自研發(fā)航太等級(jí)齒輪起家，經(jīng)過(guò)逐步克服其繁瑣製程與嚴(yán)格規(guī)範(fàn)限制後，迄今已累積長(zhǎng)達(dá)30年以上的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)也配合政策，積極投入發(fā)展重車和電動(dòng)車所需精密車用傳動(dòng)系統(tǒng)、工業(yè)級(jí)減速機(jī)等，並將智慧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)目標(biāo)分為硬體設(shè)計(jì)、智能診斷驗(yàn)證兩類。

前者係針對(duì)行星齒輪機(jī)產(chǎn)品採(cǎi)取正向CAD設(shè)計(jì)，透過(guò)模擬分析選用的齒輪參數(shù)及軸承，並預(yù)估其耐久與壽命，在常用範(fàn)圍3,100rpm、負(fù)載81Nm情境下，可達(dá)到20萬(wàn)運(yùn)轉(zhuǎn)小時(shí)數(shù)。接著透過(guò)有限元素分析（Finite Element Analysis；FEA）技術(shù)，在主要接觸齒面加密齒部網(wǎng)格化模型，以提升分析準(zhǔn)確率，測(cè)試齒輪安全係數(shù)>1.2、在最大扭力下軸承損傷<14%。

後者則利用廠內(nèi)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備，打造高精度傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)模組動(dòng)態(tài)分析技術(shù)比對(duì)，來(lái)提升傳動(dòng)效率達(dá)97%以上；並導(dǎo)入齒形修整與系統(tǒng)模擬分析，提高傳動(dòng)精度達(dá)到背隙<4arcmin；同時(shí)搭配其UI介面，以即時(shí)量測(cè)時(shí)域頻率訊號(hào)、RMS值等數(shù)據(jù)，規(guī)劃驗(yàn)證智慧傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、次系統(tǒng)零組件的診斷可靠性及壽命耐久性分析，確保符合產(chǎn)業(yè)需求。

同時(shí)經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)分析最佳響應(yīng)點(diǎn)，才在減速機(jī)內(nèi)部埋設(shè)溫度、三軸加速規(guī)等感測(cè)器。其振動(dòng)感應(yīng)測(cè)試實(shí)際用於測(cè)臺(tái)上提高輸入軸轉(zhuǎn)速，再換算成頻率（Hz）訊號(hào)，可供即時(shí)偵測(cè)與儲(chǔ)存，讓使用者監(jiān)測(cè)初始和運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間過(guò)後的狀態(tài)。除了可用於內(nèi)部設(shè)計(jì)外，現(xiàn)也能對(duì)外提供測(cè)試服務(wù)項(xiàng)目，包含：傳動(dòng)效率、背隙、扭轉(zhuǎn)剛性、傳動(dòng)精度、空載阻力、最高轉(zhuǎn)速、最大扭力等，在減速機(jī)輸入/出端皆安裝高精度感測(cè)器。

在驗(yàn)證發(fā)展規(guī)劃（DVP）與測(cè)試技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目中，包含機(jī)構(gòu)、振噪NVH、效率、耐久、油溫等，並搭配不同測(cè)試臺(tái)與分析服務(wù)，引進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/模態(tài)分析功能；導(dǎo)入高精度研磨加工技術(shù)服務(wù)，藉以開(kāi)發(fā)高精度和高效率傳動(dòng)模組。工研院為了滿足精密零組件加工需求，現(xiàn)也引進(jìn)美國(guó)MOORE TOOLS的工模磨床（JG）、瑞士HAUSER的座標(biāo)搪床與Studer的萬(wàn)能內(nèi)外圓磨床和測(cè)臺(tái)，追求更高品質(zhì)的精密加工精度，執(zhí)行異型研磨工作。

圖2 : 工研院現(xiàn)也利用廠內(nèi)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備，打造高精度傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，透過(guò)傳動(dòng)模組動(dòng)態(tài)分析技術(shù)來(lái)提升傳動(dòng)效率、精度及可靠度，確保符合產(chǎn)業(yè)需求。（source：工研院）

業(yè)者導(dǎo)入無(wú)線監(jiān)測(cè)與服務(wù)　協(xié)助產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級(jí)加值

