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產業技術評析

電動車趨勢下的重要工具機應用-精密齒輪製造研磨
發表日期:2021-11-24
作者:陳佳盟(工研院)
摘要:
2020年電動車銷售量在全球汽車銷售量比重從2019年4.8%提高到5.7%。在電動車類型上,2020年混合動力車(HEV)約占電動車總銷量之51.1%,純電動車(BEV)約占電動車總銷量之33.1%,插電式混合動力汽車(PHEV)約占電動車總銷量之15.6%。全球知名會計師事務所Deloitte在2020年7月發布的報告中預估,全球乘用車及輕型商用車銷售量在2025年後的成長將越來越有限;而電動車占比則會快速成長,預估在2030年將超過25%以上,其中在終端需求與政策法規的驅動下,無碳排放的純電動車將會是電動車的主流。

全文:

一、電動車趨勢下的工具機需求
 

(一)電動車銷售量攀升

2020年電動車銷售量在全球汽車銷售量比重從2019年4.8%提高到5.7%。在電動車類型上,2020年混合動力車(HEV)約占電動車總銷量之51.1%,純電動車(BEV)約占電動車總銷量之33.1%,插電式混合動力汽車(PHEV)約占電動車總銷量之15.6%。全球知名會計師事務所Deloitte在2020年7月發布的報告中預估,全球乘用車及輕型商用車銷售量在2025年後的成長將越來越有限;而電動車占比則會快速成長,預估在2030年將超過25%以上,其中在終端需求與政策法規的驅動下,無碳排放的純電動車將會是電動車的主流。

圖1 電動車在乘用車及輕型商用車領域佔比發展趨勢

資料來源:Deloitte (2020/07)
圖1 電動車在乘用車及輕型商用車領域占比發展趨勢

(二)對工具機需求影響

燃油車引擎構成十分複雜,且絕大多數零組件在製造過程中都會使用到多種加工精度要求較高的工具機,例如加工中心機、車床、鏜銑床、鑽床、車銑複合機、齒輪加工機、壓鑄機、多軸加工機等。為獲得適當的驅動扭力以及將動力傳遞到車軸,燃油引擎需要結合結構也相當複雜的傳動系統;其零組件在製造過程中也會用到多種加工精度要求較高的工具機,例如加工中心機、車床、沖床、磨床、車銑複合機、齒輪加工機、多軸加工機等。

反觀電動車,相對於燃油引擎,以電力驅動的馬達,其組成就較為簡單。主要零件包括馬達殼、矽鋼片、線圈、旋轉軸、轉子、定子。製造這些零組件所需的工具機則包括沖床、車床、壓鑄機、齒輪加工機。為提高輸出扭力,馬達需要配合減速器。減速器零件包括齒輪、心軸、外殼等;使用的工具機則包括車床、磨床、齒輪加工機。由於電動車動力系統零組件數量較燃油車少,製造過程使用的工具機種類也較少,因此當電動車占比逐漸增加後,會對汽車製造工具機需求產生影響。依據前述電動車數量在全球新車數量比例推估,到2025年就會對工具機需求量造成可觀的影響,到2030年,電動車數量成長所引發的工具機汽車應用市場規模縮減,估計將達到10~15%,工具機消費縮減金額約為45~67億美元。

雖然電動車製造過程中使用的工具機種類與加工需求較少,但仍有一些與現行汽車零組件製造不同的商機產生。包括電動馬達加工、減速齒輪加工、電池箱零組件加工、以及輕量化零組件加工。其中,關於減速齒輪加工,電動車為控制噪音,在減速齒輪製造精度上,會比燃油車變速箱齒輪要求更高。因此也需要效能更好的齒輪專用製造設備。

圖2 電動車降噪的秘密-精密齒輪

資料來源:Digitimes(2021/06)
圖2 電動車降噪的秘密-精密齒輪
 

二、精密齒輪製造研磨市場分析
 

迎接電動車時代來臨,除了減速齒輪之外,電動車上的剎車、轉向器等關鍵零組件皆須經過滾珠螺桿、齒條傳動。臺灣已有工具機與零組件廠商,透過切入電動車大廠供應鏈、引進先進滾齒設備與精密齒輪研磨機等方式進行產品開發、技術升級與擴大市場。國外方面,日本電産(Nidec Corporation)日前完成對三菱重工業(Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.)的從事齒輪生産設備業務的子公司三菱重工工作機械和海外子公司的交易,公司名稱定為日本電産Machine Tool。三菱重工工作機械是齒輪生産設備製造商。日本電産認為可以將三菱重工工作機械的齒輪相關技術應用於電産作為主要業務,大力發展純電動車的關鍵零組件業務,通過必要的投資,希望將該業務打造成全球市場的主角。

