汽车(卷名：机械工程)
motor vehicle
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(简史)
早期汽车的发展
蒸汽汽车
蓄电池电力汽车
汽油机汽车
现代汽车的发展
19世纪末至20世纪30年代
20世纪30年代至60年代中期
20世纪60年代中期以后
性能
行驶能力
动力性
装载量
续驶里程
结构可靠性
操纵性
燃料经济性
舒适性
通过性
适应性
法规和标准
法规
标准
广泛影响
对石油工业的影响
对动力机械的影响
对加工设备工业的影响
与橡胶工业的关系
促进道路的发展
对人类生活的影响
发展趋势
节约能源
利用非石油能源
扩大新型材料在汽车上的应用━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
自带能源的机动轮式无轨车辆，是使用最广泛的交通运输工具。汽车按运输对象分为客运汽车和货运汽车（简称货车）两大类。客运汽车按座位多少可分为客车和轿车。一般乘坐9人以上的为客车，9人以下的为轿车。货运汽车分公路用和非公路用两类。按特种用途，汽车又可分为专用汽车、越野汽车和农业用汽车。汽车由汽车车身和汽车底盘两部分组成，可与挂车和半挂车组成汽车列车。
简 史
汽车是法、英、德、美等国的创造发明者经过不断试验而制成的综合产物。从早期汽车发展到现代汽车，经历了200多年的时间。
早期汽车的发展 初期的汽车都是轿车，用以代替载客的马车。当时的汽油机功率很小，不足以驱动运货和载运较多乘客的货车和客车。货车是在1896年30千瓦汽油机问世之后才出现的，客车出现于1898年。
早期汽车主要包括蒸汽汽车、蓄电池电力汽车和汽油机汽车3种。
蒸汽汽车 一般认为，1769年法国N.J.居诺制成的三轮蒸汽汽车是第一辆真正能够行驶的汽车，可载 4人，每次蒸汽压力升高后可行驶20分钟，曾达到3.6公里／时的速度。1784年，W.默多克制成的一辆蒸汽汽车曾在英国康华尔路上试行。J.瓦特从安全观点出发，反对采用高压蒸汽和蒸汽汽车，因此在1800年瓦特的蒸汽机专利失效前，高压蒸汽机和蒸汽汽车的发展受到影响。
英国R.特里维西克对高压蒸汽机的应用做出很大贡献，并于1801年制成他的第一辆蒸汽汽车并驾驶它驶上山坡。1803年，他的第二辆蒸汽汽车又行驶在伦敦的街道上。特里维西克曾驾车一次行驶 135公里，平均速度达14.2公里／时。19世纪中叶，英、法、美等国曾有许多人研制蒸汽汽车，并制成蒸汽客车在城市内或城市间行驶，但因蒸汽客车噪声大，黑烟多，破坏路面，而且不安全，引起公众反对而停止行驶。1865年，英国议会通过《红旗法案》，限制行车速度，市内不超过3公里／时，乡间不超过 6公里／时，英国的汽车发展受到了限制。《红旗法案》在1896年被废除。
蒸汽汽车在汽油机汽车出现后仍有发展。1906年，美国制造一辆蒸汽赛车，速度达到 205.4公里／时。以后，蒸汽汽车虽逐渐衰落，但直至1926年还有工厂生产。
蓄电池电力汽车 蓄电池电力汽车于1881年在巴黎出现。早期的发展速度高于汽油机汽车。19世纪末至20世纪初，美国的汽车保有量中，蓄电池汽车占38％（蒸汽汽车占40％，汽油机汽车占22％）。1912年，蓄电池汽车达到发展的顶峰，当时在美国登记的有 33842辆。蓄电池汽车起动、加速、减速都很简便，振动小，噪声低，维修保养工作量小，很受欢迎，但蓄电池汽车速度低，一次充电后的行驶距离小，需要经常充电。在汽油机汽车逐渐完善后，蓄电池汽车很快即被取代，但短程的搬运车辆仍较多采用蓄电池──电动机驱动系统。
