電動機車二速傳動模組設計分析

摘要：本文透過發展電動機車的性能分析模型，分析電動機車於配置單速與二速等不同傳動系統的動力性能。其中，特別列舉出三種不同規格之車型來進行分析比較，探討各車輛在配置單速與二速傳動系統上的性能差異，並藉此設計合適的檔位速比與換檔時機來提升車輛動力性能。並隨後進行傳動齒輪箱的測試驗證，檢驗其檔位切換功能與傳動效率測試，了解二速傳動齒輪箱的性能表現。
Abstract：In this article, we developed a vehicle dynamic analysis model for analyzing the dynamic performance of electric scooters equipped with single-speed or two-speed transmission systems. And, there are three different types of electric scooters which are analyzed and compared to find the performance differences between single-speed and two-speed transmission systems. After analyzing performance differences, we can design the appropriate gear ratios and shift timings to enhance the performance of electric scooters. Also, we did the gear shift function test and transmission efficiency test to examine and understand the performance of two-speed transmission gearbox which designed for electric scooters.

關鍵詞：電動機車、二速傳動系統、無縫式傳動系統
Keywords：Electric scooter, Two-speed transmission system, Seamless transmission system

前言
在臺灣，普通重型機車因車型輕便，以及擁有較高機動性及低成本優點，使得機車密度為全球第一高，截至2023年底臺灣共有1400萬輛機車。而政府為重視相關環保法規及排放汙染等問題，環保局、國稅局及地方政府皆大力補助7期燃油機車與電動機車。在動力組成上，傳統燃油機車與電動機車之間差異甚大，其中燃油機車因其引擎輸出可用動力帶狹小，故需配合多檔位變速箱才能達更佳輸出功率及燃油效率。至於電動機車則因馬達具有低轉速高扭力輸出的特性，並且具有較廣的動力轉速區段，故配置較易設計與低成本的單檔位傳動系統為大宗。
因此電動機車相較傳統燃油機車而言，可變速的傳動系統並非必需品，所以主流車廠僅配置單檔位之傳動系統，作為多數操作工況之應對。然而，單檔位傳動系統的最大缺點為高轉速域下極速或巡航能力的不足。其主要原因為車廠為增加車輛起步扭力，而設定較大的減速比，但如此便使得車輛在高速情況時，馬達的極限轉速受制於單一減速比的關係，而造成車輛極速無法再度向上提升，導致在消費者對於市售電動機車的評論常在於極速或巡航車速無法滿足他們的預期。而為了同時兼顧低轉速高扭力及高轉速的車輛極速需求，此時二速傳動系統可做為單檔位傳動系統的替代方案。二速傳動系統可在相同低轉速下增強起步扭力，並於高轉時可有更好的終端極速，亦可藉由減速比的切換，讓驅動馬達的操作維持在高效率區間，甚至可在維持相近性能的前提下選擇較小功率的驅動馬達。因此採用二速變速機構，對於車輛有節能減碳、降低成本、提高加速性能與高速巡航能力之優點。故本文將針對電動機車探討二速傳動系統之可能性與效益，以及設計方法與分析結果做深入的討論說明。
二速傳動模組設計
本文之自動變速系統搭載兩檔位，目標為使用於輕型電動載具。其中發想則是透過參考文獻[1][2][3]，進行二速傳動系統構型的設計，並且得出傳動箱中決定檔位的關鍵零件為離合器。其功能位置如圖1所示，當駕駛轉動車輛電門，馬達會輸入轉速與扭力給傳動箱，當轉速到達設定值時，離合器即會進行傳動檔位切換，改變車輛的傳動比，使車輛能保持良好作動表現。

圖1 自動二速傳動系統功能簡圖

而此自動變速系統之機構概念示意圖則是參考Sorniotti等人[1]做為發想，如圖2所示其一檔搭載單向式離合器；二檔則選用離心式離合器。其中為達成高速自動檔位切換的功能並考量整體傳動箱配置，離合器的構型選擇為被動離心式離合器，而非主動式離合器，並將其配置於傳動箱的輸入軸端，其原因為此處扭力還未經過齒輪增幅放大，將有利於縮小離合器的外徑。但因馬達輸入轉速沒有透過齒輪而減速，因此在車輛於高速區段換檔時建構適當的離合裝置與控制離合器的接合會具有挑戰性。
整套二速傳動系統由驅動轉速進行被動式換檔的離合器，在換檔的過程中都會經歷完全離合、半離合與完全接合的狀態。完全離合狀態為驅動轉速未到達離合器啟動的轉速值時，如圖2，因離合蹄片的離心力尚未完全克服內部彈簧的作用力，進而限制蹄片與離合器外蓋的接觸，此時馬達的動力無法經由離合器傳遞。當轉速到達離合器設定的轉速值時，因彈簧作用力與離合蹄片產生的離心力剛好抵銷，蹄片與離合器外蓋為初步接觸狀態，雖準備可以傳遞馬達扭力，但仍不足以完全傳遞所有動力，故為半離合狀態。而當轉速夠高，離合蹄片產生的離心力扣除彈簧的作用力後讓蹄片與離合器外蓋產生足夠的扭力容量來傳遞馬達扭力時，則為完全接合狀態。而此傳動系統之運作原理，可見圖2所示，為起步時動力由一檔的單向式離合器輸出至驅動輪，當馬達轉速提升至設定轉速後，二檔則由離心式離合器傳遞馬達扭力，而使動力開始由二檔機構向外輸出；同時一檔齒輪則因單向軸承機構特性，而使一檔輸出軸持續空轉而不輸出馬達動力至後輪上。此機構的最大優點為構造簡單與純粹利用機械機構即可達成自動變速效果，不須複雜的電腦計算換檔時機，因而符合這個產品運用在輕型電動載具的市場定位。

圖2 二檔傳動機構示意圖