有別於馬達屬於基礎電機設備之一，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4.0、工業物聯網（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及組裝階段追求節能減碳需求。

過去在傳統製造業使用的減速機，雖然都與機台上的馬達、螺桿、連軸器等傳動元件緊密連結，卻唯獨少了智慧監測功能。一旦出現異常、發生未預期的損壞時，仍必須停機整組更換，額外增加維修時間與成本，且將影響產能而蒙受更大損失。

但在目前追求工業4.0趨勢下，台灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產品，業者只能選擇透過傳統外掛加速規等感測器，來蒐集減速機振動、溫度訊號。卻容易受限於現今要求高度彈性、嚴苛限制生產線空間的環境裡，設備與感測器若遭遇繞線問題，恐難以發揮效能；加上業界仍缺乏無線監測機制，所以必須保留足夠空間，才能供感測器24hrs長期監控與傳輸數據，未必適用於所有機台設備。

工研院也在近年來配合經濟部技術科專計畫，開始發掘產業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計能量，成功發表內嵌式無線量測智慧減速機系統。強調可透過WiFi傳輸感/量測數據，再經過人工智慧（AI）分析，預測元件壽命；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技術服務。

圖1 : 在目前追求工業4.0趨勢下，台灣仍缺乏自主整合軟、硬體的產品，業者只能選擇透過傳統外掛感測器，來蒐集減速機振動、溫度訊號。卻受限於現今要求高度彈性、嚴苛限制生產線空間的環境，未必適用於所有機台設備。（source：gmauthority.com）

工研院打造設計驗證平台　確保減速機符合產業需求

目前旗下機械與機電系統所團隊自研發航太等級齒輪起家，經過逐步克服其繁瑣製程與嚴格規範限制後，迄今已累積長達30年以上的設計與開發經驗。近年來也配合政策，積極投入發展重車和電動車所需精密車用傳動系統、工業級減速機等，並將智慧傳動機構技術目標分為硬體設計、智能診斷驗證兩類。

前者係針對行星齒輪機產品採取正向CAD設計，透過模擬分析選用的齒輪參數及軸承，並預估其耐久與壽命，在常用範圍3,100rpm、負載81Nm情境下，可達到20萬運轉小時數。接著透過有限元素分析（Finite Element Analysis；FEA）技術，在主要接觸齒面加密齒部網格化模型，以提升分析準確率，測試齒輪安全係數>1.2、在最大扭力下軸承損傷<14%。

後者則利用廠內現有測試設備，打造高精度傳動系統測試驗證平台，經過傳動模組動態分析技術比對，來提升傳動效率達97%以上；並導入齒形修整與系統模擬分析，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值等數據，規劃驗證智慧傳動機構、次系統零組件的診斷可靠性及壽命耐久性分析，確保符合產業需求。

同時經過動態分析最佳響應點，才在減速機內部埋設溫度、三軸加速規等感測器。其振動感應測試實際用於測台上提高輸入軸轉速，再換算成頻率（Hz）訊號，可供即時偵測與儲存，讓使用者監測初始和運轉一段時間過後的狀態。除了可用於內部設計外，現也能對外提供測試服務項目，包含：傳動效率、背隙、扭轉剛性、傳動精度、空載阻力、最高轉速、最大扭力等，在減速機輸入/出端皆安裝高精度感測器。

在驗證發展規劃（DVP）與測試技術服務項目中，包含機構、振噪NVH、效率、耐久、油溫等，並搭配不同測試台與分析服務，引進結構強度/模態分析功能；導入高精度研磨加工技術服務，藉以開發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的萬能內外圓磨床和測台，追求更高品質的精密加工精度，執行異型研磨工作。

圖2 : 工研院現也利用廠內現有測試設備，打造高精度傳動系統測試驗證平台，透過傳動模組動態分析技術來提升傳動效率、精度及可靠度，確保符合產業需求。（source：工研院）

業者導入無線監測與服務　協助產業設備升級加值

另經由工研院開發的迴轉機械設備預兆診斷演算法，結合內嵌式振動感測器用於減速機上，分析其使用紀錄數據，找出內齒輪磨耗與斷齒等故障樣態，實現監測即時化、維護預測化、診斷智能化等功能。從而優化齒輪設計，將大幅提升傳動效率達98%以上等相關技術，可協助台灣齒輪減速機廠自主開發中高階智慧減速機，應用於機械設備上，將有助提升自我檢修維護能力，預防非預期停機，提高產品附加價值。

工研院強調在減速機設計開發過程中，須務求符合ISO、AGMA、DIN、JIS國際標準規範，以及Wittenstein、Neuqart等市場上歐日系同級產品技術。除了現已推出一般和台灣首見的智慧（PG/IG）兩款減速機，具備低扭轉背隙（≦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計，可透過WiFi無線傳訊，執行快速、高採集率測量。且持續投入研發、設計製造RV減速機，經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引車（AGV）。

因為可透過Wi-Fi連網PC隨插隨用，優於現今國際減速機品牌僅以有線通訊協定Profinet傳訊，或通過IO-link與PLC/PC溝通，將難以實現一對多監控，且在台灣難以改機。如今，業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，方便即時監測傳動鏈狀態，從而瞭解減速機實際運行狀況，以提前保養與維修，滿足工業機器人、加工設備等需求，並已導入場域驗證。