汽油机汽车 19世纪60～70年代，煤气机和汽油机相续出现，为汽车的发展打开了新的前景。参与这些发动机的发明和改进的有法国的┵.勒努瓦、奥地利的S.马尔库斯和德国的N.A.奥托、W.奥托、C.本茨、G.戴姆勒等。各国的一些机械师、马车和自行车制造者也先后加入了汽车创造者的行列，并作出不同程度的贡献。本茨和戴姆勒是汽油机汽车的最主要和最成功的创建人。1885年初，本茨的单气缸二冲程汽油机三轮汽车围绕他的工厂行驶4圈。1886年1月29日，本茨取得世界上第一辆汽车的专利。1883年，戴姆勒制成当时真正高速的单气缸四冲程汽油机，设计转速达到700转／分。他的第二台汽油机装在木制双轮车上，在1885年11月试驶成功。1886年，戴姆勒制成第一辆四轮汽车。1889年，他对以前的车型作了较大的改进。至1890年，他的汽车的销售量达到350辆。1893年，本茨也转而制造四轮汽车。19世纪末，世界上已有成百家作坊式的汽车工厂。
1891年，法国的R.庞阿尔和┵.勒瓦索改进汽车的设计，将汽油机装在汽车前部，汽车遂形成自己的独特形式，而不再是装有发动机的马车。至20世纪初，汽油机汽车设计已大体定型，即两轴四轮，前轮转向，后轮驱动和制动（1923年起普遍采用四轮制动），并采用了充气轮胎和封闭式车身。前置的四冲程水冷式汽油机的动力通过离合器、变速器、传动轴而传到装有差动机构的后轴和后轮。这种结构型式使汽车重量恰当地分配于转向的前轮(～1/3)和驱动的后轮(～2/3)。用于驱动的后轮不转向，用于转向的前轮不驱动，结构比较简单。
在19世纪和20世纪初，汽车仅是一种奢侈品，生产批量小，销路不大。美国的汽车制造家H.福特于1908年制造 T型轿车并投入市场，对汽车的发展起了很大的作用（见汽车生产）。他使汽车成为公众实用的交通工具。他改革以前生产的车型，减少一切不必要的装饰，简化机构，集中生产单一车型，促进了汽车的生产，从而使汽车对社会产生了多方面的重要影响。(见彩图)
现代汽车的发展 现代汽车约经历了3个发展阶段。
19世纪末至20世纪30年代 这一时期汽车发展的主要特点是类型完备化和结构完善化。适合汽车使用的高速汽油机和柴油机、艾克曼式转向梯形连杆机构、等速万向节（见万向联轴器）、弧锥齿轮传动、双曲面齿轮传动、带有同步器的变速器、四轮制动、液压减振器和充气轮胎等，都是这一时期的发展成就。从1912年开始，汽车上装设了发电机-蓄电池-起动马达系统，还以电池点火系统代替了磁电点火系统(见汽油机点火系统)。由于有了较充分的电源，汽车的照明和信号系统完备起来，使汽车可以安全地在城乡道路上日夜高速行驶。
早期汽车的车身和马车车身一样，在木制骨架上蒙覆铁皮。1910年前后汽车开始大量生产，逐渐改用金属车身。由于采用经过热处理的合金钢曲轴，汽车用汽油机的转速已能达到3000转／分。
20世纪30年代至60年代中期 这一时期，由于资本主义世界经济相对繁荣，石油供应充足，价格低廉，在主要汽车生产国，汽车发展的主要目标是满足使用者对汽车的方便、舒适、高速和装饰等方面的要求。在美国，当时轿车的使用者较少考虑他们的要求对社会的影响。为了降低汽车高度，曾采用中凹式车架，并出现过水滴式的流线型和翘尾翼等，以减少空气阻力和增加车身的外观装饰。在部件结构方面采用了前轮独立悬架系，并一度采用过空气悬架（见空气弹簧）和平衡式油汽悬架等。1940年，汽车采用液力自动变速器(见液力变矩器)。动力转向系在30年代已用于重型货车和军用汽车，到40年代开始用于轿车和客车。第二次世界大战期间，军用汽车已开始使用低压轮胎、中央充气、全轮驱动、全轮独立悬架等结构。
