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摩托车工作原理

大开眼界 ransiwen 3年前 (2016-11-02) 1363次浏览 已收录 0个评论

摩托车基础知识

摩托车是用于承载一或两名乘客的机动车。通常,摩托车只有两个车轮,但是,可将任何与地面接触车轮少于 4 个的车辆归为摩托车。三轮的摩托车包括“出租车”(摩托车加边车)和“三轮车”。

摩托车工作原理­
Kenn Kiser 供图,Pixel Perfect Digital2001 本田 Gold Wing GL1800 装配 Monarch 三轮转换

现代摩托车的设计布局于 1914 年确定,且至今基本保持不变。摩托车的整个结构和功能非常简单。其中包括一台汽油发动机,这种发动机与汽车中的一样,将活塞的往复式运动转换为旋转运动。变速器系统将此运动传递给后轮。随着后轮的转动,推动摩托车前进。通过手把转动前轮,并使摩托车朝一侧或另一侧倾斜,以实现转向。两个手柄使车手可操作离合器和前制动器,而两个脚踏板使其可以换挡和控制后制动器。

军用摩托车

摩托车工作原理
哈雷戴维森军­用摩托车

1914 年一战爆发时,汽车没有派上用场。 摩托车作为可靠的交通工具弥补了这一空白。 战争中,摩托车由于实用而被充分使用。 美国和欧洲军队将摩托车广泛用于侦察和传递信息,并在某些情形下参与战斗。1917 年生产的所有哈雷戴维森摩托车大约有 1/3 卖给美国军队。1918 年, 这一数字上升到 50%。到战争结束时,估计军队大约使用了 2 万辆摩托车,其中大多数为哈雷戴维森摩托车。

摩托车发动机

摩托车发动机的工作方式与汽车发动机相同。发动机由活塞、气缸体和气缸盖组成,气缸盖包含气门机构。 火花点燃燃料与空气混合物时会引起爆炸,推动活塞在气缸体内上下移动。 气门随之打开和关闭,以便燃料与空气混合物进入燃烧室。 活塞的上下运动带动曲轴转动,将活塞的能量转变为旋转运动。 通过变速器将曲轴的旋转力传递给摩托车的后轮。

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典型汽车发动机的内部构造典型汽车发动机的内部构造

通常依据三个特征对摩托车发动机进行分类: 发动机的气缸数、燃烧室容量或动力循环的冲程数。

气缸

摩托车可有 1-6 个气缸。 多年来,V-twin 设计是美国、欧洲和日本摩托车工程师的选择。V-twin 因两个气缸成 V 字形而得名,例如下面所示的经典哈雷戴维森 V-twin 发动机。 注意哈雷戴维森 V-twin 中的 45 度°,其他制造商可变换此角度,以减少振动。

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哈雷戴维森机车公司供图
RevolutionTM哈雷戴维森 V-twin 发动机

V-twin 只是排列两个气缸的一种方式。 如果要使活塞彼此相对,排列气缸时应选择反双型设计。 而并列双缸发动机将活塞并排垂直放置。

当前,最流行的设计为四缸。这种设计运行更平稳,并且转速较两缸发动机更快。 四个气缸可并排放置,或者呈 V 字型排列,V 字型的两侧各有两个气缸。

容量

摩托车发动机燃烧室的大小与其输出功率直接相关。 上限值约为 1500cc(立方厘米),下限值约为 50cc。 后一种发动机通常用于小型摩托车(机动自行车),其耗油量为每 100 公里 2.35 升,最快速度只能达到每小时 48-56 公里。

接下来,我们将研究摩托车的变速器。

名称由来术语“骑摩托车的人”通常与摩托帮成员相关,这就是许多摩托车爱好者喜欢“摩托车手”或者“骑摩托车者”这一术语的原因。获得重生的是四五十岁的摩托车手,直到最近才从摩托车主中统计出这一数字。

摩托车发动机可以产生较大的功率,必须以可控方式将这些功率传递给摩托车的车轮。摩托车变速器通过一系列结构将功率传递给后轮,这些结构包括齿轮组、离合器和传动系统。

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简单的变速器

齿轮组

齿轮组是一组可使摩托车从完全停止到巡航速度的齿轮。摩托车上的变速器通常有 4-6 个齿轮。但是,小型摩托车可能只有 2 个。通过变速杆啮合齿轮,就可以在变速器内移动齿轮换挡叉。

