《汽车概论》第10章汽车技术发展史

第10章汽车技术发展史汽车以其惊人的产量渗透到人类活动的各个领域，汽车技术也随着汽车的产量在不断的发展。目前和今后一个相当长的时期内，汽车技术的发展方向将围绕着节能、安全和低污染的汽车产品来进行研制与开发，积极消除因汽车工业的发展给人类社会带来的负面效应。10.1汽车技术发展的六个跨越式里程碑10.1.1梅赛德斯开创了汽车时代1926年，卡尔·本茨和戈特利布·戴姆勒创立了戴姆勒—奔驰汽车公司。戴姆勒—奔驰汽车公司是世界上老资格的汽车生产厂家之一，它的前身是奔驰汽车厂和戴姆勒汽车厂，主要生产高质量及高性能的汽车产品，如图10-1所示为其生产的奔驰280SE汽车。图10-1奔驰280SE10.1.2福特汽车公司开始大批量生产汽车•1908年10月1日，福特汽车公司在美国的汽车城底特律开始生产一种以“福特”命名的汽车，第一辆福特汽车是亨利·福特设计的T型车，如图10-3所示。•1915年，福特汽车公司生产了新型的T型车，此车是箱型车，能使乘坐者避免风吹、日晒、雨淋，如图10-4所示。图10-31908年第一辆T型车图10-41915年福特公司生产的T型车10.1.3雪铁龙创造了前轮驱动汽车•雪铁龙公司的创始人法国企业家安德烈·雪铁龙是继威廉·迈巴赫和亨利·福特之后的法国汽车史上的第三个具有里程碑标志的人物。•1934年3月24日，一种新型的汽车结构即雪铁龙7A型前驱汽车在法国问世，它以独特的技术震动了整个汽车业。如图10-5所示为雪铁龙7A型汽车。图10-5雪铁龙7A型汽车10.1.4甲壳虫汽车的神话1937年，大众公司的波尔舍设计了一种汽车，此车的外形模仿了既可以在地上爬也能在空中飞甲壳虫，甲壳虫也成为该车的代名词。如图10-7所示为早期生产的甲壳虫汽车。图10-7早期的甲壳虫汽车10.1.5难以超越的迷你汽车•1959年的8月26日，英国汽车公司（由奥斯汀和莫里斯两家公司合并而成，以下简称BMC）的工程师亚力刻·艾西贡尼斯设计的奥斯汀·迷你微型轿车在英国问世，如图10-9所示。•奥斯汀·迷你微型轿车长为3.05m，宽为1.4m，质量为630kg，采用横置4缸发动机和前轮驱动形式。由于该车上还将发动机油底壳、变速器、主减速器与差速器制在一个箱体内，因此其前部非常紧凑，使得客舱在有限的汽车总长度中十分宽敞。图10-9奥斯汀·迷你微型轿车10.1.6风靡90年代的多用途厢式车•多用途厢式车英文全称为multi-purposevehicle，简称为MPV。MPV的概念来自美国，本意是微型乘用厢型车，强调其多功能性，是集轿车、旅行车和厢式货车于一身的车型。•以前汽车的后排座椅是固定不可调的，而MPV车内的每个座椅均可独立调节，从而有多种不同的组合形式，即可以是乘车形式，又可组合成为有小桌的小型会议室，如图10-11所示为由马自达公司生产的MPV。图10-11马自达MPV10.2汽车新技术汽车工业的水平是评价一个国家工业化水平的重要指标，汽车已成为人们生活中必不可少的交通运输工具之一。传统的技术已不能满足汽车发展的需要，汽车的性能也有待提高。10.2.1发动机新技术1.丰田VVT-i系统丰田轿车的发动机标有“VVT-i”字样，VVT的英文全称是variablevalvetiming，意思为可变气门正时；“i”是英文intake的首字母，意思为进气。VVT-i系统主要控制进气门凸轮轴。1）VVT-i系统的组成VVT-i系统由传感器、ECU、凸轮轴液压控制阀及控制器等组成。2）VVT-i系统的类型VVT-i系统根据控制器的安装部位不同可分为叶片式VVT-i系统和螺旋槽式VVT-i系统两种。3）VVT-i系统的工作原理丰田VVT-i发动机的ECU在各种行驶工况下自动搜寻一个对应发动机转速、进气量、节气门位置及冷却水温度的最佳气门正时，并控制凸轮轴正时液压控制阀，通过各个传感器的信号来感知实际气门正时，然后再执行反馈控制，修正系统误差，达到最佳气门正时的位置，从而能有效地提高汽车的功率与性能，以尽量减少燃油消耗量和尾气的排放量。2.