1 车辆的演变、布局及结构
自从第一辆汽车被生产出来以后，发明家，工程师，设计师和科学家们一直在致力于使用最先进的技术和材料来改进它们。随着时间的推移，我们已经看到并亲身经历了许多设计及发展上的变化，这些变化为我们展现了如今的汽车。从这些早期的设计中学习，并利用如今的制造技能，汽车制造商现在可以在机动车的结构与传动系统中使用非常坚固但轻盈的材料来进行生产。许多创新材料现在也用于汽车制造中，其中一些是可回收的，这有助于降低成本的同时减少汽车行业对环境的影响。由于我们现在生活在一个充满电子技术的世界中，机动车能够提供系统来不断改善对乘客的保护，同时提供稳定性和经济性，并将内部舒适性提升到新的水平已经成为设计师的梦想。与此相结合，我们现在拥有高性能、环保且经济实惠的发动机和变速箱，为今天的驾驶者提供令人兴奋的全方位驾驶体验和极高的安全性。以下部分概述了车辆构造和设计的基本原理，读者可以从中了解最新的发展。
1.1汽车的演变
1.1.1早期
在人类历史的早期阶段，人们开始意识到人体所能承载的负荷与携带负荷的距离两者之间存在着严重的限制。并且，可以大胆地假设人们不再喜欢所涉及的体力消耗，如同现在一般。所以通过驯化合适的动物来承载更重的货物并运输到更远的距离取得了很大的进展，并且通常这种方法的速度超过了人们能够达到的速度。除此之外，还有一个额外的好处是，由于大多数的力气都是动物提供的，人们可以轻松自如地旅行。起初，重载荷被拖到雪橇上，这一直持续到一位早期未知的工程师发明了车轮。这使得构建一辆可以更容易地承载更多载荷的粗糙手推车成为了可能。但是使用轮式车辆以前有一个缺点（并且仍然是 ） 必须提供合理平滑和坚硬的表面，使得轮子可以在上面运转。因此，轮式车辆的发展与道路的发展密切相关。随着新材料以及制造方法的发展，车辆的发展成为了可能，但只要动物是唯一的动力形式，就不可能明显地增加载荷和速度。 18至19世纪蒸汽机的发展使得其应用在车辆驾驶中成为了可能，尽管早期的一些尝试都很粗糙而且不是很成功，但是仍然生产了几种非常有前途的车厢。如果没有限制性立法迫使他们离开道路，这些可能都已被发展成非常实用的车辆。在任何情况下，蒸汽机都被证明适合于铁路而不适合公路。正是19世纪末轻型高速内燃机的成功开发，才真正开辟了通向动力驱动公路车辆的道路，使得现代汽车、卡车、公交车及长途汽车的发展成为可能。
1.1.2 布局的发展
机动车是从马车开发出来的 - 事实上，它们最初被称为“无马车” - 并且自然地拥有了这些车厢的一般形式。 例如，在两个横向轴的每一端布置一个轮子的四轮系统，使得它们与地面的接触点处于一个矩形的角上（见图1.1a），这种安排从远古时代就被用于推车及货车上，且目前来说仍然是是最常见的安排。 虽然三个轮子足以提供稳定性，但它们不能为限定的道路空间提供如此多的“有用空间”（比较图1.1a和图1.1b）。
图1.1简单的车辆布局中的车轮布置
在推车上，马总是被放在前面，为的是拉动而不是推动，使动物能够看出它的前进方向并使驾驶员能够时刻注意到马。驾驶员通过一根连接到前轴的轴来引导车辆，前轴可绕其中心枢转，当用发动机替换马时，前轮转向应该保持至少一段时间内是很自然的。然而，不久人们便开始尝试使用后轮转向的车辆，但很快发现后轮转向具有使其不能被常规使用的缺点。例如，通过后轮来转向的车辆，将通过将后端向左偏转来实现右转向，使得其不可能从靠近墙壁或路缘的位置向前驶离（见图1.2）。一辆后轮转向的汽车以任何速度并沿着墙壁，路缘，沟渠或其他车辆行驶时，很容易发现自身处于无法避免碰撞的情况之下。
图1.2 后轮转向的一个不便之处