离合器

离合器的工作就是接合和断开发动机曲轴传递给变速器的动力。如果没有离合器,停止车轮转动的唯一方式就是关闭发动机,在任何类型的机动车辆中这 都是不切实际的。离合器就是一系列弹簧加载板,将其一起按下时,将变速器连接到曲柄轴上。要换挡时,摩托车手用离合器将变速器与曲柄轴断开。一旦选定新 挡,使用离合器重新建立连接。

传动系统

可用三种基本方式将发动机功率传递给摩托车后轮:链条、皮带或轴。链条主减速器系统是目前最常用的方式。在此系统中,将安装在输出轴上的链轮 (即变速器中的轴)连接到通过金属链附加在摩托车后轮的链轮上。变速器转动较小的前部链轮时,沿着链条将功率传递给更大的后部链轮,然后转动后轮。这类系 统必须润滑和调整,且由于链条伸长和链轮磨损,还需定期更换。

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Buell Lightning 上的皮带传动

皮带传动是链条传动的替代方法。早期的摩托车经常使用皮带,可用弹簧加载的滑轮和手柄张紧皮带,以提供牵引力。皮带容易打滑,尤其在潮湿天气, 因此经常不采用这种方法,而用其他材料和设计代替。20 世纪 80 年代末,材料的发展使皮带主减速器系统具有可行性。现在的皮带由带齿的橡胶制成,且工作方 式与金属链相同。与金属链不同的是,皮带无需润滑或洗涤剂。

有时也使用轴主减速器。此系统通过传动轴将功率传递给后轮。轴传动非常流行,因为这种方式非常便利,且无需链条系统那么多的维护。但是,轴传动更重,有时会导致摩托车尾部形成称为顶轴的不必要的震动。

摩擦传动摩擦传动是一些摩托车使用的另外一种变速器。 摩擦传动是一类无级变速器,即 CVT。其中,传动比随着连接到发动机的传动盘(传动盘)相对于连接到后轮的另一个传动盘(驱动盘)旋转而发生变化。可通过改变两盘表面间接触点的半径,实现不同的传动比。 无级变速器在机动车辆中具有悠久的历史,而可变摩擦变速器于 20 世纪早期出现在摩托车中。

摩托车底盘

座位和附件摩托车上的座位设计用于承载一或两名乘客。座位位于油箱后,且易于从摩托车架上拆 下。有些座位下或座位后有小型货舱。如需更多存储空间和鞍囊,可将硬塑料盒或皮套安装在后轮两侧或后挡板上。大型摩托车甚至可以拖动小型拖车或边车。边车 有自己的车轮作支撑,并可附加座位容纳一名乘客。

摩托车底盘由车架、悬架装置、车轮和制动器组成。以下将简要说明每个组件。

车架

摩托车具有由钢、铝或合金做成的车架。大多数车架由空心管组成,作为安装传动装置和发动机等组件的骨架。车架也使车轮成直线,以保持对摩托车的操控。

悬架

车架同时也是悬架系 统的支撑物,悬架是一组有助于保持车轮与路面接触,并对颠簸和摇晃形成缓冲的弹簧和减振器。摆臂设计是后部悬架装置最常见的解决方案。在在一端,摆臂控制 后轮轴。另一端,通过摆臂枢轴螺栓将其附加到车架上。减振器从摆臂枢轴螺栓向上延伸,并附加到座位正下方的车架顶部。前轮和轴安装在带内部减振器以及内部 或外部弹簧的伸缩叉上。

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这种哈雷戴维森 Softail 具有摆臂后悬架装置

车轮

尽管在 20 世纪 70 年代引入的一些车型提供铸钢车轮,但是摩托车轮通常采用铝质轮辋或钢质轮辋,并带有轮辐。铸钢车轮允许摩托车使用无内胎轮胎,即它没有内胎保持压缩空气,这与传统的气轮胎不同。空气保持在轮辋与轮胎之间,依赖于轮辋与轮胎之间形成的密封空间维持内部气压。

无内胎轮胎比有内胎轮胎爆胎的可能性小,但是,由于轮辋的小型弯曲可能导致放气,所以在崎岖路面上可能会发生问题。轮胎的各种设计,可满足不同 地形和驾驶条件的要求。例如,泥土路摩托车轮胎具有很深的多节胎面,以在泥土或颗粒上形成最大抓地力。旅行摩托车轮胎由硬质橡胶做成,通常提供的抓地力较 小,但是持续时间更长。尽管与路面接触的面积小,运动型和竞赛型轮胎(通常为钢丝带束的子午线轮胎)却可提供惊人的抓地力。