再利用自主開發符合IoT4.0規範的資產管理資訊模型，可望提供設備製造商、使用手冊、出廠規範和時間等資訊紀錄，通過Wi-Fi傳輸即時資訊，經由手機設定ID接收、儲存運轉資訊。進而利用加速規，自動判斷其是否運轉，以及計算當日/周間運轉與總時間；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、評價其運轉健康狀態，或者可能磨耗、斷齒等項目的損壞機率，實現一對多無人管理模式。

圖3 : 工研院現已推出一般和台灣首見的智慧（PG/IG）兩款減速機，並採取嵌入式感測元件設計，可透過Wi-Fi無線傳訊，執行快速、高採集率測量。（攝影：陳念舜）

放眼淨零碳排發展　出力推進電動車靜音與模組化

此外，根據國發會在今年三月發表台灣2050年淨零碳排規畫階段里程碑，將追求產業轉型運輸部門2040年電動車/機車市售比達到100%、市區公車要在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；補助加速開發與生產台製電動車，藉以實現製造在地化，滿足台灣市場創新需求。

繼Tesla帶動以軟體控制硬體的革新供應鏈生態系之後，已讓電動車零組件、規格主導權逐漸脫離傳統車廠供應鏈或OEM代工廠掌握制定規格，促使其生產模式多元化，設計行銷與生產製造分離，包括科技大廠採取獨資/合資新建工廠、傳統車廠導入電動車專用/其他車款共用生產線自製、新興車廠或零組件廠商委外製造等。未來勢將走向共用平台的供應鏈，促使模組化應用越來越成熟，不同投資負擔及生產成本各有優劣，也鼓舞新興產業跨足。

其中為了因應電動車減速回充將造成反向齒面負荷，減速機設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內燃機之後，過去少被聽見的傳動機構噪音開始變得更為清晰。導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將NVH降至最低，讓車主獲得安靜舒適的駕馭環境。

由於現今減速機的齒輪與軸承、殼體、軸心搭配成為整體系統，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，當齒輪嚙合時變形產生的振動將從軸傳遞到軸承座，再經過軸承側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出噪音，「齒形修整分析與研磨」，便是降噪要求的一項關鍵技術。

因此必須要先建立動力學模型，產出載荷譜，搭載不同機種的載重及轉速、扭力、里程/時間；接著進行系統接觸齒印分析，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、導程參數等，以提高齒輪耐久性。

最後再將傳動誤差分析與零件振動NVH頻譜分析結果比對，從而得知滾齒機應對於齒形修整量，達到齒印集中，降低NVH及傳動誤差，避免崩齒。工研院強調：「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。」該團隊過去也曾與台灣電動機車大廠合作，藉以解決二代車被客訴傳動系統太吵的問題，促使齒形修整分析與研磨技術成為關鍵。

圖4 : 因應電動車零組件、規格生產模式持續多元化發展，未來勢將走向共用平台的供應鏈，促使模組化應用越來越成熟。（攝影：陳念舜）

針對移動載具聯網化與自駕化趨勢，傳動系統的核心技術將有從單速轉入多速發展的趨勢，近年來國際傳動大廠都相繼投入研發二速傳動模組，並據此發展三合一動力系統，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整體效率達10%。

然而，過去台灣車輛傳動產業以齒輪零組件生產代工為主，卻對模組系統設計較少著力。工研院也為此投入開發電動車傳動模組設計與多速換檔技術，在德商技轉台廠設計2款單速變速箱之後，續推出台灣首創兩速變速箱，具備電動車所需高轉速和低振噪特性，再透過系統動態分析與齒形修整技術，進行模組系統正向設計開發。

工研院現也協助台灣齒輪大廠本土公司，開發首款自主設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，比起單速系統有效提升整車10%續航里程；還可在維持相同性能下，選用較小功率的馬達，達成動力系統小型化，補足台廠在傳動模組設計、分析、驗證技術能力，藉此切入性能取向之高階電動車市場。

此產品可作為電動車三合一動力系統之基礎，整合台製馬達及驅控器資源，並協助汽車零件製造廠轉型為系統模組廠，有望成功打入國內外電動車產業供應鏈，健全台灣電動車動力系統產業，形成產業價值鏈。

圖5 : 工研院現也協助台灣齒輪大廠本土公司，開發首款自主設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。

未來可供有意投入開發的廠商用於電動自行車、機車、客車、貨車設計，所需打樣及驗證服務及完整設計與開發解決方案，可按照不同車型、規格及性能進行客製化設計，如齒比、殼體鎖附位置修改與優化等。

結語

回顧過去10年來製造業先追求工業4.0目標，直到目前還期望與電動車共同淨零碳排年代，減速機身為被動元件，在智慧化、數位化潮流衝擊之下，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備的品質、精度及可靠度。但到了近年來已有業者、法人陸續推出智慧型減速機，分別提升其在工廠設備、電動車的傳動效率與價值，後勢成長可期。

*刊頭照（source：market-prospects.com）