有別於馬達屬於基礎(chǔ)電機設(shè)備之一，與之緊密相連的減速機向來被視為被動元件。直到近10年來受惠於工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）造就無人工廠趨勢，才促使國際品牌大廠逐漸推陳出新智慧減速機，進而滿足於電動車生產(chǎn)及組裝階段追求節(jié)能減碳需求。
過去在傳統(tǒng)製造業(yè)使用的減速機，雖然都與機臺上的馬達、螺桿、連軸器等傳動元件緊密連結(jié)，卻唯獨少了智慧監(jiān)測功能。一旦出現(xiàn)異常、發(fā)生未預(yù)期的損壞時，仍必須停機整組更換，額外增加維修時間與成本，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趨勢下，臺灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產(chǎn)品，業(yè)者只能選擇透過傳統(tǒng)外掛加速規(guī)等感測器，來蒐集減速機振動、溫度訊號。卻容易受限於現(xiàn)今要求高度彈性、嚴苛限制生產(chǎn)線空間的環(huán)境裡，設(shè)備與感測器若遭遇繞線問題，恐難以發(fā)揮效能；加上業(yè)界仍缺乏無線監(jiān)測機制，所以必須保留足夠空間，才能供感測器24hrs長期監(jiān)控與傳輸數(shù)據(jù)，未必適用於所有機臺設(shè)備。
工研院也在近年來配合經(jīng)濟部技術(shù)科專計畫，開始發(fā)掘產(chǎn)業(yè)對於智慧減速機需求，進而積極整合振動感測器、智能診斷演算法及高精度減速機設(shè)計能量，成功發(fā)表內(nèi)嵌式無線量測智慧減速機系統(tǒng)。強調(diào)可透過WiFi傳輸感/量測數(shù)據(jù)，再經(jīng)過人工智慧（AI）分析，預(yù)測元件壽命；同時提供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趨勢下，臺灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產(chǎn)品，業(yè)者只能選擇透過傳統(tǒng)外掛感測器，來蒐集減速機振動、溫度訊號。卻受限於現(xiàn)今要求高度彈性、嚴苛限制生產(chǎn)線空間的環(huán)境，未必適用於所有機臺設(shè)備。（source：gmauthority.com） |
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工研院打造設(shè)計驗證平臺 確保減速機符合產(chǎn)業(yè)需求
目前旗下機械與機電系統(tǒng)所團隊自研發(fā)航太等級齒輪起家，經(jīng)過逐步克服其繁瑣製程與嚴格規(guī)範限制後，迄今已累積長達30年以上的設(shè)計與開發(fā)經(jīng)驗。近年來也配合政策，積極投入發(fā)展重車和電動車所需精密車用傳動系統(tǒng)、工業(yè)級減速機等，並將智慧傳動機構(gòu)技術(shù)目標分為硬體設(shè)計、智能診斷驗證兩類。
前者係針對行星齒輪機產(chǎn)品採取正向CAD設(shè)計，透過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，在常用範圍3,100rpm、負載81Nm情境下，可達到20萬運轉(zhuǎn)小時數(shù)。接著透過有限元素分析（Finite Element Analysis；FEA）技術(shù)，在主要接觸齒面加密齒部網(wǎng)格化模型，以提升分析準確率，測試齒輪安全係數(shù)>1.2、在最大扭力下軸承損傷<14%。
後者則利用廠內(nèi)現(xiàn)有測試設(shè)備，打造高精度傳動系統(tǒng)測試驗證平臺，經(jīng)過傳動模組動態(tài)分析技術(shù)比對，來提升傳動效率達97%以上；並導(dǎo)入齒形修整與系統(tǒng)模擬分析，提高傳動精度達到背隙<4arcmin；同時搭配其UI介面，以即時量測時域頻率訊號、RMS值等數(shù)據(jù)，規(guī)劃驗證智慧傳動機構(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。
同時經(jīng)過動態(tài)分析最佳響應(yīng)點，才在減速機內(nèi)部埋設(shè)溫度、三軸加速規(guī)等感測器。其振動感應(yīng)測試實際用於測臺上提高輸入軸轉(zhuǎn)速，再換算成頻率（Hz）訊號，可供即時偵測與儲存，讓使用者監(jiān)測初始和運轉(zhuǎn)一段時間過後的狀態(tài)。除了可用於內(nèi)部設(shè)計外，現(xiàn)也能對外提供測試服務(wù)項目，包含：傳動效率、背隙、扭轉(zhuǎn)剛性、傳動精度、空載阻力、最高轉(zhuǎn)速、最大扭力等，在減速機輸入/出端皆安裝高精度感測器。