刹车

摩托车的前轮和后轮均有刹车。摩托车手用右边把手上的手柄启动前刹车,用右部脚踏板启动后刹车。鼓式制动器在 20 世纪 70 年代经前常用,但目前大多数摩托车使用盘式制动器。盘式制动器由连接到车轮及刹车垫之间夹层的钢质制动盘组成。摩托车手操作一个刹车时,通过制动管路控制的液压使刹车垫挤压制动盘的两侧。摩擦导致制动盘和连接的车轮放慢速度或停止。由于重复使用会磨损其表面,所以必须定期更换刹车垫。

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盘式制动器的部件

接下来,我们将了解怎样驾驶摩托车。

由驾驶汽车改为驾驶摩托车非常困难。由于摩托车是两轮交通工具,在停止运动时会发生侧倾。运动中的摩托车会受两轮机器特有的回转力的影响。因此,新摩托车 手必须学习熟练驾驶摩托车所需的技巧,并且必须获得驾驶执照才能在街上驾驶摩托车。尤其是摩托车手必须掌握转向、刹车和换挡技术。

转向

低速转向是一个非常直接的过程。摩托车手只需将手把转到想去的方向即可。这只在速度低于 8 公里/小时才有效。如果摩托车行驶速度更快,摩托车手 必须使用称为反转向的不同转向类型。这类转向可以视为反直觉的。这是因为摩托车手必须将手把推到左侧,以便车辆向右转弯,反之亦然。

这就是它在街道上的运转方式。假设您在州际公路上驾驶摩托车。在您前面,事故或其他障碍阻塞了您右边的车道。如果您是一名新摩托车手,可能会尝 试推动手把右侧,认为这会使摩托车向左转。事实上,这会导致摩托车直接右转冲向障碍物。您应该推动手把左侧,引导前轮到右侧,从而将摩托车转向左侧。

为什么摩托车以这种方式运转?摩托车的车轮和陀螺仪类 似,在以超过 8 公里/小时的速度运行时会产生回转力。进动是回转仪最有趣的一种现象。当在垂直于回转仪的旋转轴方向施加力时,最终的运动垂直于输入力。此 运动称为进动,它是使摩托车转向变为反直觉的原因。这也是指导人员用简单口诀指导摩托车新手的原因:“左推左转,右推右转。”

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图 1:陀螺仪沿着轴旋转
图 2:施加力,以尝试使旋转轴旋转
图 3:陀螺仪沿着与输入力垂直的方向响应输入力

刹车

使行进的摩托车停止,需要摩托车手使用两个刹车——一个在前轮上,受右手控制,另一个在后轮上,受右脚控制。尽管前刹车功能更强大,且通常可提 供 70-90%的总制动力,但也应同时使用两个刹车。新摩托车手在使用前刹车时通常感到害怕,但是每次摩托车减速或者停止时都应该使用。许多事故是由于摩 托车手刹车不正确所致。根据加利福尼亚高速公路巡逻队的统计,后刹车抱死是造成大多数摩托车事故的原因。

换挡

早期的摩托车离合器通过脚踏板来操作,这与汽车驾驶员使用离合器的方式相同。由于摩托车完全停止时要求摩托车手左脚离地,所以这非常不便而且危险(例如,在十字路口)。英国设计师通过手动操作离合器解决了这一问题。目前,手动离合器和脚踏换挡器是所有型号的标准配置。

我们将在下一节探讨一些不同的摩托车类型。

刹车建议摩托车突然减速时,重量转移到前轮。这使得摩托车的后部变轻,并可能导致后轮抱死和打滑。在此情形下,摩托车手应该只保持使用后刹车,并注意他们想要摩托车去的方向。这样摩托车会以一种几乎无摆尾的可控方式继续滑行。

前轮抱死时,摩托车手应该松开前制动。如果不松开,前轮可能在摩托车下滑动,导致跌落。避免前轮抱死的最佳方法就是运用“分阶段刹车”技术。在分阶段刹车中,摩托车手经过四个阶段,其中每个阶段对前刹车施加更大的压力:

  • 第一阶段摩托车手使用的刹车力只需在刹车垫和制动盘之间产生最小摩擦。
  • 第二阶段刹车,摩托车手施加第一阶段的力,然后继续施加更稳定的力。
  • 第四阶段通常用于需要突然减,同时摩托车手很难执行制动的紧急情况,但是应在通过其他阶段后执行。