電動車趨勢推動齒輪相關需求,擔任齒輪主要生產設備的齒輪切削/研磨/精製工具機(HS code:8461)將成為要角。預估到2025年全球齒輪切削/研磨/精製工具機的年均增長率為5.0%。2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機進口額為27.2億美元。其中,中國大陸進口額為330百萬美元,市場占比12.2%,全球排名第一;美國進口額為214百萬美元,市場占比7.9%,全球排名第二;印度進口額為90百萬美元,市場占比3.3%,全球排名第三;德國進口額為84百萬美元,市場占比3.1%,全球排名第四;俄羅斯進口額為76百萬美元,市場占比2.8%,全球排名第五;而臺灣進口額為45百萬美元,市場占比1.7%,全球排名第九。全球齒輪切削/研磨/精製工具機進口市場高度集中於中、美兩大國家,而工具機有45%到50%應用於汽車產業,顯示中、美乃是全球汽車包括電動車產業的主要生產市場。

圖3 2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機進口額國家與金額排名

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2021/11)
圖3 2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機進口額國家與金額排名
 

出口方面,2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機出口額為34.3億美元。德國出口額為537百萬美元,市場占比15.6%,全球排名第一;中國大陸出口額為331百萬美元,市場占比9.7%,全球排名第二;日本出口額為206百萬美元,市場占比6.0%,全球排名第三;義大利出口額為157百萬美元,市場占比4.6%,全球排名第四;瑞士出口額為111百萬美元,市場占比3.2%,全球排名第五;而臺灣出口額為104百萬美元,市場占比3.0%,全球排名第七。德國出口額與第二名相差甚多,穩坐齒輪切削/研磨/精製工具機最大出口國寶座;臺灣與第五名的瑞士市占差距僅0.2%且與南韓具有不小差距,擁有挑戰全球前五名的潛力。

圖4 2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機出口額國家與金額排名

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2021/11)
圖4 2020年全球齒輪切削/研磨/精製工具機出口額國家與金額排名
 

三、精密齒輪製造研磨技術解析
 

進入電動車的時代,沒有了傳統內燃機構,傳動機構的噪音被聽得很清楚,汽車廠也必須開始對傳動機構的各種噪音做前所未有的嚴格檢討與分析,利用各種技術盡可能把機械噪音降到最低,「齒輪研磨」便是降噪要求的一項關鍵技術。在過去,不是所有的齒輪產品都需要再做進一步的齒輪研磨,但如今要做電動車動力系統的齒輪,研磨的各種專業技術就已變成必備項目。以下簡述各知名齒輪工具機廠商的公開技術資料及近年發表於學術論文之研究成果,以更進一步瞭解齒輪製造研磨之發展情形:

(一)以連續磨削方式製造齒輪

連續生成磨削技術基於配備可修整的螺紋砂輪(或稱為齒輪研磨砂輪)的多軸高性能齒輪磨床。這種機器和工具的結合確保了在非常短的循環時間內能磨削出高品質的齒輪。螺紋砂輪中使用的磨粒由熔融或燒結的氧化鋁組成,其硬度明顯高於待磨齒輪的表面硬化鋼。連續生成磨削的運動學可以理解為具有附加磨料加工特性的螺桿傳動,包括用於設置切削深度的進給量、垂直進給率和橫向移動量以確保對於每毫米的垂直進給速度,螺紋砂輪不斷向側面少量移動。透過這種方式,總是使用新鮮的、未使用的磨料進行研磨,以確保齒輪產品的高品質。另外,並使用鑽石成型工具修整用於連續磨削的螺紋砂輪,以便生成所需的砂輪輪廓並保持砂輪的自由切削能力。
 

圖5 螺紋砂輪(或稱為齒輪研磨砂輪)

資料來源:KAPP NILES (2021/08)
圖5 螺紋砂輪(或稱為齒輪研磨砂輪)(圖中藍綠色者)
 

(二)對齒輪研磨過程和零件進行監控

齒輪研磨過程和零件監控系統可對磨削和修整過程以及關鍵機器組件的運行狀態能進一步了解。該系統能夠監控和優化流程,及早發現和預測維護問題,進行有效規劃,並將停機時間減少到最低限度。
 