另經(jīng)由工研院開(kāi)發(fā)的迴轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備預(yù)兆診斷演算法，結(jié)合內(nèi)嵌式振動(dòng)感測(cè)器用於減速機(jī)上，分析其使用紀(jì)錄數(shù)據(jù)，找出內(nèi)齒輪磨耗與斷齒等故障樣態(tài)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)即時(shí)化、維護(hù)預(yù)測(cè)化、診斷智能化等功能。從而優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)，將大幅提升傳動(dòng)效率達(dá)98%以上等相關(guān)技術(shù)，可協(xié)助臺(tái)灣齒輪減速機(jī)廠自主開(kāi)發(fā)中高階智慧減速機(jī)，應(yīng)用於機(jī)械設(shè)備上，將有助提升自我檢修維護(hù)能力，預(yù)防非預(yù)期停機(jī)，提高產(chǎn)品附加價(jià)值。

工研院強(qiáng)調(diào)在減速機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，須務(wù)求符合ISO、AGMA、DIN、JIS國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)，以及Wittenstein、Neuqart等市場(chǎng)上歐日系同級(jí)產(chǎn)品技術(shù)。除了現(xiàn)已推出一般和臺(tái)灣首見(jiàn)的智慧（PG/IG）兩款減速機(jī)，具備低扭轉(zhuǎn)背隙（≦4arc-min）、高精度與高效率特性（>95%），搭配不同馬達(dá)型式、框號(hào)；並採(cǎi)取嵌入式感測(cè)元件設(shè)計(jì)，可透過(guò)WiFi無(wú)線傳訊，執(zhí)行快速、高採(cǎi)集率測(cè)量。且持續(xù)投入研發(fā)、設(shè)計(jì)製造RV減速機(jī)，經(jīng)過(guò)量測(cè)確保高精度達(dá)到背隙≦60arc-min（1弧分），並將擺線型少齒差減速機(jī)用於自動(dòng)導(dǎo)引車（AGV）。

因?yàn)榭赏高^(guò)Wi-Fi連網(wǎng)PC隨插隨用，優(yōu)於現(xiàn)今國(guó)際減速機(jī)品牌僅以有線通訊協(xié)定Profinet傳訊，或通過(guò)IO-link與PLC/PC溝通，將難以實(shí)現(xiàn)一對(duì)多監(jiān)控，且在臺(tái)灣難以改機(jī)。如今，業(yè)者已可透過(guò)無(wú)線傳輸、溫度、三軸振動(dòng)分析、齒輪與軸承異常診斷，方便即時(shí)監(jiān)測(cè)傳動(dòng)鏈狀態(tài)，從而瞭解減速機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況，以提前保養(yǎng)與維修，滿足工業(yè)機(jī)器人、加工設(shè)備等需求，並已導(dǎo)入場(chǎng)域驗(yàn)證。

再利用自主開(kāi)發(fā)符合IoT4.0規(guī)範(fàn)的資產(chǎn)管理資訊模型，可望提供設(shè)備製造商、使用手冊(cè)、出廠規(guī)範(fàn)和時(shí)間等資訊紀(jì)錄，通過(guò)Wi-Fi傳輸即時(shí)資訊，經(jīng)由手機(jī)設(shè)定ID接收、儲(chǔ)存運(yùn)轉(zhuǎn)資訊。進(jìn)而利用加速規(guī)，自動(dòng)判斷其是否運(yùn)轉(zhuǎn)，以及計(jì)算當(dāng)日/周間運(yùn)轉(zhuǎn)與總時(shí)間；搭配智能診斷演算法，自我定義異常上下限的警告訊息，來(lái)判斷、評(píng)價(jià)其運(yùn)轉(zhuǎn)健康狀態(tài)，或者可能磨耗、斷齒等項(xiàng)目的損壞機(jī)率，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多無(wú)人管理模式。

圖3 : 工研院現(xiàn)已推出一般和臺(tái)灣首見(jiàn)的智慧（PG/IG）兩款減速機(jī)，並採(cǎi)取嵌入式感測(cè)元件設(shè)計(jì)，可透過(guò)Wi-Fi無(wú)線傳訊，執(zhí)行快速、高採(cǎi)集率測(cè)量。（攝影：陳念舜）

