汽车是怎样跑起来的

作者神人也，用极其通俗的语言讲清楚汽车的原理结构。以下是本人认真拜读中的读书笔记。这本书花了我一个星期的业余时间读完。汽车的物理原理汽车的行驶转向停车都是利用“作用力与反作用力”和“热”等基本物理原理。驾驶辅助系统摩擦，撞击，安全气囊。发动机和传动系（行驶），方向盘（转向），制动器（停车），实现舒适性的悬架，电子控制系统，吸收撞击力的车身都是物理原理应用。动力系：发动机（活塞做功产生旋转力），离合器（切断旋转力），变速器（齿轮分离），万向节（传递力），差速器（转换纵向力至横向力），传动轴。转向系：方向盘，转向轴，转向齿轮箱和横拉杆。制动系：刹车踏板-真空动力泵-制动器主气缸-制动管道-制动卡钳-制动盘-轮胎。发动机四冲程：进气-压缩-膨胀-排气。 每燃烧一次混合气体，活塞往复两次，曲轴转动两次。汽车发动顺序：蓄电池放电-转动起动机-起动机带动发动机空转-发动机进入进气行程开始启动。交流发电机是防止蓄电池(铅和稀硫酸液体化学反应)瘫痪的装置。燃料喷射分直喷和吸气管喷。直喷更省油。空气和汽油理想比是14.7:1.直喷燃料泵压力是100个大气压。直喷发动机的活塞头部有凹槽形成漩涡，利于混合空气和汽油，但不利于其燃烧。而且直喷零件多成本高。进气进气阀位于气缸盖上，进气道倾斜使得混合气体流入气缸，目的充分混合和迅速燃烧。压缩活塞上下极值点，气体体积比1：10.称为压缩比。比值越大发动机效率越高。要加大压缩比，需要用高辛烷值汽油：防止汽油自燃或爆震。火花塞：用电引燃混合气体。结构：外部陶瓷绝缘，中间铁丝，前端电极和小于1毫米的间隙。一旦接通1万伏高压电，间隙飞溅出火花。火焰扩散速度50km-100km/hr.气缸的温度达到数千摄氏度，压力达到50个大气压，活塞承受的力达到数吨。加速时发动机转速6000次每分钟。对于四冲程发动机，曲轴每旋转两次进行一次燃烧，所以燃烧次数是转速的一半。如何产生12伏到1万伏电压？线圈暂存蓄电池电。电的特性：迅速切断电流能瞬间提高电压。转动凸轮，开启阀门凸轮在时机契合中发挥作用，结构类似鸡蛋，尖头下压阀门，圆底导致阀门上升。利用曲轴的旋转联动凸轮轴旋转。改变滑轮直径，使得曲轴每旋转两次凸轮轴旋转一次。因为凸轮轴和曲轴是通过链条和传动带或齿轮联动，所以只要设定曲轴一侧的直径为凸轮侧的一半。另外，要错开开启时机就要确保进气阀和排气阀的凸轮尖头朝向不同。配电盘根据凸轮轴的旋转决定引燃时机。不同形状的凸轮：低速发动机最好用头尖，高速发动机最好用圆头。目的都是为了更多吸入空气。本田的独创的ＶＴＥＣ（可变气门正时与升程装置 variable valve timing and lift electronic control system）区别使用两个不同形状凸轮。通过控制摇臂里的插销来切换两种凸轮。排气开始于发动机排气道，经由尾气净化器和消音器排除废气。废气中的氮氧化合物一氧化碳等接触到净化器里的催化剂铂金等化学反应变为氮气氧气二氧化碳和水等。废气温度要保持在700度左右。从燃烧室温度几千度到700度，热量转化为曲轴旋转。理论上废气温度与吸入空气温度相同，就是说效率100%。结论：油耗越低，废气净化程度越低，环境污染多。很难保持平衡。-自己想法：寻找新催化剂使得低温也工作。现实方案：稀薄燃烧（提高火花塞周围混合气体浓度使得空燃比达到40:1）做法：电脑模拟优化活塞头凹陷来增加漩涡；聚集和引燃火花塞周围汽油浓度高的混合气；直喷。排气量发动机大小指标，等于气缸所能吸入混合气体的量。燃烧室容积和排气量比值叫压缩比。通过比较排气量和马力能了解发动机性能，性能差异由混合气的燃烧效率决定，而燃烧效率由压缩比大小，燃烧室形状好坏和凸轮形状联动决定。