50年代的汽车较为普遍地采用动力制动操纵系。这时，轿车发动机的功率曾达到280千瓦，轿车的最高速度达到200公里／时。50年代以后，轿车（图1）开始采用低断面、宽轮辋、低气压的无内胎子午线轮胎，进一步提高了汽车的舒适性和安全性。（见彩图）
在这一阶段，客车和货车发展也很迅速。1935年左右，大功率高速柴油机的出现使货车载重量达到15吨。60年代中期，工矿用自卸车（图2）载重量已达到百吨级。
20世纪60年代中期以后 高速公路的发展、行车速度的提高和汽车保有量的迅速增加，带来了汽车交通安全和环境污染问题（见汽车安全、汽车排气污染）。一些国家的政府制定了安全条例和限制排气中含有害物质量的标准。这时，汽车发展的主要目标是既满足使用者的要求，又必须符合政府条例法令的规定。1971年中东战争后，石油涨价，能源问题突出，节省能源又成为汽车发展的目标。新型轿车减小了发动机的排量，采取了减少排气污染的措施。有些制造公司将沿用已久的 V型8缸发动机改为直列的4缸和 6缸发动机，并采用轻合金、塑料和高强度低合金钢。这些措施使新型轿车比传统的大型轿车约减轻半吨，长度缩短 1米以上。在安全方面，要求加装乘员安全带，使用合成纤维树脂、烧结粉末金属和金属陶瓷等新的摩擦材料、盘式制动器、双管路和车轮防抱的制动系等。汽车开始采用防眩目的远近光大灯、易于观察的仪表、能吸收冲击能量的转向机柱、在发生事故时能吸收冲击能量而不致发生过大变形并能保持车门不打开的车身结构等。为了降低成本，各系统要求简化，因此往往重新采用旧的结构。例如40年代初，为了换档动作方便常将变速换档杆装在转向机柱侧面，到70年代初，变速换档杆又重新置于变速器上。70年代中期以后，为了更进一步节约能源、减轻汽车排气污染、提高汽车的舒适性、稳定性和安全性，许多轿车装置了前轮驱动系统、全轮独立悬架、四轮盘式制动器和数字显示仪表。汽车内部布置追求宽敞舒适，外形更加紧凑简洁，设计流线型更好、刚度更适当的车身和汽油喷射发动机。1981年，美国通用汽车公司生产的所有汽油机轿车都装有微型计算机控制系统，用以连续监测和调整汽油与空气的比例和点火时间，以控制排气污染和改善燃料经济性。更多的轿车采用了柴油机，在重型货车和超重型的工矿自卸车的柴油机上更多地装置了废气蜗轮增压器（见废气涡轮增压），有的还装用中冷器。为了减轻保养工作量，许多汽车的部件内已装用终生润滑或密封的装置。（见彩图）
在这一阶段中，由于计算机辅助设计的应用，某些设计方案可以不经试制而得出初步结论。在设计中运用了50～60年代发展起来的累积疲劳寿命理论、有限元法、断裂力学分析、应力测定等新的理论和方法，强度和寿命数据的计算比以前更为精确。有限寿命设计（见疲劳强度设计）方法的推广使汽车的重量有所减轻。因此，汽车的成本和价格也有所降低，汽车的技术经济性能得到提高，可使用较小的发动机而不降低行驶能力，或在使用原有的发动机的条件下提高汽车的行驶能力（最高车速、加速度和爬坡度等）。
性 能
各类汽车所要求的性能重点不同，常根据使用条件和使用情况选择。例如轿车重点在于舒适性、动力性和经济性，货车重点在结构可靠性和经济性，军用越野汽车更多地考虑通过性和地区适应性等。
行驶能力 汽车在规定的使用地区和条件下发挥作用的能力，包括动力性、装载量和续驶里程等。
动力性 动力性包括最高车速、加速性、爬坡度等。现代汽车的最高车速:轿车150～200公里／时，客车90～140公里／时，货车80～125公里／时，工矿自卸车40～70公里／时。加速性以汽车由静止起步到达某一车速或某一距离所需的时间表示。轿车由静止加速到80公里／时一般需要10～12秒。一般客运、货运汽车要求能爬20～30％的坡度，越野汽车要求能爬60％的坡度。汽车的最高车速、加速度和爬坡能力都可以用汽车力学的公式近似地计算出来。
