第1章 汽車發(fā)展史

1.1 世界汽車發(fā)展史

1.1.1 汽車的誕生

人類最初的工作完全依靠人類自身的力量來完成，人力就是動力的來源。隨著時(shí)間的推移，人們對自然界的認(rèn)識越來越深刻，利用自然和改造自然的能力日益加強(qiáng)，逐漸開始使用各種能夠利用的資源，如畜力、水力、風(fēng)力等。

在汽車出現(xiàn)以前，人們嘗試?yán)脵C(jī)械作為動力來驅(qū)動運(yùn)輸工具。1765年，英國工人詹姆斯·瓦特推出了實(shí)用蒸汽機(jī)，使蒸汽機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)階段，并廣泛應(yīng)用于世界各國的工業(yè)生產(chǎn)。1769年，法國陸軍工程師古諾試著用一臺蒸汽機(jī)來驅(qū)動車輛，但在試車時(shí)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失靈而撞到墻上，造成了世界上第一起機(jī)動車事故。后來通過他的改進(jìn)，這種蒸汽汽車的時(shí)速達(dá)到了9.5km/h，并可以牽引4～5噸的貨物（圖1.1）。

1831年，美國人哥德史沃奇·勒將一臺蒸汽汽車投入運(yùn)輸，相距15 km的格斯特夏和切羅騰哈姆之間便出現(xiàn)了有規(guī)律的運(yùn)輸服務(wù)，這臺運(yùn)輸車走完全程約需45 分鐘。過了三年，倫敦街頭也出現(xiàn)了蒸汽驅(qū)動的公共汽車。當(dāng)這個(gè)怪物出現(xiàn)在英國城鎮(zhèn)街頭時(shí)，引起了很大的騷動，也招致了民眾的強(qiáng)烈不滿。因?yàn)檫@種車比現(xiàn)在筑路用的壓路機(jī)還重，速度又低，常常撞壞未經(jīng)鋪修的路面，引起各種事故。為此英國制定了“紅旗法規(guī)”，具有諷剌意味的是，由于這條法規(guī)的實(shí)施，使得英國后來在汽車制造業(yè)上大大落后于其他工業(yè)國家。

1876年，德國發(fā)明家尼古拉·奧托發(fā)明了劃時(shí)代的四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)；1879年，德國工程師卡爾·本茨首次試驗(yàn)成功一臺二沖程試驗(yàn)性發(fā)動機(jī)，他在1885 年用一臺兩沖程單缸0.9 馬力的汽油機(jī)制成了第一輛三輪機(jī)動車，并為此申報(bào)了專利，這被看做世界上的第一輛現(xiàn)代汽車。此車具備了現(xiàn)代汽車的一些基本特點(diǎn)，如火花點(diǎn)火、水冷循環(huán)、鋼管車架、鋼板彈簧懸架、后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向和制動手把等（圖1.2）。

與此同時(shí)，德國人戈特利布·戴姆勒與威廉·邁巴赫合作制成了第一臺高速汽油試驗(yàn)性發(fā)動機(jī)，同樣在1886年制成了世界上第一輛“無馬之車”：該車是在買來的一輛四輪馬車上裝用他們制造的功率為1.1馬力、轉(zhuǎn)速為每分鐘650轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，試車時(shí)該車以18km/h的速度從斯圖加特駛向康斯塔特，這在當(dāng)時(shí)被評論為“令人窒息”的速度。世界上第一輛汽油發(fā)動機(jī)驅(qū)動的四輪汽車就此誕生了（圖1.3），因此人們一般都把1886年作為汽車元年，本茨和戴姆勒則被尊為汽車工業(yè)的鼻祖。

進(jìn)入20 世紀(jì)以后，1908 年亨利·福特在美國推出了著名的“T”型車（圖1.4），1913年該公司將流水線引入汽車生產(chǎn)，使汽車產(chǎn)量迅速增長，成本急劇降低，價(jià)格自然也就變得低廉，這樣汽車就由從前的豪華奢侈品變成了平民化的產(chǎn)品，短短19 年，“T”型車就生產(chǎn)了1500 萬輛。美國也因此成為名副其實(shí)的汽車王國。所以有人說，汽車起源于歐洲，發(fā)展于美國。

