第1章 汽車發展史

1.1 世界汽車發展史

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。隨著時間的推移，人們對自然界的認識越來越深刻，利用自然和改造自然的能力日益加強，逐漸開始使用各種能夠利用的資源，如畜力、水力、風力等。

在汽車出現以前，人們嘗試利用機械作為動力來驅動運輸工具。1765年，英國工人詹姆斯·瓦特推出了實用蒸汽機，使蒸汽機進入了大規模生產階段，并廣泛應用于世界各國的工業生產。1769年，法國陸軍工程師古諾試著用一臺蒸汽機來驅動車輛，但在試車時轉向系統失靈而撞到墻上，造成了世界上第一起機動車事故。后來通過他的改進，這種蒸汽汽車的時速達到了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輸，相距15 km的格斯特夏和切羅騰哈姆之間便出現了有規律的運輸服務，這臺運輸車走完全程約需45 分鐘。過了三年，倫敦街頭也出現了蒸汽驅動的公共汽車。當這個怪物出現在英國城鎮街頭時，引起了很大的騷動，也招致了民眾的強烈不滿。因為這種車比現在筑路用的壓路機還重，速度又低，常常撞壞未經鋪修的路面，引起各種事故。為此英國制定了“紅旗法規”，具有諷剌意味的是，由于這條法規的實施，使得英國后來在汽車制造業上大大落后于其他工業國家。

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

與此同時，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性發動機，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、轉速為每分鐘650轉的發動機，試車時該車以18km/h的速度從斯圖加特駛向康斯塔特，這在當時被評論為“令人窒息”的速度。世界上第一輛汽油發動機驅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的鼻祖。

進入20 世紀以后，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，使汽車產量迅速增長，成本急劇降低，價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品，短短19 年，“T”型車就生產了1500 萬輛。美國也因此成為名副其實的汽車王國。所以有人說，汽車起源于歐洲，發展于美國。

20世紀60年代，日本汽車業開始崛起，日本汽車以節能和廉價而風靡全球，占領了汽車市場很大的份額。1968年日本汽車年產量達到300萬輛，超過歐洲各主要汽車生產國產量，躍居世界第二位。到1980年，日本汽車年產量達到1100萬輛，超過美國“坐”上了世界汽車生產的頭把交椅，日本終于成為美國和歐洲之后世界第三個汽車工業發展中心。豐田公司生產的AA型轎車如圖1.5所示。

20世紀末期，世界各大汽車廠商為了抵御市場風險，擴大對市場的占有率，紛紛采用強強聯合的方式進行橫向的并購重組。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汽車……最新的消息是，2009年保時捷公司在收購失敗后完成了與大眾汽車公司的合并。

進入21 世紀，為了占領未來的汽車市場，許多公司把各種先進的新技術、新設備、新材料廣泛應用于汽車工業中，使汽車業日趨自動化和電子化，汽車對我們的生活產生了越來越重要的影響。

1.1.2 汽車外形的發展

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 馬力汽油發動機安裝到一臺四輪馬車上，這便是最早的汽車。從19世紀末到20世紀初，世界上相繼出現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、法國的標致和雪鐵龍公司、意大利的菲亞特公司等。當時的汽車外形基本上沿用了馬車的造型。因此，當時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雨的侵襲，美國福特汽車公司在1915 年生產出一種新型的福特“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的阻力大大妨礙了汽車前進的速度，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 年德國的保時捷博士所設計的一種類似甲殼蟲外形的汽車，這種車最大限度地發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的原因，甲殼蟲型汽車直到1949 年才真正大批量生產，并開始暢銷世界各地，同時以一種車型累計生產超過2000 萬輛的紀錄而著稱于世（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，船型汽車發動機前置，使重心前移，同時加大了行李艙，使整車風壓中心位于汽車重心之后，從而增加了抵抗橫向風的能力，解決了甲殼蟲型汽車對橫風不穩定的問題（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，在高速行駛時會產生較強的空氣渦流。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。魚型汽車的缺點是，在高速行駛時會產生一種升力使車輪附著力減小，容易在橫向風作用下發生偏離的危險（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·阿本提第一次設計了楔型小客車。