装载量 一般是在设计时规定的，有的制造厂仅规定汽车的总重量和底盘的重量，越野汽车常分别规定越野时和公路上行驶时的两种装载量。
续驶里程 汽车油箱装满后的连续行驶里程，一般车辆为300～500公里，军用汽车一般达到600～800公里。
结构可靠性 汽车的结构应能符合行驶、装载的各种要求，并能承受载荷和道路所引起的应力。常以单位行驶里程的故障次数，或以行驶一定里程后能正常使用车辆的百分数来表示汽车的可靠性。汽车的耐久性常以大修里程或工作小时表示。按先进水平，轿车要求使用5年或行程16万公里不进行大修。中型货车（图3）的第一次大修里程为30万公里，再行驶大修里程的80％，即24万公里后报废，总计寿命为54万公里。公路用重型货车的第一次大修里程为60～80万公里，发动机第一次大修期为10000工作小时。工矿自卸车的使用寿命为12～15年。
操纵性 汽车按照驾驶员的驾驶动作稳定地作直线或转向行驶和减速制动的性能。转向操纵稳定性要求汽车对转向机构（见车辆转向机构）的动作反应灵敏，能迅速、准确地改变行驶路径，并不受路面侧向力和侧向风的干扰，在紧急转向时应能达到预期的目的。制动性能是操纵性的一个重要方面，以制动效能（制动减速度和制动距离）和稳定性表示。货车的最大制动减速度应为0.6g左右，轿车应为0.8g以上。如车速为30公里／时时，轿车和轻型货车在平直路面上的制动距离应在 7米之内，中型货车在8米之内，重型货车在12米之内。制动稳定性是汽车在直路或弯路上制动时保持行驶方向的能力。车轮在保持滚动的条件下减速才能稳定地制动而不发生危险的侧滑。后轮的侧滑尤为危险，因此必须采取措施避免车轮在制动时抱死。
燃料经济性 以汽车行驶一定距离(如 100公里)所消耗的燃料，或以消耗一定量燃料汽车所行驶的距离来表示。80年代汽车的典型数据：紧凑型轿车为6～7升／100公里，柴油机中型货车为16～17升／100公里，重型货车为27～28升／100公里。
舒适性 包括平顺性、乘坐环境(温度、噪声)、活动空间、操纵方便、色调和装饰的配置，以及座位的支承和布置等方面。在车速不断增加、轮胎柔性提高的情况下，平顺性取决于轮胎、悬架系统和座椅设计的协调。
通过性 通过性有时称为越野性（见越野汽车）。
适应性 不同的地区和气候对汽车有不同的影响。在热带行驶的汽车，冷却液容易沸腾，汽油机供油系统容易发生气阻，驾驶室闷热，油漆、皮革、塑料易受蛀蚀，机件易生锈。在寒冷地区使用的汽车，发动机起动困难，散热器易冻，玻璃结霜，橡胶、塑料变硬变脆，在冰雪上行驶时轮胎的附着力降低。高原地区空气稀薄，发动机的功率降低，强紫外线加速橡胶老化。设计时如未采取特殊措施，不采用特殊材料，汽车就不能适应这种环境。
法 规 和 标 准
从20世纪中期开始，主要的汽车生产国和使用国，陆续制订有关公路设计、交通安全、税收等级、环境保护和能源节约等方面一些法规和标准。
法规 主要有：①与公路或城市道路的尺寸、弯道半径、桥涵尺寸有关的汽车总尺寸的规定。如公路用车的尺寸一般限制为：宽2.5米，高4米，长13米（有的国家为12米）。②与公路路面和桥涵承载能力有关的轴荷的规定。一般单轴为10～13吨。③关于紧急转向系统和制动系统的配备、制动效能的规定和灯光信号装置的规定。对于公共交通用车辆，规定尤为详细。④汽车噪声限制和排放有害物的限制规定。⑤高耗油量汽车的累进税率的规定。这些法则有助于明确汽车设计的要求，协调各方面的关系，因而促进了汽车工业和汽车应用的发展。法规的项目逐年都有增加。