20世紀(jì)60年代，日本汽車業(yè)開始崛起，日本汽車以節(jié)能和廉價(jià)而風(fēng)靡全球，占領(lǐng)了汽車市場很大的份額。1968年日本汽車年產(chǎn)量達(dá)到300萬輛，超過歐洲各主要汽車生產(chǎn)國產(chǎn)量，躍居世界第二位。到1980年，日本汽車年產(chǎn)量達(dá)到1100萬輛，超過美國“坐”上了世界汽車生產(chǎn)的頭把交椅，日本終于成為美國和歐洲之后世界第三個(gè)汽車工業(yè)發(fā)展中心。豐田公司生產(chǎn)的AA型轎車如圖1.5所示。

20世紀(jì)末期，世界各大汽車廠商為了抵御市場風(fēng)險(xiǎn)，擴(kuò)大對市場的占有率，紛紛采用強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的方式進(jìn)行橫向的并購重組。如1998 年奔馳汽車公司收購了克萊斯勒汽車公司，組成新的戴姆勒-克萊斯勒股份公司。1999 年福特公司收購了沃爾沃公司，雷諾汽車則收購了日本日產(chǎn)汽車……最新的消息是，2009年保時(shí)捷公司在收購失敗后完成了與大眾汽車公司的合并。

進(jìn)入21 世紀(jì)，為了占領(lǐng)未來的汽車市場，許多公司把各種先進(jìn)的新技術(shù)、新設(shè)備、新材料廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)中，使汽車業(yè)日趨自動化和電子化，汽車對我們的生活產(chǎn)生了越來越重要的影響。

1.1.2 汽車外形的發(fā)展

1. 最早的馬車型汽車

1886 年，德國工程師卡爾·本茨（1844—1929）將一臺0.85 馬力的汽油機(jī)裝在一輛三輪馬車上；同年另一位德國工程師戈特利布·戴姆勒（1834—1900）把1.1 馬力汽油發(fā)動機(jī)安裝到一臺四輪馬車上，這便是最早的汽車。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，世界上相繼出現(xiàn)了一批汽車制造公司，除戴姆勒和本茨各自成立了以自己名字命名的汽車公司外，還有美國的福特公司、法國的標(biāo)致和雪鐵龍公司、意大利的菲亞特公司等。當(dāng)時(shí)的汽車外形基本上沿用了馬車的造型。因此，當(dāng)時(shí)人們把汽車稱為無馬的“馬車”（圖1.6）。

2. 箱型汽車

馬車型汽車很難抵擋風(fēng)雨的侵襲，美國福特汽車公司在1915 年生產(chǎn)出一種新型的福特“T”型車，這種車的車室部分很像一只大箱子，并裝有門和窗，人們把這類車稱為“箱型汽車”（圖1.7）。

3. 流線型汽車

箱型汽車在高速行駛時(shí)的阻力大大妨礙了汽車前進(jìn)的速度，所以人們又開始研究一種新的車型——流線型。其中最具代表性的是1933 年德國的保時(shí)捷博士所設(shè)計(jì)的一種類似甲殼蟲外形的汽車，這種車最大限度地發(fā)揮了甲殼蟲外形的長處，使之成為同類車中之王，甲殼蟲也成為該車的代名詞。由于第二次世界大戰(zhàn)的原因，甲殼蟲型汽車直到1949 年才真正大批量生產(chǎn)，并開始暢銷世界各地，同時(shí)以一種車型累計(jì)生產(chǎn)超過2000 萬輛的紀(jì)錄而著稱于世（圖1.8）。在1934年克萊斯勒汽車公司也推出了流線型的氣流牌汽車（圖1.9）。

4. 船型汽車

美國福特公司于1949 年推出具有歷史意義的新型福特“V8”轎車。這種車型改變了以往汽車的造型模式，整個(gè)造型很像一只小船，所以人們把這類車稱為“船型汽車”。與甲殼蟲汽車相比，船型汽車發(fā)動機(jī)前置，使重心前移，同時(shí)加大了行李艙，使整車風(fēng)壓中心位于汽車重心之后，從而增加了抵抗橫向風(fēng)的能力，解決了甲殼蟲型汽車對橫風(fēng)不穩(wěn)定的問題（圖1.10）。

5. 魚型汽車

船型汽車尾部過分向后伸出，形成階梯狀，在高速行駛時(shí)會產(chǎn)生較強(qiáng)的空氣渦流。為了克服這一缺陷，人們把船型車的后窗玻璃逐漸傾斜，傾斜的極限即成為斜背式。由于斜背式汽車的背部像魚的脊背，所以這類車稱為“魚型汽車”。1964年美國的克萊斯勒·順風(fēng)牌和1965年的福特·野馬牌都采用了魚型造型。魚型汽車的缺點(diǎn)是，在高速行駛時(shí)會產(chǎn)生一種升力使車輪附著力減小，容易在橫向風(fēng)作用下發(fā)生偏離的危險(xiǎn)（圖1.11）。