圖6 齒輪研磨過程和零件監控

資料來源:Reishauer AG (2021/08)
圖6 齒輪研磨過程和零件監控
 

(三)透過軟體設計齒輪與傳動系統

透過軟體設計能快速準確地進行計算,包括齒輪的安全係數和使用壽命值。另外,使用者能夠對完整的齒輪裝置和傳動系統進行建模。軟體將運動學分析、3D圖形以及使用者定義的表格和對話框結合在一起,允許使用者在一次運行中執行系統級評估,同時考慮齒輪箱每個零組件的相互依賴影響,包括系統可靠性、載荷譜計算、效率、熱平衡評估、以及模態分析等。
 

圖7 齒輪與傳動軟體設計系統

資料來源:Gleason Corporation (2021/08)
圖7 齒輪與傳動軟體設計系統
 

(四)可快速拆換的附加主軸使工件在外齒研磨後能在同一機台上立刻研磨內齒

該設備設計可快速拆換的附加主軸,它的功能近似於內磨削臂一樣,使工件在外齒研磨後,得以在同一機台上立刻進行內齒的研磨。在使用微型砂輪做精密齒輪研磨時,透過自主生產的主軸與配套的CBN砂輪,在轉速到達30,000 rpm時,附加主軸依然在振動與溫升上能保持優越的特性。在航太產業的零件加工領域裡,該設備可被用於襟翼調整用行星齒輪的成型研磨。另外,兩頭固定砂輪系列設備具備主立柱達1,000 mm的軸向行程且可附掛小砂輪,因此可加工沙灘車等商用車輛中常見的長軸齒輪。
 

圖8 具備靈活的齒輪研磨加工能力之設備

資料來源:LIEBHERR (2021/08)
圖8 具備靈活的齒輪研磨加工能力之設備
 

(五)基於蝸桿創成磨齒加工之齒面磨削紋理的模擬及控制

學術研究方面,目前已有研究團隊可建立真實具磨粒之蝸桿砂輪模型、依據實際蝸桿砂輪磨齒機之多軸同動,建立數值方法模擬出具有磨削紋理之齒面,並有系統地分析幾何參數與機台運動參數對齒面磨紋及齒面粗糙度之影響。標準蝸桿砂輪創成齒輪研磨經常產生沿齒長方向、相互平行之磨紋,相較於經珩齒(Gear Honing)後之交錯、亂序齒面磨紋,已被證實不利於降低齒輪之嚙合噪音,若可掌握此技術將有助於進一步提升設備及加工齒輪之附加價值。該研究結果顯示,齒面粗糙度隨齒輪軸向進給速度上升而增加、齒面上不同位置之磨紋具有相似性,磨料粒徑愈大則齒面粗糙度愈大、齒輪螺旋角與砂輪半徑對齒面粗糙度影響較不明顯,且標準機台運動之模擬齒面紋理為直條狀、具附加運動之模擬齒面紋理具有亂序交叉紋,最大磨紋深度改善10 %,並與真實齒面量測結果趨勢一致。該技術的建立與落實產業應用將可大大提升磨齒機附加價值,並更進一步改善加工齒輪之傳動品質。
 

四、結論
 

齒輪模組主要應用於汽車市場,近年來更是由於電動車的發展及普及,對承載能力和噪音控制的要求不斷增加,因此高速、高剛性、低噪音的齒輪製造成為了近幾年產業的發展趨勢,為了達此目的,齒輪表面精加工為製造高品質齒輪的核心技術。在實務的應用中,加工技術需兼顧齒面精度與經濟上的考量,各國大廠近幾年以成形齒輪研磨(Gear Form/Profile Grinding)、連續創成齒輪研磨(Continuous Generating Grinding of Gears)和珩齒三種磨削方式為研發重點。

面對電動車時代來臨,臺灣產業界透過切入供應鏈、引進先進滾齒設備與精密齒輪研磨機等方式進行產品開發、技術升級與擴大市場;學術界亦藉由科專與產學合作等方式研究精密齒輪製造研磨等相關新技術,希望能搶攻長期被歐美大廠寡占的精密齒輪加工設備市場,為國內機械產業開創新局,提高臺灣精密齒輪加工與工具機業者的國際競爭力,再創技術高峰。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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