摩托車動力學

本章介紹與摩托車動力學相關的一些基本知識和名稱術語，為學習後面的章節打下基礎。內容包含：摩托車的分類、規格、自由度、幾何參數、重心位置、質量慣性矩、轉向機構運動學，以及騎士騎乘姿態等。

1-1∣摩托車的分類

最早摩托車的問世可追溯至19世紀中葉，其動力來自蒸氣推動。1885年Gottlieb Daimler創作出第一部用內燃機作為引擎的摩托車。經過100多年的發展，如今摩托車技術和外型已有大幅改進。摩托車依行駛的路況，大致可分成街道行駛（On road）、不良路面行駛（Off road）、街道及越野行駛（Dual purpose）三大類。摩托車的種類形式很多，各國分類方法不同，標準也不統一，我們依造型及功能對一些常見的摩托車分類作簡單的介紹：

1. 賽車（Racing motorcycle）

摩托車競賽依據摩托車的排氣量或類型而分為各種賽事，所使用的摩托車也不同。有一類賽車是專為比賽而特別設計製造的，它特別注重車子的競賽性能而忽視零組件是否耐用及車子是否符合環保。此類摩托車通常不允許在一般道路上行駛，市面上也買不到。圖1-1-1所示的車即為著名的世界摩托車大獎賽（Moto GP）比賽用車。另一類賽車是由市售的摩托車改裝而成的，著名的世界超級摩托車錦標賽（Superbike World Champiomship）便是使用市售跑車改裝而成的賽車。

2. 跑車（Sport bike）

跑車外型類似賽車，採用重量輕、剛性高的車架，引擎的扭矩和馬力大，並採用抓地力大的輪胎，因此具有良好的加速性和較敏捷的操控性，最高車速比一般摩托車高。跑車的零組件耐用度與環保性能符合規範，通常可行駛於一般道路。考慮到空氣阻力，大部分跑車都裝有整流罩（Fairings）。跑車重視高轉速馬力，大多為中置單避震器設計。跑車把手位置較低，腳踏板靠後，騎乘姿勢往前傾（似趴姿），以降低風阻，長時間騎乘會較辛苦，但可享受奔馳的快感。跑車中排氣量大的，模仿賽車性能和款式製作的車種，稱為超級跑車（Superbike）（見圖1-1-2），又稱為仿賽車。超級跑車通常搭載最新技術，設計傾向於輕量化、高轉速和大馬力輸出，裝有全副整流罩，而且還搭配高速防滑胎，因而具備良好的運動性能。

3. 街車（Street bike）

街車又稱標準摩托車（Standard bike），它沒有整流罩（Fairings），其汽缸和所有金屬件裸露於外（見圖1-1-3），因此稱為Naked bike。它是專為行駛於一般道路而設計的摩托車，注重安全和舒適性，採用一體式座椅，騎乘姿勢較賽車及跑車輕鬆。街車主要用於一般的通勤與作為近距離交通工具使用，所以平順的低中轉速扭矩十分地重要，懸吊系統以雙避震器為主。

4. 街跑車（Streetfighter）

近年來街車的設計紛紛融入了跑車風格，其設計除保留金屬裸露外觀，並將跑車的引擎裝在街車上，同時具有街車外型與跑車性能，其馬力和扭矩近似跑車，因此稱為街跑車，如圖1-1-4所示。某些大排氣量街跑車的動力性能，並不亞於跑車。此外，由於騎乘姿勢不會前傾，也適合旅行，但因為沒有前整流罩與擋風板，在高速行駛時正面直接迎風，若長時間高速行駛的話，會比休旅車疲勞。

5. 巡航車（Cruiser motorcycle）

巡航車又稱「嬉皮車」或「美式機車」，其車身低、軸距長、前叉角較大，腳踏板位於身體中心略前的位置，故騎士能以輕鬆的姿勢，舒適地穩定騎乘。這類摩托車穩定性較佳，也適合2人共乘，如圖1-1-5所示。但也因為騎士騎乘時仰起上身，高速行駛時所承受的空氣阻力較大。此外，這類摩托車重視引擎中低轉速的特性，其排氣聲頻率低且厚重，讓騎士聽起來很爽快。

6. 休旅車（Touring motorcycle）

休旅車具有豪華的行李箱、大型整流罩和擋風板（見圖1-1-6），可擋風而減輕騎士所承受的風壓。休旅車強調騎乘姿勢輕鬆、長途行駛的舒適性和穩定性，但又重視騎乘的樂趣和速度，故最大扭矩和馬力通常在中高轉速時出現。有些休旅車特別講究騎乘時的舒適感，配有暖氣、防止腰痛的座墊和穩定手柄的裝備等。