标准 自1913年美国的福特汽车公司用生产流水线大量生产 T型轿车以来，各国的汽车工业都开展了标准化工作。美国汽车工程师学会 (SAE)制订的有关汽车设计和制造的标准，内容广泛，包括：金属材料、非金属材料的成分和性能；标准件、紧固件、花键、皮带、发动机部件和附件、车身附件的系列标准尺寸，以及某些主要部件的连接尺寸；某些部件、整车性能、排气污染和噪声的试验方法；各种名词术语和定义等。这些标准虽无法律效力，但因便于按标准选用材料和零部件、确定质量指标和试验方法，便于培训人员，仍为各方共同遵守。法国、日本、联邦德国有类似的全国标准。中国和苏联等也有国家的标准化机构制订和颁布的类似标准。1960年以后，国际标准化组织 (ISO)开始制订汽车的国际标准。
广 泛 影 响
进入20世纪以来，汽车的世界年产量不断增加。60年代以后至80年代，世界年产量已超过千万辆。汽车的巨大生产量和保有量，对社会经济和社会生活产生了广泛的影响。
对石油工业的影响 石油产品的大量供应和低廉价格是现代汽车得以发展的基础。石油业的发展又以汽车对石油的巨大需要量为基础。汽车约消耗世界石油总消耗量的40％，使石油业成为影响世界政治、经济的主要产业。1971年“石油危机”之后，50～60年代盛行的大型轿车受到节油的紧凑型轿车的排挤，又促使人们积极改进和创制利用非石油能源的汽车。
对动力机械的影响 20世纪初期，汽车的需要促进了轻型、高速、可靠的汽油机的发展，单机功率不断提高，而重量与功率的比数则不断下降。这种轻型汽油机又为飞机的发明准备了条件。飞机工业也是在汽车工业的有力配合下发展起来的，许多汽车制造公司也制造飞机，而某些著名的飞机发动机厂原来就是汽车企业。
对加工设备工业的影响 汽车工业是加工设备工业的最大用户，大量生产汽车的特殊要求对高度专用的加工设备的设计和发展具有深远的影响（见汽车生产）。
与橡胶工业的关系 早期居诺的蒸汽汽车采用木轮，本茨的汽车使用实心橡胶轮。19世纪末，法国首先将充气轮胎用于汽车。充气轮胎减小了汽车高速行驶时的振动，降低了车轮对路面的单位面积压力，改善了车轮和地面的附着情况，加速了汽车的推广。汽车的减振和部件的密封需要采用大量的橡胶件。以美国为例，汽车工业的橡胶用量占全国橡胶产量的3/5以上。
促进道路的发展 汽车的发展一方面给客、货运输提供了快速、方便和经济的手段，一方面要求有四通八达的、平坦、不滑的、能承受较高轮压和轴荷的公路网。城镇之间的公路，从土路、碎石或炉碴路发展到柏油路和混凝土路，以后又出现没有平面交叉、有防滑路面的高速公路。高速公路一般有4～6车道，汽车可以160公里／时或更高的速度安全行驶。公路的修建已是各国的重要建设工程。越来越多的轿车、大型客车和重型货车依靠发达的公路网，已从铁路运输中夺取了中、短途客、货运的大部份额，并且还在扩大长途货运的份额。受汽车竞争的影响，发达国家中的铁路营业里程逐年减少。
对人类生活的影响 汽车给人类交通提供了很多方便，同时也对人类生活产生了不良的影响。随着汽车的大量生产和应用，环境污染和车祸的恶果已成为社会问题，必须通过交通安全规定的贯彻、公路的改善和汽车技术的改进予以解决。
发 展 趋 势
汽车发展的主要趋势，可归纳为3个方面。
节约能源 改进汽车设计，利用新型材料以减轻汽车自重是最重要的节约能源的方法。一般汽车自重减少10％可节约燃料5％。
合理地选取汽车动力装置并选定与其相匹配的传动系的参数，也是重要的节油措施之一，例如4～5吨的客运和货运汽车，用柴油机代替汽油机可以节省燃料30％左右。其他措施如用钢丝子午线轮胎代替斜交尼龙帘布层轮胎可节油3～10％等。