在所有驾驶情况下摩托车手均可使用这种逐步制动方法,这通常可防止前轮抱死。

摩托车产生了许多不同的风格,每种风格都有其设计和性能特征,以满足特定驾驶条件的需要。 下面来了解摩托车的常见类型。

街道摩托车

街道摩托车提供准备在街道驾驶所必需的各种设备。摩托车具有照明灯、反光镜、喇叭和消音器。 其轮胎有可在湿路和干路面上提供良好摩擦的胎面花纹。 街道摩托车通常有两种形式——旅行摩托车和巡逻摩托车。旅行摩托车特别为长距离旅行而设计。这种摩托车最明显的特征在于它的整流罩,用空气动力学挡风防护 装置包围头灯,以增加时尚感并减少空气阻力。巡逻摩托车也提供长距离行驶所需的其他设备,例如鞍囊和舒适的旅客座位。巡逻摩托车通常没有整流罩,可提供更 悠闲的外观。另外,巡逻摩托车还配有后掠把手、后座和具有前置脚踏的临时驾驶位置。

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旅行摩托车(左图)和巡逻摩托车(右图)

运动型摩托车

运动型摩托车是为进行很好的高速操控,并在弯曲道路上行驶而设计的
。它们提供可产生更大功率的多缸发动机,可改进操控性的铝合金车架和坚硬的悬架装置,以及抓地性强的轮胎和功能强大的制动。运动型摩托车手不是直坐而是前倾在油箱上,以降低风的阻力。

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Darrin Gatewood 供图
2005 雅马哈 FZ6“裸车”

“裸车”

裸车提供运动型摩托车的性能,而没有考虑自身的外观。在大多数情形下,它们剥离了任何不必要的车身结构。因为这通常是想要拥有“公路勇士”外观车辆定制者的产品,裸车也称为街道战士,特别是在欧洲。

传统摩托车

特征为标准的传统外观和装置,如通用日本摩托车(UJM) 的车型,它主要在 20 世纪 70 年代制造。UJM 是多用途全功能的摩托车,而且当前标准提供相同的通用性和直接设计。

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Mike Le Pard 供图,Total Motorcycle1978 铃木 GS550,典型的 UJM

越野摩托车

越野摩托车包括越野机车和泥土路摩托车——这种摩托车被设计用于应付封闭赛道或者林区道路的跳跃、碰撞和其他障碍物。越野摩托车具有更窄、更轻 的车架、增大的离地间隙和高级悬架系统。它们也具有脚踏起动装置以减少重量,并通过多节胎面花纹增大牵引力。由于越野摩托车通常没有标准的照明灯、反光 镜、喇叭或消音器,因此不能在街道上行驶。

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R. Beaty 供图,MorgueFile 行进中的越野车

两用摩托车

两用摩托车,也称为两用运动型摩托车,是提供某些越野功能且符合在街道上行驶条件的摩托车。和泥土路摩托车一样,两用摩托车重量轻而且耐用。与 标准摩托车一样,它们为新车手和有经验的摩托车手提供很大的通用性。两用摩托车介于泥土路摩托车和街道摩托车之间。例如,两用摩托车具有可在泥土路和公路 上使用的特定轮胎。

下面我们将探讨摩托车的历史。

大奖赛摩托车在世界锦标赛大奖赛系列中参赛的摩托车,不是简单提高功率的街道摩托车。它们是特别设计用于在高速和封闭赛道上竞赛的高性能摩托车。目前,大多数大奖赛摩托车有 990cc 四冲程发动机,并能产生 230 马力的功率。

具有这样的功率,导致了有趣的工程悖论。在以大约 300 公里/小时的速度转弯时,摩托 车必须很短,并且在前轮叉上有快速转向方向角。不幸的是,这种摩托车设计方法在进入直道时无法提供更大的稳定性。增大轮叉角度可以增加轴距,使摩托车更稳 定,但是无法高速转弯。尽管大多数美国街道摩托车使用向后倾斜的设计,大奖赛摩托车必须维持短轴距,因此这种摩托车很难驾驶,只有一些专业的公路赛车手才 能适应这一挑战。

大奖赛摩托车手穿上用甲胄和碳纤克维拉耐磨材料加强的连身皮衣。由于摩托车手拐弯时倾斜 45°–55°,因此他们必须用塑料或木质护膝保护膝盖。护膝也有助于他们判断拐角行进了多远。

摩托车由“安全”自行车演变而成,这种自行车具有稳定、易于制动和安装等优点。安全自行车的基本特征包括:

  • 大小相同的辐条前轮和后轮——直径大约为 76 厘米(对比:与普通自行车的前轮为 1.2 米,后轮为 76 厘米)
  • 链条驱动的后轮
  • 前链轮大约是后链轮的两倍。
  • 重心低
  • 直接前部方向盘