6. 楔型汽車

為了從根本上解決魚型汽車的升力問題，人們設(shè)想了種種方案，最后終于找到了一種楔型。就是將車身整體向前下方傾斜，車身后部像刀切一樣平直，這種造型能有效地克服升力。1963年，司蒂倍克·阿本提第一次設(shè)計(jì)了楔型小客車。

“阿本提楔型車”誕生于船型車的盛行時(shí)代，與通常的外形形成尖銳的對立，因此，未能起到引導(dǎo)車身外形向前發(fā)展的作用。直到1966 年才被奧茲莫比爾·托羅納多所繼承。楔型對于目前所考慮到的高速汽車，已接近于理想的造型。現(xiàn)在世界各大汽車生產(chǎn)國都已生產(chǎn)出帶有楔型效果的小客車，這些汽車的外形清爽利落、簡潔大方，具有現(xiàn)代氣息，給人以美的享受（圖1.12）。

1.1.3 汽車發(fā)動機(jī)的發(fā)展

1670年，荷蘭人海更斯發(fā)明了利用火藥點(diǎn)燃后產(chǎn)生的氣體膨脹推力推動活塞運(yùn)動的內(nèi)燃機(jī)，這是現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的雛形，但是由于火藥燃燒難以控制而未能取得成功。1712年，蘇格蘭鐵匠托馬斯·紐可門發(fā)明了靠機(jī)械來作功的實(shí)用化蒸汽機(jī)，這種蒸汽機(jī)用于驅(qū)動機(jī)械，大大減輕了人們的體力勞動，在歐洲流行了近60年。1765年，英國工人詹姆斯·瓦特改進(jìn)了紐可門的蒸汽機(jī)，使蒸汽機(jī)的燃料消耗量下降，熱效率提高，更加實(shí)用，在1769 年蒸汽機(jī)進(jìn)入了大規(guī)模生產(chǎn)階段，廣泛應(yīng)用于世界各國的工業(yè)生產(chǎn)。

1859年，美國的賓夕法尼亞州打出了世界上第一口油井。此后，石油產(chǎn)量不斷提高，汽油、煤油、柴油逐漸成為廣泛應(yīng)用的新燃料。

1862年，法國工程師德羅夏發(fā)表了一篇關(guān)于內(nèi)燃機(jī)理論的論文，文章闡述了取得最高效率和最佳經(jīng)濟(jì)性能所需要的條件。他明確指出，要制造性能好的內(nèi)燃機(jī)，必須使氣體盡快膨脹到最大，并盡量提高膨脹的初始壓力，如不能很好地滿足這些要求，就會浪費(fèi)大量氣體。但他只是停留在理論層面，并未付諸實(shí)施。在一個(gè)偶然的機(jī)會，德國發(fā)明家尼古拉·奧托發(fā)現(xiàn)了這篇論文，并以此為依據(jù)在1876 年成功發(fā)明了四沖程往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)。這種內(nèi)燃機(jī)以煤氣為燃料，采用火焰點(diǎn)火方式，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，較之蒸汽機(jī)熱效率提高了不少；加之奧托本人在十年后宣布放棄這項(xiàng)專利，因此這種內(nèi)燃機(jī)獲得了空前的推廣。人們?yōu)榱思o(jì)念?yuàn)W托的巨大貢獻(xiàn)，將這種機(jī)械命名為奧托內(nèi)燃機(jī)。但是使用煤氣的奧托內(nèi)燃機(jī)有諸多不便之處，其中最困難的就是燃料的儲存與攜帶，因此難以用做船舶、車輛等運(yùn)輸機(jī)械的動力。

1879 年，德國工程師卡爾·本茨首次試驗(yàn)成功一臺二沖程汽油發(fā)動機(jī)；1883 年，德國的戈特利布·戴姆勒研制出了立式單缸汽油發(fā)動機(jī)；1885年，英國的普雷斯特曼研制出煤油內(nèi)燃機(jī)，1892 年德國人狄塞爾制造了第一臺壓燃式的柴油內(nèi)燃機(jī)；1898 年美國人富蘭克林研制出頂置氣門4 缸風(fēng)冷式發(fā)動機(jī)。可以看出，在19 世紀(jì)末發(fā)動機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展階段。