利用非石油能源 汽车使用石油以外的能源有几种技术方案。①改变汽油机和柴油机的燃料。在汽油中掺加10～15％的醇类（酒精等），可以像加四乙铅一样提高汽油的辛烷值，还可降低排气中的CO、烃类和NOx 含量。但缺点是油路中易于发生气阻，低温起动性较差，油箱存油可能因醇类吸水而分层，排气中出现有害的醛类。醇类的能量密度只及汽油的60％，必须适当加大油箱的容量。供应量和价格问题也尚未解决。这种方法仅在巴西应用较多。另外，也可用氢作为汽油机的燃料，但储运方法尚待解决。联邦德国新研制的一种钛铁吸收器，能吸收足以供汽车行驶 200公里的氢。氢是二次能源，制取氢仍须消耗一次能源，成本高，总的热效率低，仅有希望用于电力充裕之处。②用燃气轮机作为汽车发动机。这有许多优点：可以燃用多种液体或气体燃料，功率与重量比值高，扭矩特性好，噪声低，容易控制排气污染。从1970年起，燃气轮机已在几种汽车中试用，80年代可望在大功率、高速汽车（大型长途客车、作长途运输的汽车列车等）上推广。因此，将燃气轮机用作长途恒速重型汽车的动力装置的可能性最大。为了提高燃料经济性，需要设计较佳的热交换系统，以使排气加热进气。同时还可把排气温度降低到安全程度，在某些场合可以不装消声器。③依靠新工艺和新材料的发展利用外燃机。如用斯特林发动机作为汽车的动力是颇有前途的方案。斯特林发动机，以及混合奥托循环和斯特林循环的发动机，有可能燃用煤粉、煤浆和液体燃料。④发展蓄能汽车。蓄能汽车有蓄电池汽车和飞轮汽车。蓄电池汽车早在20世纪初曾有较大发展。但蓄能量小而重，充电后续驶里程仅达64公里，后被汽油机汽车所取代。研制中的新型蓄电池，如锌-氢氧化镍电池，可望提高续驶里程。蓄电池汽车用作市区公共汽车、出租汽车和有固定路线的货车，在适当地点设充电站，已是可行的方案。对有固定路线的公共运输用客车，在部分路线上用架空电线或在行驶中充电，可以延长续驶里程，减少充电站和充电时间，而仍保有蓄电池汽车的灵活性。在蓄电池汽车上增装小功率柴油机发电机组充电，则可不再需要充电站，而柴油机由于总是在最优负荷下稳定运转，热效率高，排气污染少。飞轮汽车利用在真空中超高速旋转的特制飞轮储蓄动能，而在行驶时释放动能。这种汽车曾在瑞士作为公共运输用客车试验运行。飞轮通过增速器、减速器与发电-电动机相联，在站上由外供电能通过发电-电动机(这时作为电动机用)将飞轮的转速提高到高限。汽车行驶时，则靠飞轮驱动发电-电动机发电供给汽车的驱动电动机。这种汽车也可在部分线路中由外供电力在行驶中将飞轮加速。⑤利用其他能源。可能利用的其他能源有太阳能、原子能和由微波传送的外供电能等。用太阳光电池供电以驱动汽车，还存在许多技术上和经济上的问题，而且解决后也仍需要蓄电池蓄能，仅有小型的试验车型在作试验。至于将后两种能源直接用于汽车，尚非近期之事。
扩大新型材料在汽车上的应用 汽车制造消耗大量钢铁和有色金属材料，冶金工业冶炼和制造这些金属材料需要消耗大量能源。已经成熟或接近成熟的新型材料有蜂窝夹层材料、纤维增强塑料和新型陶瓷等，在汽车生产中扩大应用这些材料，将减少世界的金属消耗量，同时可降低汽车造价和减小汽车自重，从而减少汽车能耗。这已成为世界各国的重点研究课题。1980年以来，美国和日本已有研制绝热发动机的报道，这种发动机的受热件均为新型陶瓷制品，不需要冷却系，所以结构较为简单，热效率高，可以节省能源。1980年日本的每辆轿车所用的非金属材料为186.7千克，占全车重量的16.4％。
参考书目
余志生主编：《汽车理论》，机械工业出版社，北京，1981。
吉林工业大学汽车教研室编：《汽车构造》，人民交通出版社，北京，1979。