在驗證發(fā)展規(guī)劃（DVP）與測試技術(shù)服務(wù)項目中，包含機構(gòu)、振噪NVH、效率、耐久、油溫等，並搭配不同測試臺與分析服務(wù)，引進結(jié)構(gòu)強度/模態(tài)分析功能；導(dǎo)入高精度研磨加工技術(shù)服務(wù)，藉以開發(fā)高精度和高效率傳動模組。工研院為了滿足精密零組件加工需求，現(xiàn)也引進美國MOORE TOOLS的工模磨床（JG）、瑞士HAUSER的座標搪床與Studer的萬能內(nèi)外圓磨床和測臺，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)有測試設(shè)備，打造高精度傳動系統(tǒng)測試驗證平臺，透過傳動模組動態(tài)分析技術(shù)來提升傳動效率、精度及可靠度，確保符合產(chǎn)業(yè)需求。（source：工研院） |
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業(yè)者導(dǎo)入無線監(jiān)測與服務(wù) 協(xié)助產(chǎn)業(yè)設(shè)備升級加值
另經(jīng)由工研院開發(fā)的迴轉(zhuǎn)機械設(shè)備預(yù)兆診斷演算法，結(jié)合內(nèi)嵌式振動感測器用於減速機上，分析其使用紀錄數(shù)據(jù)，找出內(nèi)齒輪磨耗與斷齒等故障樣態(tài)，實現(xiàn)監(jiān)測即時化、維護預(yù)測化、診斷智能化等功能。從而優(yōu)化齒輪設(shè)計，將大幅提升傳動效率達98%以上等相關(guān)技術(shù)，可協(xié)助臺灣齒輪減速機廠自主開發(fā)中高階智慧減速機，應(yīng)用於機械設(shè)備上，將有助提升自我檢修維護能力，預(yù)防非預(yù)期停機，提高產(chǎn)品附加價值。
工研院強調(diào)在減速機設(shè)計開發(fā)過程中，須務(wù)求符合ISO、AGMA、DIN、JIS國際標準規(guī)範，以及Wittenstein、Neuqart等市場上歐日系同級產(chǎn)品技術(shù)。除了現(xiàn)已推出一般和臺灣首見的智慧（PG/IG）兩款減速機，具備低扭轉(zhuǎn)背隙（≦4arc-min）、高精度與高效率特性（>95%），搭配不同馬達型式、框號；並採取嵌入式感測元件設(shè)計，可透過WiFi無線傳訊，執(zhí)行快速、高採集率測量。且持續(xù)投入研發(fā)、設(shè)計製造RV減速機，經(jīng)過量測確保高精度達到背隙≦60arc-min（1弧分），並將擺線型少齒差減速機用於自動導(dǎo)引車（AGV）。
因為可透過Wi-Fi連網(wǎng)PC隨插隨用，優(yōu)於現(xiàn)今國際減速機品牌僅以有線通訊協(xié)定Profinet傳訊，或通過IO-link與PLC/PC溝通，將難以實現(xiàn)一對多監(jiān)控，且在臺灣難以改機。如今，業(yè)者已可透過無線傳輸、溫度、三軸振動分析、齒輪與軸承異常診斷，方便即時監(jiān)測傳動鏈狀態(tài)，從而瞭解減速機實際運行狀況，以提前保養(yǎng)與維修，滿足工業(yè)機器人、加工設(shè)備等需求，並已導(dǎo)入場域驗證。
再利用自主開發(fā)符合IoT4.0規(guī)範的資產(chǎn)管理資訊模型，可望提供設(shè)備製造商、使用手冊、出廠規(guī)範和時間等資訊紀錄，通過Wi-Fi傳輸即時資訊，經(jīng)由手機設(shè)定ID接收、儲存運轉(zhuǎn)資訊。進而利用加速規(guī)，自動判斷其是否運轉(zhuǎn)，以及計算當(dāng)日/周間運轉(zhuǎn)與總時間；搭配智能診斷演算法，自我定義異常上下限的警告訊息，來判斷、評價其運轉(zhuǎn)健康狀態(tài)，或者可能磨耗、斷齒等項目的損壞機率，實現(xiàn)一對多無人管理模式。
| 圖3 : 工研院現(xiàn)已推出一般和臺灣首見的智慧（PG/IG）兩款減速機，並採取嵌入式感測元件設(shè)計，可透過Wi-Fi無線傳訊，執(zhí)行快速、高採集率測量。（攝影：陳念舜） |
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放眼淨(jìng)零碳排發(fā)展 出力推進電動車靜音與模組化
此外，根據(jù)國發(fā)會在今年三月發(fā)表臺灣2050年淨(jìng)零碳排規(guī)畫階段里程碑，將追求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型運輸部門2040年電動車/機車市售比達到100%、市區(qū)公車要在2030年達成全面電動化的里程碑。因此必須提升新車能效標準，逐步加嚴車輛碳排標準；補助加速開發(fā)與生產(chǎn)臺製電動車，藉以實現(xiàn)製造在地化，滿足臺灣市場創(chuàng)新需求。
繼Tesla帶動以軟體控制硬體的革新供應(yīng)鏈生態(tài)系之後，已讓電動車零組件、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)計行銷與生產(chǎn)製造分離，包括科技大廠採取獨資/合資新建工廠、傳統(tǒng)車廠導(dǎo)入電動車專用/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。未來勢將走向共用平臺的供應(yīng)鏈，促使模組化應(yīng)用越來越成熟，不同投資負擔(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)電動車減速回充將造成反向齒面負荷，減速機設(shè)計必須重新考量其耐久性；如何改善NVH（Noise噪音、Vibration振動、Harshness粗糙度），以實現(xiàn)靜音化、輕量化等目標也備受重視；進而整合逆變器、馬達與減速機為一體式設(shè)計，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。