旋转轴装置对于动力车来说效果并不是非常的令人满意，部分原因是必须留下足够的空间来使车轴和车轮旋转。而且，如果一个车轮撞到了障碍物，例如大石头，则在没有长轴杠杆作用的情况下，防止车轴绕其枢轴旋转会非常困难，从而导致车辆偏离道路。一种可用来替代的装置是将轮子承载于固定轴端部自由枢转的短轴上，这种装置在之前已经运用在了一些马车上，并且这很快就被运用在了机动车辆上。当使用机械动力驱动车辆时，应该将动力施加到不可转向的车轮上，因为给这些车轮提供动力的问题要比为既转向又驱动的车轮提供动力更简单。这就解释了为什么在过去，后轮驱动被普遍得采用。爬山或加速时后轮上负载的增加可提供更好的抓地力，使后轮驱动更具吸引力。前轮驱动车辆没有这一优势，因此在这些条件下车轮更容易旋转。然而，如果想要实现车辆乘员或较短车辆获得额外的空间，这个缺点以及转向轮上驱动装置的额外复杂性是必须付出的代价。图1.3显示了前轮之间的宽度受到车轮转向时的必要转向的限制，但是却有个可提供一个座位的空间。然而，人们似乎更喜欢并排而坐，而且，尽管有很多人赞成让司机自己坐在汽车的最前面，但这种安排并不受欢迎。因此发动机便被安排在了这里，发动机可以很方便地进入这个空间，虽然最早的汽车在其他地方也有发动机，但几乎所有的制造商从很早的阶段就采用了这个位置。
图1.3将发动机置于前端的原因之一
1.1.3能量来源
到目前为止，为驾驶道路车辆而开发的最方便的动力来源是内燃机，它的动力是来自于发动机内部燃料的燃烧。作为替代品的装置主要有蒸汽机及电动机。前者需要锅炉来产生蒸汽，而不是发动机本身，这使得整个装置的安装相当笨重。此外，锅炉和发动机都有热损失，从而导致它的效率要低于内燃机。在暂停期间，蒸汽机需要继续消耗燃料以保持蒸汽压力，而内燃机却只有在实际运行时才消耗燃料。电动机需要电能来运转。如果这种能量要被携带到汽车上，它必须要以电池或蓄电池的形式。相对于它们能储存的能量而言，它们既重又大，限制了车辆的行驶范围、速度和承载能力。如果使用外部电能供应,车辆必须通过一些手段如电线系统连接到远方的电站,电线悬浮在一个离地面安全的高度,在车的顶部安装合适的装置并将该装置与电线做滑动连接，但是很明显这种措施有着局限性。尽管蒸汽汽车与电动汽车都做过了尝试，并且内燃机也已几乎普及。然而，更实用的电动汽车和混合动力汽车的发展势头却越来越大，因为这些类型的汽车具有生态优势。
混合动力:一种既能发电又能使用内燃机的车辆。
- 内燃机
内燃机有两个特点，这就要求对连接发动机与驱动轮的机构进行一定的布置。首先，发动机在不运转时不能产生任何驱动力。当蒸汽机处于静止状态时，只需要打开一个阀门，在锅炉的压力下吸入蒸汽，发动机就会立即开始工作。而电动机则只需要接通电源。另一方面，内燃机在依靠自身动力运转之前，必须通过某种外部手段来驱动。一旦内燃机以足够的速度运行并产生足够的动力，它就必须通过某种措施与车辆的驱动轮连接，使运行的发动机能够平稳地耦合静止的车轮，而不会对其造成冲击。为此，便研制出了手动变速箱和离合器装置。离合器是一种能使发动机的驱动力平稳地、渐进地与变速箱相连以推动汽车前进的装置，同时也能断开离合器，使汽车实现换挡或静止不动。如今越来越多的汽车开始安装了自动变速箱，使用扭矩转换器或流体飞轮，通过以流体(油)为基础驱动的方式来提高传动啮合。
转矩转换器:一种传递或倍增发动机产生的转矩的装置
图1.4发动机及变速箱布置
其次，发动机产生的功率取决于它运行的速度。高速运行的小型发动机可以产生与低速运行的大型发动机同样多的功率，而且由于它更轻，占用的空间更小，因此更受人喜欢。这种小型高速发动机的运行速度一般是车轮的四到五倍，因此在连接发动机和驱动车轮间的驱动机构中必须包括减速装置。在后轮驱动车辆中减速装置是后桥的一部分，而在前轮驱动车辆中则通常是变速箱的一部分。
发动机上有一个最低速度，低于这个速度发动机就不能运转。大多数现代发动机的转速在每分钟800到9000转之间。因此，如果一辆汽车的最大速度是241公里每小时(150英里每小时)，除非离合器是部分断开或滑动的，否则它的最低速度将会在10公里每小时(6英里每小时)左右。从静止起步开始，离合器只有在车速达到至少13公里每小时(8英里每小时)时才能完全啮合，在此过程中，滑动的离合器会产生大量的热量，从而损坏离合器。这个难题可以通过在驾驶措施中提供额外的齿轮装置来克服，这些齿轮装置可以由驾驶员手动使用或自动使用，使汽车在离合器完全啮合的情况下缓慢行驶，并且发动机能够以高于其最低速度的速度运转。几个像这样的速度或齿轮通常是由一个叫做变速箱的机构提供的。
- 变速箱