7. 運動休旅車（Sport-touring motorcycle）

運動休旅車是同時具有跑車性能及休旅車舒適性的摩托車，如圖1-1-7所示。

越野車車身較高，適合越野行駛，如圖1-1-8所示。其引擎從低中轉速即可產生強大驅動力，擁有能爬登急陡坡的特性。越野車同時採用深溝紋輪胎、柔性的懸架、較長的避震行程，以及防範受傷或飛石傷害的保護罩等，能順利克服惡劣路況而行駛於砂地、泥土、碎石等非柏油路面。優異的越野車款必須體積小、重量輕以保持敏捷性；同時必須能夠承受車手作跳躍、落地等動作，以及通過石塊或瓦礫的衝擊測試。

越野車又根據行駛路況和使用目的，大致可分為越野障礙賽車、耐力車、滑胎車、林道山地車等不同的類型。

9. 越野障礙賽車（Motocross motorcycle）

越野障礙賽車（見圖1-1-9）是用來參加越野障礙賽（Motocross）的競技用摩托車。越野障礙賽是在封閉場地舉行的競賽，摩托車通常在高低起伏很大的泥土路跳躍與急轉彎行駛。因此，越野障礙賽車的主要特徵是具有輕量化車體，長行程的懸吊系統，高減速比和高擋泥板，以適應行駛在粗糙路面和跳躍等激烈運動。為了輕量化而不裝置保護部件，故禁止在公路上行駛，且因其主要使用於短程競賽上，故油箱的容量也只滿足最低需求。此外，還有一種為耐力賽用的競賽車（Enduro racer），它擁有大型的油箱，必要時也會裝置保護部件。

10. 滑胎車（Motard）

滑胎車形狀類似越野車（見圖1-1-10），但將一般越野車較大尺寸輪胎改成道路用輪胎，並將後輪齒盤縮小，利用越野車的長行程懸吊特性，煞車及換檔的技巧，使車子重心改變，形成車尾擺動滑胎，達到快速轉彎的效果。由於車體兼備越野車的長懸吊行程和易操控的道路用輪胎，故騎乘的感覺相當舒適穩定。

11. 耐力車（Enduro motorcyle）

耐力車（見圖1-1-11）是由越野障礙車經輕微修改而成的，具有合法的牌照、較大的油箱、完整的安全裝備，可合法在路上行駛。這種車通常可在較惡劣的路面進行一到數日的長途競賽，因而稱為耐力車。

12. 林道山地車（Trail bike）

林道山地車多半屬於底盤和座墊都偏低的雙用途越野摩托車，適合在良好路面及不良路面悠閒奔馳的車種，如圖1-1-12所示，這類車引擎多半在低轉速時即有強勁加速能力。林道山地車和耐力車很相似，但因不是用來競賽，因此可能堅固度較耐力車低，但會比耐力車多些配備。

13. 複合型摩托車（On-off road motorcycle）

複合型摩托車（見圖1-1-13）既可行駛於一般道路，也可行駛於砂地、泥土、碎石等非柏油路面，故又稱雙用途車（Dual-purpose motorcycle）或雙運動型車（Dual-sport motorcycle）。

本章介紹與摩托車動力學相關的一些基本知識和名稱術語，為學習後面的章節打下基礎。內容包含：摩托車的分類、規格、自由度、幾何參數、重心位置、質量慣性矩、轉向機構運動學，以及騎士騎乘姿態等。

1-1∣摩托車的分類

最早摩托車的問世可追溯至19世紀中葉，其動力來自蒸氣推動。1885年Gottlieb Daimler創作出第一部用內燃機作為引擎的摩托車。經過100多年的發展，如今摩托車技術和外型已有大幅改進。摩托車依行駛的路況，大致可分成街道行駛（On road）、不良路面行駛（Off road）、街道及越野行駛（Dual purpose）三大類。摩托車的種類...