尤其是在電動車取消了傳統(tǒng)內(nèi)燃機之後，過去少被聽見的傳動機構(gòu)噪音開始變得更為清晰。導(dǎo)致汽車廠必須對此進行前所未有的嚴格檢討與分析，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)，將容易受到每個零件本體和組裝公差所形成的傳動誤差（Transmission Error）影響，而形成齒輪嚙合漸開線的偏移量，當(dāng)齒輪嚙合時變形產(chǎn)生的振動將從軸傳遞到軸承座，再經(jīng)過軸承側(cè)壁傳遞至齒輪箱殼體；以及委外加工、組裝時，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關(guān)鍵技術(shù)。
因此必須要先建立動力學(xué)模型，產(chǎn)出載荷譜，搭載不同機種的載重及轉(zhuǎn)速、扭力、里程/時間；接著進行系統(tǒng)接觸齒印分析，實際模擬判斷齒輪是否會有偏置而造成誤差、NVH等問題，並加以改善修整齒型、導(dǎo)程參數(shù)等，以提高齒輪耐久性。
最後再將傳動誤差分析與零件振動NVH頻譜分析結(jié)果比對，從而得知滾齒機應(yīng)對於齒形修整量，達到齒印集中，降低NVH及傳動誤差，避免崩齒。工研院強調(diào)：「齒輪修整並非單純是最佳化問題，而是效益與成本的綜合考量。」該團隊過去也曾與臺灣電動機車大廠合作，藉以解決二代車被客訴傳動系統(tǒng)太吵的問題，促使齒形修整分析與研磨技術(shù)成為關(guān)鍵。
| 圖4 : 因應(yīng)電動車零組件、規(guī)格生產(chǎn)模式持續(xù)多元化發(fā)展，未來勢將走向共用平臺的供應(yīng)鏈，促使模組化應(yīng)用越來越成熟。（攝影：陳念舜） |
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針對移動載具聯(lián)網(wǎng)化與自駕化趨勢，傳動系統(tǒng)的核心技術(shù)將有從單速轉(zhuǎn)入多速發(fā)展的趨勢，近年來國際傳動大廠都相繼投入研發(fā)二速傳動模組，並據(jù)此發(fā)展三合一動力系統(tǒng)，以提升整車加速性能與極速，更能同時滿足電動車在高速與高負載狀態(tài)下的動力需求，使馬達均能保持高效率動力輸出，以提升電動車動力系統(tǒng)整體效率達10%。
然而，過去臺灣車輛傳動產(chǎn)業(yè)以齒輪零組件生產(chǎn)代工為主，卻對模組系統(tǒng)設(shè)計較少著力。工研院也為此投入開發(fā)電動車傳動模組設(shè)計與多速換檔技術(shù)，在德商技轉(zhuǎn)臺廠設(shè)計2款單速變速箱之後，續(xù)推出臺灣首創(chuàng)兩速變速箱，具備電動車所需高轉(zhuǎn)速和低振噪特性，再透過系統(tǒng)動態(tài)分析與齒形修整技術(shù)，進行模組系統(tǒng)正向設(shè)計開發(fā)。
工研院現(xiàn)也協(xié)助臺灣齒輪大廠本土公司，開發(fā)首款自主設(shè)計製造的電動車用二速傳動模組，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，達成動力系統(tǒng)小型化，補足臺廠在傳動模組設(shè)計、分析、驗證技術(shù)能力，藉此切入性能取向之高階電動車市場。
此產(chǎn)品可作為電動車三合一動力系統(tǒng)之基礎(chǔ)，整合臺製馬達及驅(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，有望成功打入國內(nèi)外電動車產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，健全臺灣電動車動力系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，形成產(chǎn)業(yè)價值鏈。
| 圖5 : 工研院現(xiàn)也協(xié)助臺灣齒輪大廠本土公司，開發(fā)首款自主設(shè)計製造的電動車用二速傳動模組，同步提升車輛加速與極速性能，並維持馬達高效率輸出；還可在維持相同性能下，選用較小功率的馬達。 |
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未來可供有意投入開發(fā)的廠商用於電動自行車、機車、客車、貨車設(shè)計，所需打樣及驗證服務(wù)及完整設(shè)計與開發(fā)解決方案，可按照不同車型、規(guī)格及性能進行客製化設(shè)計，如齒比、殼體鎖附位置修改與優(yōu)化等。
結(jié)語
回顧過去10年來製造業(yè)先追求工業(yè)4.0目標，直到目前還期望與電動車共同淨(jìng)零碳排年代，減速機身為被動元件，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。但到了近年來已有業(yè)者、法人陸續(xù)推出智慧型減速機，分別提升其在工廠設(shè)備、電動車的傳動效率與價值，後勢成長可期。
*刊頭照（source：market-prospects.com）