1957年，德國人汪克爾發(fā)明了轉(zhuǎn)子活塞發(fā)動機(jī)，這種發(fā)動機(jī)利用內(nèi)轉(zhuǎn)子圓外旋輪線和外轉(zhuǎn)子圓內(nèi)旋輪線相結(jié)合的機(jī)構(gòu)，將三角活塞運(yùn)動直接轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，取消了傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)，因此具有質(zhì)量輕、體積小、轉(zhuǎn)速高和功率大的特點(diǎn)。一年后，汪克爾將外轉(zhuǎn)子改為固定轉(zhuǎn)子行星運(yùn)動，制成功率為22.79kW、轉(zhuǎn)速為5500r/min的新型活塞發(fā)動機(jī)。后來，日本東洋公司（馬自達(dá)公司的前身）買下了轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)的專利，將其安裝到汽車上，并逐步加以完善。但到目前為止，轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)仍然只是馬自達(dá)公司的獨(dú)門技術(shù)，并未普及。

現(xiàn)在流行的電噴發(fā)動機(jī)最早出現(xiàn)于1967年，是由德國保時(shí)捷公司研制的D型電子噴射裝置，隨后被用在部分德系轎車上。這種裝置以進(jìn)氣管內(nèi)的壓力作為控制噴油量的依據(jù)，但是它的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作穩(wěn)定性差，造價(jià)高昂。針對這些缺點(diǎn)，博世公司推出了改進(jìn)后的L型電子控制汽油噴射裝置，它以進(jìn)氣管內(nèi)的空氣流量做參數(shù)，可以直接按照進(jìn)氣流量與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系確定進(jìn)氣量，據(jù)此噴射出相應(yīng)的汽油。這種裝置由于設(shè)計(jì)合理，工作可靠，為歐洲和日本等汽車制造公司所廣泛采用，并奠定了今天電子控制燃油噴射裝置的雛形。

目前為止，電噴系統(tǒng)的行車電腦會隨時(shí)通過傳感器監(jiān)測發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、進(jìn)氣流量、轉(zhuǎn)速變化、震動狀況，并依照實(shí)際需求調(diào)整供油量與點(diǎn)火時(shí)間，因此在動力輸出、燃油經(jīng)濟(jì)與排污表現(xiàn)上可以取得相當(dāng)不錯(cuò)的平衡。同時(shí)為了增加發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，提高燃油效率，發(fā)動機(jī)從早期的單點(diǎn)噴射，演化至多點(diǎn)噴射，氣門數(shù)量從兩個(gè)增加至五個(gè)。總體而言，電噴供油系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是燃油供給被控制得十分精確，讓發(fā)動機(jī)在任何狀態(tài)下都能有正確的空燃比，不僅讓發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)保持順暢，同時(shí)發(fā)動機(jī)排放的廢氣也能符合環(huán)保法規(guī)的要求。然而，由于這一階段的電噴系統(tǒng)是將燃油噴嘴安裝在氣門旁邊的，只有在氣門打開時(shí)才能完成油氣噴射，因此噴射會受到氣門開合周期的影響，產(chǎn)生延遲，進(jìn)而影響電腦對噴射控制的精確程度。針對上述問題，又產(chǎn)生了改進(jìn)后的缸內(nèi)直噴技術(shù)，將燃油噴嘴從氣缸外面移到了氣缸內(nèi)部，通過電腦自動決定噴油時(shí)機(jī)與分量，而氣門則只是控制空氣的進(jìn)入時(shí)間，汽油與空氣進(jìn)入汽缸后才進(jìn)行混合。由于油、氣的混合空間、時(shí)間都相當(dāng)短暫，因此缸內(nèi)直噴系統(tǒng)必須依靠高壓將燃油從噴油嘴壓入汽缸，以達(dá)到高度霧化的效果，從而更好地進(jìn)行油氣混合。一般而言，應(yīng)用了缸內(nèi)直噴技術(shù)的發(fā)動機(jī)要比同排量的多點(diǎn)噴射發(fā)動機(jī)的峰值功率提升10%～15%，而峰值扭矩能提升5%～10%。

