摩托车中的物理知识 程艳宾

摩托车中的物理知识
山西省临汾市洪洞一中415班程艳宾指导老师：邓宏伟
内容摘要：摩托车作为一种以步代车的工具在生活中的应用十分广泛，它的操作方法可谓“深入民心”。

尽管用起来很简单，但麻雀虽小五脏俱全，它里面包含的物理知识却有很多很多。

我在老师的支持下，亲自拆卸了摩托车的主要部件，了解了有关结构，结合所学物理知识解释了其工作原理，并提出了一些使用小窍门。

关键词：发动机换档离合器曲柄轴飞轮
摩托车由发动机、传动系统、行走系统、转向、制动系统和电气仪表设备五部分组成。

其中发动机、传动系统最为重要，它们是摩托车的核心部分，其中蕴含了许多微妙的物理知识。

发动机是将轴箱与离合器、变速箱设计成一体而成的，结果紧凑。

摩托车发动机的曲轴采用组合式，由左半曲轴、右半曲轴和曲柄销压合而成。

左右半轴的主轴颈上装有滚珠轴，
（如图所示）此处利用滚动摩擦代替滑动摩擦，
减小了阻力，用以将曲轴支撑在曲轴箱上。

曲轴
的两端分别装有飞轮。

磁电机离合器主动齿轮连
杆为整体式结构，下边为圆环状，内设有滚针轴
承，与曲柄销组合成连杆组。

发动机汽缸是摩托
车动力系统中最基本的组成元素，动力由此传
出。

发动机的原理十分简单，就是通过燃烧把化学能转变为热能，利
用大气压强推动活塞对外做功。

摩托车有高低档之分，我们知道一般上坡时需用低档，因为低档的动力更大，而且高一我们也学过P=Fv ，由此可知，输出功率一定时，F与v 成反比，即速度越小，动力越大。

但这种换档是如何实现的，它的工作原理是什么呢？
其实摩托车中的换挡时由摩托车中一个组合式齿轮传动装置来完成的，它的结构十分复杂，但是原理却十分简单。

当动力由曲柄轴传过·离合器处于接通状态时，动力就会传出。

与曲柄轴相连的主轴上有几个大小直径不同的齿轮，但它传出的动力并不是直接传动到摩托车的行走系统上的，而是先传到另一个套有同样半径不同的齿轮的传
动轴上。

这个轴
的末端装有一
个对外传动的
齿轮，（简图如
左）。

当在空档
是，活塞对外做
功使所有主轴
齿轮都转动，不
传动动力。

如图，拿一档来说，挂档时，即用拨档杈把上方的传动轴右移，这时，主轴第一个齿轮与传动轴第一个齿轮纹合，动力开始传送。

挂二档时，
再次拨动传动轴右移一个空键位，这时的传动轴上的第二个齿轮与主轴上的第二个齿轮绞合，第一个齿轮彼此分离。

主传动轴上的一档齿轮较二档齿轮小，副传动轴的一档齿轮较二档齿轮大，当个个相应的档位齿轮绞合时，线速度v相等，且v=ωr , T=2π/ω，由此可得ω1/ω2=v1/v2.(r1是主轴各档齿轮半径，r2是传动付轴各档齿轮半径) 摩托车行使时，ω是固定不变的，当接一档是r1+r2是固定的，r1较小，则r2较大，相应的ω2减小，而r2是与向外传送的飞轮连在同一个传动轴上的，所以ω相同，半径一定时，速度v较小，接二档时，主动轴齿轮变大，ω一定，而副传动轴齿轮变小，所以w增大，飞轮角速度增大，这就是换档的道理。

当然，这是在功率一定的情况下即主动传动轴的角速度的一定时，理想的状态下。

但为什么当功率一定时，速度小就能获得较大的拉力呢？这里除了可以用P=Fv 解释外，还可以从做功和力的角度分析。

功率一定时，曲柄轴转动一周做的功是一定的，假设挂一档时r1=2r2，且车轮的半径为R，根据r1/r2=ω1/ω2=T1/T2可得，当T2=2T1。

假设活塞运作一周期做功为W，则使传动轴齿轮r2转动一周做功为2W。

这时飞轮转动一周，则摩托车前进的距离为2πR1。

假设挂二档时，r1=r2,当活塞做功为2W 时，飞轮转动两周，摩托车前进的距离为4πR。

由W=Fs可知，发动机做功一定时，行走位移越小，F越大，显然，当挂一档时，位移s越小，F自然越大。

这里运用物理学中角速度与线速度的关系还有做功等知识。

还能从传动力这一过程来分析，这里可以理解为杠杆原理，可以用杠杆公式及有关知识进行解释。

发动机的曲柄轴传出力后并不是直接接到主动轴上，而是通过装在曲轴端得主动齿轮、套筒滚子链条和离合器上的从动齿轮组，将发动机动力传到离合器。

离合器这组机构被装置在引擎与手排变速箱之间，负责将引擎的动力传送到手排变速箱。

摩托车离合器有多种形式，其中最常见的是湿式多片摩擦式离合器。

湿式多片摩擦式离合器指的是离合器总成浸在机油中工作，分主动、从动和分离三部分。

发动机的动力经链轮式齿轮传动主动罩，罩的周边开有沟槽，五征嵌有橡胶软木摩擦材料的摩擦片（主动片），其外沿的凸块放置在主动罩的沟槽中随之一同旋转为离合器的主动部分。