拥有内燃机的现代车辆需要一个变速箱，以此来提供一系列的齿轮比维持发动机的功率和速度，使车辆能够根据驾驶员和环境的要求以适当的道路速度行驶。变速箱可以是手动的，也可以是自动的。最低的前齿轮(第一齿轮)允许发动机在峰值功率和扭矩下运行，但会产生较低的道路速度。当提高齿轮比时，该比例允许发动机转速在最高运行效率内保持相当恒定，同时增加道路速度。使用高速档可以使车辆以较高的道路速度行驶，但发动机的转速较低，从而提高燃油效率和减少排放。
一级齿轮通常用于从静止加速车辆或低速操纵车辆，如停车时。
齿轮的另一个功能是，当汽车缓慢行驶时，能让发动机以更高的速度运行，从而利用汽车的最大动力和扭矩来爬坡或迅速地低速加速。
1.2车辆布局
1.2.1轻型车辆
这类车辆的载重量小于3吨:这一类是本书的主要主题。许多不同体型和大小的汽车都属于这种轻型汽车，从两座轿车到人员输送车(小型公共汽车)再到小型卡车。多用途汽车(MPV)和小型商用车辆也包括在内。它们使用与普通客车类似的机械部件，但有专门为个人目的而建造的车身。这种跨系列车辆使用相同基本组件的过程被称为平台共享，在很多制造商中都很常见。
图1.5显示了车辆上使用的各种基本组件的简化布局。这是一种基于小型巴士的车辆布局，其布局相对简单。在这里，您可以看到每个主要组件的位置，并研究其功能及用途。一旦建立了这种基础，就有可能了解常用的更复杂系统中的更详细信息。
图1.5机械系统布局（简单的前置发动机，后轮驱动布局）
a.车轮和轮胎
大多数轻型汽车都有四个钢制或铝制车轮。这些轮子装有充气的空心橡胶轮胎，在足够的压力下能够支撑它们所需要承载的载荷。轮胎提供对路面的抓地力并吸收由小的道路不平整引起的冲击。较大的冲击则由悬架弹簧承受，这使得车轮相对于车辆的其余部分垂直移动。
b.前轴
前轴支撑车辆前部，也用于转向。在图1.5中，轴安装在叶片式弹簧上，形成吸收道路冲击所需的柔性悬架系统。 每个车轮都装在短轴上; 它通过一个转向节主销转到前轴的末端。两个短轴通过转向臂连接在一起，转向臂通过轨道杆连接在一起，并连接到驾驶员方向盘的连杆上。
转向节主销：中央垂直位置的主螺栓或大螺栓，用作枢轴。
在大多数现代轻型汽车上，整体式车轴梁已经被一种悬挂装置所取代，这种悬挂装置允许每个前轮在不影响另一个前轮的情况下，用自己的弹簧上下运动。这种安排被称为独立前悬挂。
c.后轴
后轴承载车轮并支撑车辆后部的重量。图1.5所示的轴类型为管状截面，包含两个轴（半轴），每侧一个，用于驱动车轮。
在车辆中心线上，轴被放大以容纳主减速器。主减速器系统包含一对齿轮，可将驱动器旋转90°，并将驱动速度降低到适合于车轮尺寸的驱动速度。
当车辆转弯时，内外车轮以不同的速度行驶。当两个车轮刚性地连接到一个车轴时，外轮覆盖的距离更大，会导致一个或两个车轮在道路上滑动。该动作除了会引起过度的轮胎磨损之外，还会使得车辆难以在直线前进的路径上转向。使用差速器可以克服这些问题。该装置安装在主减速器轮附近，能够确保每个车轮都以适合转弯条件的速度旋转。另外，无论车轮的旋转速度如何，它都可以给每个车轮安排相同的驱动力。
差速器:一组使车辆的从动轮在转弯时以不同的速度旋转的齿轮。
图1.5所示结构的替代方案是将主减速器和差速器壳体安装到车架上，并将每个车轮安排成独立弹簧。 这种独立的后悬架装置使用一个短驱动轴，每端有一个万向节，将驱动力从差速器传递到车轮（图1.6）。
万向节：一种可在一定角度范围内传递旋转动力的联轴器。
图1..6使用单独的主减速器的独立悬架
现代悬架还使用基于空气、气体和油的系统，这些系统采用电子控制，以提高操控性和平稳性，满足如今的驾驶需求。 较轻的材料，例如铝，会用于许多悬挂部件的设计及构造中。橡胶复合悬浮衬套是一种常用的悬架衬套，但也发现了加氢衬套（带内腔的橡胶复合衬套），它具有提高稳定性和降低噪音和振动的优点。
d.动力单元
机动车辆中的正常动力源是内燃机。 汽油发动机因其性能和重量特性而最受欢迎，但柴油 (压缩点火) 发动机因其卓越的燃油经济性而成为一种有吸引力的替代品，对于高里程用户来说，它抵消了较高的初始成本和略微减少的产量。随着发动机设计，结构和电子管理控制系统的进步，柴
英语原文共 8 页
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