車輛研究測試中心 環保能源部 / 潘國良

理想的傳動系統以旋轉機構施加或承受扭力以使系統看起來穩定的運轉，直覺上我們可能認為每轉一圈所花的時間相同就是定速，然而真實的情況並非如此。若驅動力的產生過程不穩定、或被驅動的機構無法很平順的傳動驅動力，就會因扭力不平順而使軸轉一圈過程中轉速產生細微的變化，這種現象稱之為扭轉振動(Torsional Vibration)。

扭轉振動的例子廣泛存在於各種機械工具，例如引擎曲軸因進氣、壓縮、爆炸、排氣等四個行程出力不同，而有點火頻率的扭轉振動；而帶動進排氣凸輪軸的正時鏈盤，也會因閥門彈簧力變化或鏈條與齒盤嚙合拍擊而產生扭轉振動；甚至聯軸器二端軸與軸同心度或平行度不良也會產生。這些扭力或轉速的細微變化，與機械運轉中的振動噪音關係密切，也直接影響到耐久可靠度。那，該怎麼量測 torsional vibration 呢?

傳統的轉速計通常量測軸旋轉一圈所需的時間，而扭轉振動必須看到軸轉動一圈過程中細微的轉速變化，因此必須提高解析度，例如以一圈360度每1度量測一次轉速，可利用旋轉編碼器、光遮斷器、霍爾Sensor、紅外線反光片/刻度盤….等，使其感應軸旋轉角度同時產生標準方波訊號(TTL Pulse)，再透過轉換器將方波轉換為類比訊號進行頻譜分析。如圖1為利用刻度盤凸齒經過霍爾sensor感應磁力變化；圖2中利用黑白相間刻度盤擷取惰輪、旋轉編碼器擷取發電機扭轉訊號；圖3為汽車引擎定速於不同負載下完成一動力循環之飛輪動態轉速變化。
 

圖1. 以霍爾Sensor及刻度齒盤偵測正時鏈輪組各鏈輪轉速

圖2. 以黑白相間刻度盤及旋轉編碼器偵測皮帶組各元件轉速

因為頻譜分析訊號需要固定取樣率，而扭振狀態下TTL訊號忽快忽慢不會與儀器取樣率完全同步，因此由TTL訊號轉換為類比轉速訊號的過程相當重要(把圖3的橫軸由角度改為時間軸的過程)；使用刻劃更細的刻度盤以及提高取樣速率都能有效降低誤差，但相對要更高速的擷取設備才能滿足如此快速的取樣。

圖3 引擎定速於不同負載下完成一動力循環之飛輪動態轉速變化

車輛中心NVH實驗室，針對汽、機車引擎之曲軸、正時鏈條、發電機、變速箱齒輪組等，累積多年的扭振量測經驗，並結合轉子動力學、傳動誤差、扭振Damper、單向超越皮帶輪等設計分析技術協助業界進行傳動系統的扭振改善研究。

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潘國良 課長 電話:04-7811222分機7316 、e-mail: jove@artc.org.tw