四片钢质从动片通过内齿与从动片固定盆相连接构成从动部分。

主、从动片交错安装，固定盆用内花键与变速箱主轴相连，在压盖上的四个离合器弹簧，紧压着摩擦片和从动片，将动力传到变速箱。

离合器为常接合型，当紧捏离合器手把通过钢索使螺套在左罩内转动，螺套中调节螺钉右移，推动分离推杆和压盖，弹簧压力消失，摩擦征与从动片分离。

还有一种是自动离心式离合器，根据发动机转速的高低来自动控制离合器的分离与接合。

离合器由主动、从动和分离接合机构组成。

主动部分由离合器外罩、止推片、离合器片等组成。

从动部分由摩擦片、中心套等组成。

当发动机运转时，随着转速的升高，钢球所产生的离心力也随着增大，（由F=mv2/R可知，v增大，F也增大。

）其轴
向分力克服分离弹簧的张力沿离合器外罩内的沟槽向外移动，压迫止推片紧压离合器片、摩擦征使离合器处于接合状态，将动力输出。

当发动机转速降低至怠或熄火时，钢球离心力减小或没有，分离弹簧的张力克服钢球离心力使钢球沿沟槽退回原位，离合器分离。

摩托车中还有很多地方应用了物理知识，例如：轮胎上刻有花纹，用以增大和路面的摩擦，防止转弯时向心力无法提供而使摩托车偏离车道。

摩托车的发动机上安装有风扇散热装置，利用加大通风量带走热量，还有减震器等，都运用到了物理知识。

现代人买摩托车一个重要的指标就是耗油量，其实，除了摩托的自身因素外，我们也可以通过具体的方法来减少耗油量。

具体如下：
1.正确起步、变速省油技巧
常言道“一挡起步、二挡提速、三挡走步、四挡跑路、五挡高速”。

为起步方便，有些人常用二挡或三挡起步，这个习惯是不正确的。

正确的方法是用一挡起步，因为一挡在很低的转速就能发出很大的扭矩以克服静止车辆的阻力。

发动机得到了充分的预热，各零件膨胀都达到最佳状态。

燃烧密封良好点滴燃油都得到充分的利用。

所以燃料消耗也最小。

待发动机曲轴转速在3000r/min以上时，再换入二挡。

若用二、三挡起步发动机必须达到高转速才行，否则容易出现车速不稳，会更费油。

2．巧用挡位能省油
试验表明，同一车速下高挡比低挡对应的发动机曲轴转速低，功率利用率高，燃油消耗量小。

当然，同一发动机曲轴转速下，相同时间内高挡行驶的里程最多，燃料最省。

例如：125mL车在交通和道路状况好的情况下，在车速为50km/h行驶时，试验结果是：用五挡比四挡省油10%，用五挡比三挡省油17%。

用五挡比二挡省油53%。

由此可见，挡位使用是否恰当，对摩托车油耗有很大的影响。

在爬长坡或道路状况较差时，应适当地选择挡位，并能及时地换挡，使车速与发动机所产生的功率相对应。

实践证明，使用某一挡位上坡时，其油门开度越小就越省油。

因此，上长坡时使用低挡位小油门开度为好。

如上长坡用二挡油门只有1/2开度，若用三挡必须加大油门到3/4开度，油耗则增加。

当然，用摩托车惯性冲坡时，注意高挡冲坡不硬撑、及时换低挡，应避免使用发动机的大功率转速。

在交通条件许可的情况下，要尽量采用高挡行驶。

即使有一段小的坡道，在避免车速不太下降的前提下高挡要尽量用足，换挡的操作要快、过渡时间要短，使车辆速度下降幅度小，功率损失小，轰油门的次数减少，这样也能省油。

3．巧用离合器也能省油
巧用离合器对省油也十分重要。

带挡位的摩托车在刚刚起步时，离合器手柄要慢慢放开；在行驶过程中变挡时，松离合器要稍快一点，能平稳结合不冲就行。

巧松离合要以快但不出现“冲”车为原则，过快易出现熄火和换挡中发生抖动。

有试验显示，起步时熄火启动一次
要多耗油10~15mL，发生抖动比正常起步多耗油5~10mL。

当然松离合过慢则会使离合器过多处于半离合打滑状态，车速损失大，对省油不利。

当摩托车在平路上转弯或者下坡前，巧用离合器也省油。

如转弯前可先快捏离合减速滑行，正当车辆行驶到转弯处时松离合，能利用“发动机制动”来降低车速，以减少转弯时的离心力，避免车体过多倾斜而滑倒。

这与转弯后晚松离合相比，显行更安全、平顺，燃油消耗也相对要小一点。

物理知识在生活中应用有很多，摩托车这种最常见的交通工具只是其中的典型一例，更多的生活中的物理知识还需要我们用心探索。

参考文献：
高中物理课本必修2 主编：张大昌出版社：人民教育出版社。