在發(fā)動機(jī)的工作方式和噴油方式確定后，發(fā)動機(jī)的進(jìn)化之路并沒有終止，在發(fā)動機(jī)技術(shù)的完善上一代又一代的汽車人在做著不懈的努力。有些完善甚至都沒辦法記錄。可以肯定的是現(xiàn)在的發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平順了，抖動也不是那么激烈了。燃油經(jīng)濟(jì)性也更好了，動力更足了。而這些都是依賴于新技術(shù)的運(yùn)用。為了改善進(jìn)氣，相繼出現(xiàn)了本田的ECVT，豐田的VVT-I，現(xiàn)代的CVVT，通用的DVVT等可變氣門正時(shí)技術(shù)；為了獲得更好的空燃比，就有了大眾的TFSI分層噴射技術(shù)，VIS可變進(jìn)氣道技術(shù)，渦輪增壓中冷技術(shù)等；為了使環(huán)境污染最小，在排氣管里又增加了氧傳感器，三元催化轉(zhuǎn)化器，以及廢氣再循環(huán)等技術(shù)。

目前，由于環(huán)境污染的惡劣影響，對汽車尾氣排放的要求也越來越高，落后的發(fā)動機(jī)技術(shù)被淘汰已經(jīng)成了必然，更多充分利用能源的技術(shù)也在不停地研發(fā)中。同時(shí)由于全球能源危機(jī)的巨大影響，更加節(jié)能的新能源技術(shù)必將在發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展上書寫重重的一筆。

1.1.4 汽車底盤的發(fā)展

最早的汽車沒有專門的底盤，世界上第一輛汽車是在馬車上安裝發(fā)動機(jī)而形成的。隨著汽車的發(fā)展，人們開始設(shè)計(jì)專門的底盤供汽車使用。

1891年，法國人潘赫德和萊瓦索爾采用發(fā)動機(jī)前置、后輪驅(qū)動的結(jié)構(gòu)形式，并為此設(shè)計(jì)了專用的汽車底盤。這一結(jié)構(gòu)奠定了汽車傳動的基本形式，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)被全世界廣泛效仿。1894年，法國人米其林兄弟發(fā)明了充氣式橡膠輪胎。同年奔馳汽車公司將米其林發(fā)明的可拆卸式充氣輪胎安裝在維多利亞牌汽車上，以前使用的實(shí)心橡膠輪胎開始退出歷史舞臺。1895年，法國人萊瓦索爾研制出用手操縱的齒輪變速傳動裝置。1898年，法國人雷諾將萬向節(jié)首先用于汽車傳動，并發(fā)明傘齒輪式主減速器傳動裝置，取代了傳統(tǒng)的鏈條傳動方式。1899年，戴姆勒汽車公司將分擋變速器安裝在自己的產(chǎn)品上……由此可見，在汽車發(fā)明后的短短十幾年間，汽車底盤技術(shù)的發(fā)展是非常迅速的。

進(jìn)入20 世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車底盤的發(fā)展也是日新月異。奔馳汽車公司在1900 年開始用鋼材代替木材制作車架，同年傾斜式圓形方向盤首次面世。1916 年，在當(dāng)時(shí)非常流行的傾斜式擋風(fēng)玻璃上，安裝了手動的刮水器。1918年，美國人麥克姆·羅西德制成四輪液壓制動器并獲得專利。1923 年，菲亞特公司推出了可調(diào)整的方向盤。1924 年，博世公司開始生產(chǎn)電動刮水器。1926 年，凱迪拉克公司將防碎玻璃用于汽車。1930 年，戴姆勒公司將液力耦合器用于汽車，改變了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動方式。1931年，出現(xiàn)了采用獨(dú)立懸架的汽車。1934年，采用流線型車身的克萊斯勒“氣流”牌客車問世，同年雪鐵龍公司推出了前輪驅(qū)動汽車。1939年，奧茲莫比爾汽車采用了史無前例的液力-機(jī)械聯(lián)合傳動系統(tǒng)。1941年，克萊斯勒公司研制成功四速半自動變速器及液力變矩器并很快將其裝備在汽車上。1946年，米其林公司研制出子午線輪胎。1952年轉(zhuǎn)向助力器裝車使用，同年美國人開始采用座椅安全帶。1958年無級變速器問世。

20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)開始大規(guī)模進(jìn)入人們的生活，各大汽車公司相繼推出了各種各樣的電控底盤結(jié)構(gòu)。防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、牽引力控制系統(tǒng)（TCS）、可調(diào)空氣懸架系統(tǒng)、巡航控制系統(tǒng)（CCS）、電子車輛穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）、安全氣囊、電控自動變速器（ECAT）電子轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)等紛紛問世，并逐漸成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置，使汽車的操控變得更加容易，安全性能也得到了進(jìn)一步的提升。