本田VTEC系统1）VTEC系统的组成VTEC系统由发动机主计算机ECU控制，ECU接收发动机传感器（包括转速传感器、进气压力传感器、车速传感器及水温传感器等）的参数并进行处理，输出相应的控制信号，通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统，从而使发动机在不同的转速工况下由不同的凸轮控制，从而控制进气门的开度和时间。2）i-VTEC系统的工作原理当发动机低速运转时，令每个汽缸其中一只进气门关闭，让燃烧室内形成一股稀薄的混合气涡流，结集在火花塞周围点燃作功；挡发动机高速运转速时，则在原有基础上提高进气门的开度及时间，以获取最大的充气量。3）i-VTEC系统的优点i-VTEC系统中，通过VTC令气门重叠时间更加精确，达到最佳的进、排气门重叠时间，可将发动机功率提高20%。3.电子节气门系统1）电子节气门系统的组成电子油门主要由加速踏板、踏板位移传感器、电控单元（ECU）、数据总线、伺服电动机和节气门执行机构等组成。2）电子节气门系统的工作原理3）电子节气门系统的作用可以设置各种功能来改善汽车的安全性和舒适性，其中，最常见的是牵引力控制系统（ASR）和速度控制系统（巡航控制）。另外，可以进一步改善发动机的燃油消耗性能及排放性能。4.可变压缩比近年来，绅宝（Saab）开发的SVC发动机以改变压缩比来控制发动机的燃油消耗量，如图10-14所示。它的核心技术就是在汽缸体与汽缸盖之间安装楔形滑块，汽缸体可以沿滑块的斜面运动，使得燃烧室与活塞顶面的相对位置发生变化，改变燃烧室的客积，从而改变压缩比。图10-14绅宝SVC可变压缩比发动机5.车载自动诊断系统车载自动诊断系统的英文全称为on-boarddiagnostics，简称为OBD，其作用是根据发动机的运行工况随时监测汽车的尾气是否超标。随着电子技术的发展，OBD也在不断的完善，从OBD发展到OBD-Ⅱ及OBD-Ⅲ。6.特种燃料发动机1）天然气发动机2）氢气发动机3）水燃料发动机4）净化污染空气的发动机5）液态空气发动机10.2.2底盘新技术1.无极变速器无级变速器的英文全称continuouslyvariabletransmission，简称为CVT。它将自动和手动变速器的优点融合在一起，操作简单，且能使驾驶者充分体验驾驶的乐趣。2.电控悬架现在轿车用的电控悬架将空气悬架原理和电子控制技术相结合，电控空气悬架系统主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、带有减振器的空气弹簧、悬架控制执行器、悬架控制选择开关及悬架ECU等组成，如图10-16所示。3.电动助力转向系统图10-16电控悬架系统的基本组成与布置10.2.3汽车安全新技术1.汽车主动安全技术汽车主动安全技术是指在汽车设计和制造过程中，采用先进的技术和装备，对内、外部结构进行合理布局，主动预防、避免或减少事故发生的技术，如防抱死制动系统（ABS）、电子制动力分配（EBD）系统、牵引力控制系统（TCS）系统及电子稳定程序（ESP）系统等均属于汽车主动安全技术。ABS系统是在普通制动系统的基础上增配防止车轮抱死的电子控制系统而形成的，一般由轮速传感器、电子控制单元和制动压力调节装置等组成，如图10-17所示。图10-17ABS系统（分置式）2.汽车被动安全技术汽车被动安全技术是指在汽车发生交通事故的过程中或事故之后，通过车内的保护系统避免或减轻驾、乘人员损伤的技术，如在车体内部采用侧门防撞杆、安全玻璃、预紧式安全带、智能安全气囊及乘员头颈保护系统等均属于汽车被动安全技术。10.3电动汽车电动汽车是指以高效率充电电池或燃料电池为动力源，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车具备以下优点：（1）无污染，噪声低。（2）能源效率高，多样化。（3）经济效益高。（4）结构简单，使用维修方便。10.3.1电动汽车的发展概况1873年，英国人制造了世界上第一台可供实用的电动汽车。