放眼淨(jìng)零碳排發(fā)展　出力推進(jìn)電動(dòng)車靜音與模組化

此外，根據(jù)國(guó)發(fā)會(huì)在今年三月發(fā)表臺(tái)灣2050年淨(jìng)零碳排規(guī)畫(huà)階段里程碑，將追求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型運(yùn)輸部門2040年電動(dòng)車/機(jī)車市售比達(dá)到100%、市區(qū)公車要在2030年達(dá)成全面電動(dòng)化的里程碑。因此必須提升新車能效標(biāo)準(zhǔn)，逐步加嚴(yán)車輛碳排標(biāo)準(zhǔn)；補(bǔ)助加速開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)臺(tái)製電動(dòng)車，藉以實(shí)現(xiàn)製造在地化，滿足臺(tái)灣市場(chǎng)創(chuàng)新需求。

繼Tesla帶動(dòng)以軟體控制硬體的革新供應(yīng)鏈生態(tài)系之後，已讓電動(dòng)車零組件、規(guī)格主導(dǎo)權(quán)逐漸脫離傳統(tǒng)車廠供應(yīng)鏈或OEM代工廠掌握制定規(guī)格，促使其生產(chǎn)模式多元化，設(shè)計(jì)行銷與生產(chǎn)製造分離，包括科技大廠採(cǎi)取獨(dú)資/合資新建工廠、傳統(tǒng)車廠導(dǎo)入電動(dòng)車專用/其他車款共用生產(chǎn)線自製、新興車廠或零組件廠商委外製造等。未來(lái)勢(shì)將走向共用平臺(tái)的供應(yīng)鏈，促使模組化應(yīng)用越來(lái)越成熟，不同投資負(fù)擔(dān)及生產(chǎn)成本各有優(yōu)劣，也鼓舞新興產(chǎn)業(yè)跨足。

其中為了因應(yīng)電動(dòng)車減速回充將造成反向齒面負(fù)荷，減速機(jī)設(shè)計(jì)必須重新考量其耐久性；如何改善NVH（Noise噪音、Vibration振動(dòng)、Harshness粗糙度），以實(shí)現(xiàn)靜音化、輕量化等目標(biāo)也備受重視；進(jìn)而整合逆變器、馬達(dá)與減速機(jī)為一體式設(shè)計(jì)，除了可免除高壓三相電纜的使用成本，緊湊化與模組化更是考量重點(diǎn)。

尤其是在電動(dòng)車取消了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)之後，過(guò)去少被聽(tīng)見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪音開(kāi)始變得更為清晰。導(dǎo)致汽車廠必須對(duì)此進(jìn)行前所未有的嚴(yán)格檢討與分析，盡可能利用各種技術(shù)將NVH降至最低，讓車主獲得安靜舒適的駕馭環(huán)境。

由於現(xiàn)今減速機(jī)的齒輪與軸承、殼體、軸心搭配成為整體系統(tǒng)，將容易受到每個(gè)零件本體和組裝公差所形成的傳動(dòng)誤差（Transmission Error）影響，而形成齒輪嚙合漸開(kāi)線的偏移量，當(dāng)齒輪嚙合時(shí)變形產(chǎn)生的振動(dòng)將從軸傳遞到軸承座，再經(jīng)過(guò)軸承側(cè)壁傳遞至齒輪箱殼體；以及委外加工、組裝時(shí)，造成軸、齒輪變形量和公差而發(fā)出噪音，「齒形修整分析與研磨」，便是降噪要求的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

因此必須要先建立動(dòng)力學(xué)模型，產(chǎn)出載荷譜，搭載不同機(jī)種的載重及轉(zhuǎn)速、扭力、里程/時(shí)間；接著進(jìn)行系統(tǒng)接觸齒印分析，實(shí)際模擬判斷齒輪是否會(huì)有偏置而造成誤差、NVH等問(wèn)題，並加以改善修整齒型、導(dǎo)程參數(shù)等，以提高齒輪耐久性。

最後再將傳動(dòng)誤差分析與零件振動(dòng)NVH頻譜分析結(jié)果比對(duì)，從而得知滾齒機(jī)應(yīng)對(duì)於齒形修整量，達(dá)到齒印集中，降低NVH及傳動(dòng)誤差，避免崩齒。工研院強(qiáng)調(diào)：「齒輪修整並非單純是最佳化問(wèn)題，而是效益與成本的綜合考量。」該團(tuán)隊(duì)過(guò)去也曾與臺(tái)灣電動(dòng)機(jī)車大廠合作，藉以解決二代車被客訴傳動(dòng)系統(tǒng)太吵的問(wèn)題，促使齒形修整分析與研磨技術(shù)成為關(guān)鍵。