第二版序言

本書是《摩托車動力學》一書的第二版。為了更好地滿足科技大學車輛類學生以及對摩托車動力學有興趣的讀者的需要，我們對第一版的內容作了必要的修改和補充。

本書第一至第七章基本保留了原有內容。此次再版，增加了第八章，介紹電動摩托車動力學的基本知識。增加這部分內容的原因是：第一，隨著環保意識的提高，近年來電動摩托車越來越受到人們的青睞；第二，電動摩托車的動力從傳統摩托車的引擎變成馬達，兩者的許多動力特性有所不同，需要獨立成章地加以說明。此外，由於摩托車的循跡控制系統逐漸成為標準配備，因此對其工作原理也作了簡要介紹。

由於作者知識有限，疏漏之處在所難免，懇請讀者指正，以便再版時改正。

第二版序言

本書是《摩托車動力學》一書的第二版。為了更好地滿足科技大學車輛類學生以及對摩托車動力學有興趣的讀者的需要，我們對第一版的內容作了必要的修改和補充。

本書第一至第七章基本保留了原有內容。此次再版，增加了第八章，介紹電動摩托車動力學的基本知識。增加這部分內容的原因是：第一，隨著環保意識的提高，近年來電動摩托車越來越受到人們的青睞；第二，電動摩托車的動力從傳統摩托車的引擎變成馬達，兩者的許多動力特性有所不同，需要獨立成章地加以說明。此外，由於摩托車的循跡控制系統逐漸成為標準配備，因此對其工...

1. 概論
1-1 摩托車的分類
1-2 摩托車規格
1-3 摩托車的組合部件及自由度
1-4 摩托車的幾何參數
1-5 摩托車的穩定直線行駛
1-6 摩托車重心的位置
1-7 摩托車的質量慣性矩
1-8 摩托車轉向機構的運動學
1-9 騎乘姿態
2. 摩托車輪胎
2-1 概論
2-2 摩托車輪胎的結構
2-3 摩托車輪胎的分類
2-4 輪胎的花紋
2-5 摩托車輪胎規格的表示法
2-6 摩托車輪胎的斷面
2-7 輪胎外徑的影響
2-8 輪胎的受力分析
2-9 車輪的側向特性
2-10 車輪的縱向特性
2-11 輪胎的魔術公式
2-12 摩托車輪胎附著橢圓
2-13 輪胎不平衡度和不均勻度的實驗測量
3. 摩托車直線行駛動力學
3-1 摩托車的傳動系統
3-2 摩托車引擎扭矩和功率
3-3 摩托車引擎轉速和車速的關係
3-4 驅動力
3-5 摩托車的行駛阻力
3-6 摩托車直線行駛方程及其推導
3-7 摩托車行駛的驅動-附著條件
3-8 摩托車行駛功率方程
3-9 摩托車的動力性指標
3-10 摩托車變速器傳動比
3-11 摩托車二次傳動比
4. 摩托車的制動性
4-1 概論
4-2 制動力
4-3 摩托車制動時的受力分析
4-4 摩托車的前翻
4-5 滑動率對制動的影響
4-6 防鎖死煞車系統與連動式煞車系統
4-7 摩托車煞車的使用
4-8 摩托車循跡控制系統
5. 摩托車的懸吊系統與車架
5-1 概論
5-2 避震器與彈簧之物理模型
5-3 避震器之彈簧
5-4 阻尼器
5-5 摩托車前懸吊系統
5-6 摩托車後懸吊系統
5-7 避震器的調整
5-8 摩托車車架
6. 摩托車的振動
6-1 基本概念
6-2 簡化模型
6-3 平面振動
6-4 多自由度振動理論基礎
6-5 多剛體模型
6-6 時域響應
7. 摩托車的操控性及穩定性
7-1 引言
7-2 操控性及穩定性所涉及的內容
7-3 方向穩定性及回正力矩
7-4 陀螺力矩與方向穩定性
7-5 低轉倒和高轉倒
7-6 逆操舵
7-7 影響摩托車操控性的參數
8. 電動摩托車
8-1 概論
8-2 電動摩托車規格
8-3 電動摩托車馬達
8-4 達特性曲線
8-5 傳動方式
8-6 電動摩托車動力性能
附錄　摩托車的逆操舵原理
參考文獻
索引

1. 概論
1-1 摩托車的分類
1-2 摩托車規格
1-3 摩托車的組合部件及自由度
1-4 摩托車的幾何參數
1-5 摩托車的穩定直線行駛
1-6 摩托車重心的位置
1-7 摩托車的質量慣性矩
1-8 摩托車轉向機構的運動學
1-9 騎乘姿態
2. 摩托車輪胎
2-1 概論
2-2 摩托車輪胎的結構
2-3 摩托車輪胎的分類
2-4 輪胎的花紋
2-5 摩托車輪胎規格的表示法
2-6 摩托車輪胎的斷面
2-7 輪胎外徑的影響
2-8 輪胎的受力分析
2-9 車輪的側向特性
2-10 車輪的縱向特性
2-11 輪胎的魔術公式...