1889年，美国人制造的电动公共汽车在伦敦街上运行，最高时速为11.2km，驾驶员站在电动汽车前面，采用涡轮机构转向。1891年，法国人设计了电动三轮车，如图10-20所示。1894年，法国人制造了一辆4轮敞篷电动小汽车。根据所使用的基本动力源不同，电动汽车可分为蓄电池电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。图10-20电动三轮车10.3.2蓄电池电动汽车1.基本组成蓄电池电动汽车主要由电池组、控制系统、驱动系统及辅助系统等组成，如图10-21所示。图10-21蓄电池电动汽车的基本组成2.工作原理电动汽车上保留了传统内燃机汽车的加速踏板、制动踏板及各种操控手柄等结构。在其工作时，各种传感器将加速踏板及制动踏板的位移量转换成电信号，输入中央控制器，经中央控制器处理后发出驱动信号，控制逆变器的工作状态，从而达到对汽车工况的控制。10.3.3燃料电池电动汽车1.基本组成燃料电池汽车主要由燃料箱、燃料电池组、控制系统、驱动系统及辅助系统等组成，如图10-24所示。图10-24燃料电池电动汽车的组成2.工作原理见图10-24，汽车运行时，由燃料箱不断的供给燃料，燃料电池把燃料的化学能转换为电能并将直流电输送给控制器，控制器将直流电转换为交流电后供入驱动电动机，经传动系统驱动车轮。10.3.4混合动力汽车1.基本组成混合动力汽车由小排量燃油发动机、发电机、电池组、驱动电机、控制器和电器设备等组成，如图10-26所示。图10-26混和动力汽车的组成2.混合动力汽车的类型1）串联式混合动力汽车图10-27串联式驱动系统电池组发动机控制器电动机驱动桥机械连接电气连接电动机2）并联式混合动力汽车图10-28并联式驱动系统电池组发动机电动纲控制器电动机驱动桥机械连接电气连接动力复全/变速装置3）混连式混合动力汽车图10-29混联式驱动系统电池组发动机电动纲控制器电动机驱动桥机械连接电气连接动力复全/变速装置电动机10.4替代燃料汽车10.4.1替代燃料汽车概况随着汽车保有量的增多，车用汽油和柴油的消耗量也越来越大。从20世纪60年代以来，世界经历了三次大的能源危机。按现在人类消耗石油的速度推算，地球已探明石油资源仅能维持40～50余年。为此，需设计研发能以其他能源（非汽油与柴油）作为燃料的汽车——替代燃料汽车。替代燃料汽车的英文全称为alternativefuelvehicle，简称为AFV，它所用的燃料分液体和气体两大类，液体燃料主要有甲醇、乙醇及生物柴油等；气体燃料主要有氢、二甲醚、液化石油气及天然气等。10.4.2替代燃料汽车类型1.氢燃料汽车如图10-30及10-31所示分别为本田全新氢燃料动力概念车及雪佛兰氢燃料电动车。图10-31雪佛兰氢燃料电动车图10-30本田全新氢燃料动力概念车2.生物燃料汽车1）甲醇燃料汽车2）乙醇燃料汽车图10-32甲醇燃料汽车图10-33本田开发的乙醇燃料汽车3.天然气汽车图10-34大众帕萨特压缩天然气汽车图10-35液化天然气空调客车4.液化石油气汽车图10-36液化石油气公交车10.5太阳能汽车太阳能汽车是将太阳能转化为电能的汽车。由于太阳能是取之不尽、价格低廉且零污染的能源，因此太阳能汽车被称为未来汽车，如图10-37所示。图10-37太阳能汽车10.5.1太阳能汽车发展概况1978年，世界上第一辆太阳能汽车在英国研制成功，速度约为13km／h。1982年，墨西哥研制出三轮太阳能汽车，在其上架有一个装太阳能电池的大棚。三轮太阳能汽车速度为40km／h，但由于它每天所获得的电能只能行驶40min，所以它并不适用于较远的路程。1987年11月，美国“圣雷易莎”号太阳能赛车以100km／h的速度在比赛中夺冠，至此，太阳能汽车进入了一个崭新的时代。我国研究太阳能汽车也有几十年的历史。1984年9月，我国首次研制的“太阳号”太阳能汽车试验成功。1996年，清华大学参照日本竞赛规范研制了“追日”号太阳能汽车。2001年，全国高校首辆可载人的太阳能电动车——“思源”号在上海交通大学诞生，表