圖4 : 因應(yīng)電動(dòng)車零組件、規(guī)格生產(chǎn)模式持續(xù)多元化發(fā)展，未來(lái)勢(shì)將走向共用平臺(tái)的供應(yīng)鏈，促使模組化應(yīng)用越來(lái)越成熟。（攝影：陳念舜）

針對(duì)移動(dòng)載具聯(lián)網(wǎng)化與自駕化趨勢(shì)，傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)將有從單速轉(zhuǎn)入多速發(fā)展的趨勢(shì)，近年來(lái)國(guó)際傳動(dòng)大廠都相繼投入研發(fā)二速傳動(dòng)模組，並據(jù)此發(fā)展三合一動(dòng)力系統(tǒng)，以提升整車加速性能與極速，更能同時(shí)滿足電動(dòng)車在高速與高負(fù)載狀態(tài)下的動(dòng)力需求，使馬達(dá)均能保持高效率動(dòng)力輸出，以提升電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)整體效率達(dá)10%。

然而，過(guò)去臺(tái)灣車輛傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)以齒輪零組件生產(chǎn)代工為主，卻對(duì)模組系統(tǒng)設(shè)計(jì)較少著力。工研院也為此投入開(kāi)發(fā)電動(dòng)車傳動(dòng)模組設(shè)計(jì)與多速換檔技術(shù)，在德商技轉(zhuǎn)臺(tái)廠設(shè)計(jì)2款單速變速箱之後，續(xù)推出臺(tái)灣首創(chuàng)兩速變速箱，具備電動(dòng)車所需高轉(zhuǎn)速和低振噪特性，再透過(guò)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與齒形修整技術(shù)，進(jìn)行模組系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

工研院現(xiàn)也協(xié)助臺(tái)灣齒輪大廠本土公司，開(kāi)發(fā)首款自主設(shè)計(jì)製造的電動(dòng)車用二速傳動(dòng)模組，以兩檔位高低齒比提升車輛加速與極速性能，並維持馬達(dá)高效率輸出，比起單速系統(tǒng)有效提升整車10%續(xù)航里程；還可在維持相同性能下，選用較小功率的馬達(dá)，達(dá)成動(dòng)力系統(tǒng)小型化，補(bǔ)足臺(tái)廠在傳動(dòng)模組設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證技術(shù)能力，藉此切入性能取向之高階電動(dòng)車市場(chǎng)。

此產(chǎn)品可作為電動(dòng)車三合一動(dòng)力系統(tǒng)之基礎(chǔ)，整合臺(tái)製馬達(dá)及驅(qū)控器資源，並協(xié)助汽車零件製造廠轉(zhuǎn)型為系統(tǒng)模組廠，有望成功打入國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，健全臺(tái)灣電動(dòng)車動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。

圖5 : 工研院現(xiàn)也協(xié)助臺(tái)灣齒輪大廠本土公司，開(kāi)發(fā)首款自主設(shè)計(jì)製造的電動(dòng)車用二速傳動(dòng)模組，同步提升車輛加速與極速性能，並維持馬達(dá)高效率輸出；還可在維持相同性能下，選用較小功率的馬達(dá)。

未來(lái)可供有意投入開(kāi)發(fā)的廠商用於電動(dòng)自行車、機(jī)車、客車、貨車設(shè)計(jì)，所需打樣及驗(yàn)證服務(wù)及完整設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)解決方案，可按照不同車型、規(guī)格及性能進(jìn)行客製化設(shè)計(jì)，如齒比、殼體鎖附位置修改與優(yōu)化等。

結(jié)語(yǔ)

回顧過(guò)去10年來(lái)製造業(yè)先追求工業(yè)4.0目標(biāo)，直到目前還期望與電動(dòng)車共同淨(jìng)零碳排年代，減速機(jī)身為被動(dòng)元件，在智慧化、數(shù)位化潮流衝擊之下，既少與上層的控制、通訊層面直接連繫，也忽略了其可能影響終端設(shè)備的品質(zhì)、精度及可靠度。但到了近年來(lái)已有業(yè)者、法人陸續(xù)推出智慧型減速機(jī)，分別提升其在工廠設(shè)備、電動(dòng)車的傳動(dòng)效率與價(jià)值，後勢(shì)成長(zhǎng)可期。

*刊頭照（source：market-prospects.com）