“阿本提楔型車”誕生于船型車的盛行時代，與通常的外形形成尖銳的對立，因此，未能起到引導車身外形向前發展的作用。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?，F在世界各大汽車生產國都已生產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，具有現代氣息，給人以美的享受（圖1.12）。

1.1.3 汽車發動機的發展

1670年，荷蘭人海更斯發明了利用火藥點燃后產生的氣體膨脹推力推動活塞運動的內燃機，這是現代內燃機的雛形，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·紐可門發明了靠機械來作功的實用化蒸汽機，這種蒸汽機用于驅動機械，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·瓦特改進了紐可門的蒸汽機，使蒸汽機的燃料消耗量下降，熱效率提高，更加實用，在1769 年蒸汽機進入了大規模生產階段，廣泛應用于世界各國的工業生產。

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

1862年，法國工程師德羅夏發表了一篇關于內燃機理論的論文，文章闡述了取得最高效率和最佳經濟性能所需要的條件。他明確指出，要制造性能好的內燃機，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，就會浪費大量氣體。但他只是停留在理論層面，并未付諸實施。在一個偶然的機會，德國發明家尼古拉·奧托發現了這篇論文，并以此為依據在1876 年成功發明了四沖程往復活塞式內燃機。這種內燃機以煤氣為燃料，采用火焰點火方式，運轉平穩，較之蒸汽機熱效率提高了不少；加之奧托本人在十年后宣布放棄這項專利，因此這種內燃機獲得了空前的推廣。人們為了紀念奧托的巨大貢獻，將這種機械命名為奧托內燃機。但是使用煤氣的奧托內燃機有諸多不便之處，其中最困難的就是燃料的儲存與攜帶，因此難以用做船舶、車輛等運輸機械的動力。

1879 年，德國工程師卡爾·本茨首次試驗成功一臺二沖程汽油發動機；1883 年，德國的戈特利布·戴姆勒研制出了立式單缸汽油發動機；1885年，英國的普雷斯特曼研制出煤油內燃機，1892 年德國人狄塞爾制造了第一臺壓燃式的柴油內燃機；1898 年美國人富蘭克林研制出頂置氣門4 缸風冷式發動機?？梢钥闯?，在19 世紀末發動機已經進入了高速發展階段。

1957年，德國人汪克爾發明了轉子活塞發動機，這種發動機利用內轉子圓外旋輪線和外轉子圓內旋輪線相結合的機構，將三角活塞運動直接轉換成旋轉運動，取消了傳統發動機的曲柄連桿機構和配氣機構，因此具有質量輕、體積小、轉速高和功率大的特點。一年后，汪克爾將外轉子改為固定轉子行星運動，制成功率為22.79kW、轉速為5500r/min的新型活塞發動機。后來，日本東洋公司（馬自達公司的前身）買下了轉子發動機的專利，將其安裝到汽車上，并逐步加以完善。但到目前為止，轉子發動機仍然只是馬自達公司的獨門技術，并未普及。