第一辆提供所有功能并被市场接受的自行车是约翰•肯普•斯塔利于 1885 年设计的 Rover Safety。Rover 模式占领市场后,安全自行车便简称为“自行车”。

人们接受使用方便的安全自行车设计并在其上绑定内燃机并未花费太长时间。 第一个成功实施的这一想法的人是戈特利布•戴姆勒, 人们认为他于 1885 年制造了第一辆机动自行车(或者摩托车)。戴姆勒摩托车包括垂直安装在机器中心的单缸奥托循环发动机。 摩托车有一个前轮和一个后轮,且每边各有一个弹簧加载的排出轮,以提高稳定性。 其底盘由木架和具有木制轮辐与铁制轮辋的车轮组成。 这些设计被称为“破旧摇晃的车子”,因为它们组合成了粗糙、摇晃的摩托车。

下一辆著名的摩托车由亚历克斯•米利特于 1892 年设计。米利特综合了基本的安全自行车设计,但是增加了气轮胎和内置于后轮的五缸旋转发动机。气缸与车轮一起旋转,而曲轴形成了尾轴。

Hildebrand 和 Wolfmueller 第一次成功的生产了双轮摩托车,并于 1894 在慕尼黑获得专利。然后就有 200 多辆摩托车上路行 驶。Hildebrand 和 Wolfmueller 决定用水冷却并列的双缸发动机,这就需要水池和散热器。其解决方案就是将冷却系统内置于后挡板顶部。

1895 年,DeDion-Buton的大批量生产,给摩托车行业引入了一种带来革命性变化的发动机。DeDion-Buton 发动机是一种可产生半马力功率的小型、质轻和高转速四冲程发动机。尽管 DeDion-Buton 将此发动机用于三轮车中,但是世界各大摩托车制造商纷纷模仿和使用了这种设计。

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Indian Motorbikes 供图
1901 Hendee Single

美国生产的摩托车也基于 DeDion-Buton 发动机。但是,两大最著名美国摩托车制造商整合了 DeDion-Buton 发动机,它们分别是印第安摩托车公司和哈雷戴维森公司。

Carl Oscar Hedstrom 和 George M. Hendee 于 1900 成立了Hendee制造公司,以生产“供大众日常使用的机动摩托车”为目标。1901 年,他们推出了 1.75 马力和最大速度为 40 公里/小时的摩托车。 同时,他们也决定推出全新的摩托车品牌,即 Indian(印第安),这是一战前全球最畅销的摩托车。

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版权所有 Harley-Davidson Archives
哈雷戴维斯机车公司 Archives 供图
第一辆哈雷戴维森摩托车基本上是机动摩托车。

哈雷戴维森机车公司由威廉•哈雷和亚瑟•戴维森于 1902 创建,并投产最具影响的工业机器。 第一款车采用基本的 DeDion-Buton 设计方案,并借用了其他摩托车制造商使用的底盘设计,包括 Indian、Excelsior 和 Pope。哈雷 戴维森最终因为其坚固、强大和耐用而广为人知。1908 年,沃尔特•戴维森在第七届美国联邦摩托车手耐力和可靠性竞赛上获得满分 1000 分,他驾驶的那辆车即后来为人们所熟知的“沉默的老朋友”。 此后不久,亚瑟的弟弟沃尔特•戴维森创造了 100 公里 1.25 升的 FAM 省油记录。1920 年,哈雷戴维森成为世界上最大的摩托车制造商。

尽管摩托车的基本设计相同,但其工艺却不断经历创新并逐步发展。看看下面所示的两种摩托车。联邦机车公司的 B91 Wraith 是一款具有碳素纤维车架,且发动机下具有铸模碳素纤维燃料容器的摩托车,价值 5 万美元。道奇的 Tomahawk 甚至不是严格意义上的摩托车。 要操控沉重的 V10 Viper 发动机,Tomahawk 的设计师必须增加两个车轮。他们也必须将油箱移到前挡板处,以将其与发动机的热源分隔开。

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联邦机车公司供图
B91 Wraith

Tomahawk 实际上是一种概念车,但是它证明了美国人对双轮交通工具的喜爱,并强调了人们首先选择骑摩托车的原因——速度、动力和骑车的兴奋。

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David Zatz 供图,Allpar.com 道奇 Tomahawk

摩托车附件同样变得更具高科技含量。例如,宝马的 K1200 LT Elite 提供内置导航系统,以通过头盔中的扬声器告知路口转向。 原型 Blue Eye 头盔提供世界第一台平视显示器——320×240 像素的彩色液晶显示器在距离眼睛 5 厘米的地方。


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