現在流行的電噴發動機最早出現于1967年，是由德國保時捷公司研制的D型電子噴射裝置，隨后被用在部分德系轎車上。這種裝置以進氣管內的壓力作為控制噴油量的依據，但是它的缺點是結構復雜，工作穩定性差，造價高昂。針對這些缺點，博世公司推出了改進后的L型電子控制汽油噴射裝置，它以進氣管內的空氣流量做參數，可以直接按照進氣流量與發動機轉速的關系確定進氣量，據此噴射出相應的汽油。這種裝置由于設計合理，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，電噴系統的行車電腦會隨時通過傳感器監測發動機冷卻液溫度、進氣流量、轉速變化、震動狀況，并依照實際需求調整供油量與點火時間，因此在動力輸出、燃油經濟與排污表現上可以取得相當不錯的平衡。同時為了增加發動機進氣量，提高燃油效率，發動機從早期的單點噴射，演化至多點噴射，氣門數量從兩個增加至五個?？傮w而言，電噴供油系統的最大優點就是燃油供給被控制得十分精確，讓發動機在任何狀態下都能有正確的空燃比，不僅讓發動機的運轉保持順暢，同時發動機排放的廢氣也能符合環保法規的要求。然而，由于這一階段的電噴系統是將燃油噴嘴安裝在氣門旁邊的，只有在氣門打開時才能完成油氣噴射，因此噴射會受到氣門開合周期的影響，產生延遲，進而影響電腦對噴射控制的精確程度。針對上述問題，又產生了改進后的缸內直噴技術，將燃油噴嘴從氣缸外面移到了氣缸內部，通過電腦自動決定噴油時機與分量，而氣門則只是控制空氣的進入時間，汽油與空氣進入汽缸后才進行混合。由于油、氣的混合空間、時間都相當短暫，因此缸內直噴系統必須依靠高壓將燃油從噴油嘴壓入汽缸，以達到高度霧化的效果，從而更好地進行油氣混合。一般而言，應用了缸內直噴技術的發動機要比同排量的多點噴射發動機的峰值功率提升10%～15%，而峰值扭矩能提升5%～10%。

在發動機的工作方式和噴油方式確定后，發動機的進化之路并沒有終止，在發動機技術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?？梢钥隙ǖ氖乾F在的發動機運轉更加平順了，抖動也不是那么激烈了。燃油經濟性也更好了，動力更足了。而這些都是依賴于新技術的運用。為了改善進氣，相繼出現了本田的ECVT，豐田的VVT-I，現代的CVVT，通用的DVVT等可變氣門正時技術；為了獲得更好的空燃比，就有了大眾的TFSI分層噴射技術，VIS可變進氣道技術，渦輪增壓中冷技術等；為了使環境污染最小，在排氣管里又增加了氧傳感器，三元催化轉化器，以及廢氣再循環等技術。

目前，由于環境污染的惡劣影響，對汽車尾氣排放的要求也越來越高，落后的發動機技術被淘汰已經成了必然，更多充分利用能源的技術也在不停地研發中。同時由于全球能源危機的巨大影響，更加節能的新能源技術必將在發動機技術的發展上書寫重重的一筆。

1.1.4 汽車底盤的發展

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動機而形成的。隨著汽車的發展，人們開始設計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動機前置、后輪驅動的結構形式，并為此設計了專用的汽車底盤。這一結構奠定了汽車傳動的基本形式，在相當長的時間內被全世界廣泛效仿。1894年，法國人米其林兄弟發明了充氣式橡膠輪胎。同年奔馳汽車公司將米其林發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首先用于汽車傳動，并發明傘齒輪式主減速器傳動裝置，取代了傳統的鏈條傳動方式。1899年，戴姆勒汽車公司將分擋變速器安裝在自己的產品上……由此可見，在汽車發明后的短短十幾年間，汽車底盤技術的發展是非常迅速的。

進入20 世紀，隨著科學技術的進步，汽車底盤的發展也是日新月異。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，在當時非常流行的傾斜式擋風玻璃上，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整的方向盤。1924 年，博世公司開始生產電動刮水器。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，改變了傳統的機械傳動方式。1931年，出現了采用獨立懸架的汽車。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動汽車。1939年，奧茲莫比爾汽車采用了史無前例的液力-機械聯合傳動系統。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70年代，計算機開始大規模進入人們的生活，各大汽車公司相繼推出了各種各樣的電控底盤結構。防抱死制動系統（ABS）、牽引力控制系統（TCS）、可調空氣懸架系統、巡航控制系統（CCS）、電子車輛穩定系統（ESP）、安全氣囊、電控自動變速器（ECAT）電子轉向助力系統等紛紛問世，并逐漸成為汽車的標準配置，使汽車的操控變得更加容易，安全性能也得到了進一步的提升。