消声器声音的本质是空气振动的能量。消音器两种结构：1是设计成迷宫2.加玻璃棉消音。各有优缺点，个人想法合理结合两种方法。车检要求96db分贝以下。高级汽车噪音小些，跑车声音悦耳些，要依靠消音器设计者本领。改良发动机方法（1）多缸: 导致马力大和舒适：错开多缸燃烧时间，使得燃烧间断减小，加速快，振动小。 直列（振动小而运转顺畅）vs.V型发动机 （长度短有利于碰撞安全）（2）飞轮：惯性而顺畅运转；链接起动机（3）平衡重：保持曲轴上下平衡，防止曲轴旋转（4）机油：在活塞与气缸间润滑，防止混合气体泄漏，会与积碳反应而污染，所以要定期更换（每5000 mile）机油堆积在油盘，油泵吸取向上送，活塞环将机油涂满气缸内部。发动机加速- 调节混合气流量：踩加速-油门打开-大量混合气体并增强活力-燃烧增强-活塞加速-发动机转速加快。- 线（电信号）油门:油耗低和加速快。传感器和电脑判断闹市区或超车。- 无油门只有进气阀调节：加装可变阀门升程装置涡轮增压器：利用废气启动压缩机，将更多混合气体吸入汽缸，火力越强，下压活塞的力越大，发动机产生的扭矩也越大。超级增压器：利用发动机产生的力驱动增压泵，通过传动带传递曲轴的旋转，从而启动压缩机。发动机效率：若按照燃烧1升汽油产生热量生成的动力计算，汽车效率最多30%。一般效率只有15%-20%。其中32%变为废气热量，28%冷却发动机，10%摩擦和辐射热。如何提高效率：（1）稀薄燃烧（2）混合动力汽车（3）电动调节方向盘。纯电动车的蓄电池是个问题，行驶距离较短。谈及汽车效率，要有well to wheel概念，不只是发动机效率。要综合看待从得到燃料到用完燃料的全过程。第三章：行驶（变速器）：发动机的旋转传递到轮胎的装置变速器1档齿轮比约为4:1，说明驱动轮一侧齿轮直径是4倍大，减速1/4，增力4倍，汽车由静止到开始运动。- 变速器结构：膜片弹簧将摩擦片压在飞轮下，踩下离合器踏板时，摩擦片分离，无法传递动力。类似杠杆原理。- 齿轮用于加减速：从四组齿轮组里选择一组与轮胎一侧的输出轴相连。- 差速器- 自动变速1：变矩器式- 自动变速2：自动离合- 自动变速3：CVT无极差汽车传动系：发动机-飞轮-离合器-变速器-变速杆-万向节-差速器-传动轴-轮胎。扭矩240kg`m 就可以推动1吨重的汽车。 发动机扭矩和功率功率用马力表示，一批运货马在1秒内把重量为550lbs的物品拉动1inch作为一马力.德语1 PS=0.735 kW.所以比如听到福特车400马力，就是300 kw功率，相当于300个1 kw微波炉同时工作。常啮合式结构-牙嵌式离合器-同步啮合装置都是服务齿轮组合：齿轮组合全部啮合时，用变速器内部的牙嵌拭离合器结构：像犬牙一样相互啮合的传递装置，媒体陶齿轮组合都有一个牙嵌拭离合器。1档时其他齿轮组合的牙嵌拭离合器都不啮合，所以都空转。（ H型换挡模式 ）同步啮合装置：通过实现牙嵌拭离合器的转速同步，使其更容易啮合。类似冰激凌蛋卷，有坡度，能平稳同步。万向节：传递旋转力到差速器。直径10厘米，中空钢管或碳纤维，一节节的防止振动。差速器：纵横排列的圆锥齿轮，有伞齿轮，3个作用：传递旋转力到左右车轮；能减速和加力；协助汽车转向。自动变速1：变矩器式液力变扭器：扇叶相对，传递旋转力。两个扇叶间是加快流势的导轮。增加锁止装置，压紧离合器，增加形式感，将低油耗。自动变速器里用三个齿轮的行星齿轮，其中直径关系：假设太阳齿轮半径为1，小齿轮半径为2，内齿圈半径为3,。行星齿轮通过切换输入和输出齿轮改变齿轮的半径比。自动变速箱力有行星齿轮，多板式离合器，制动器。啮合哪个离合器，决定了要将旋转力传递到哪个齿轮。自动变速2：自动离合: 利用油压接合或分离离合器和切换齿轮。传感器检测汽车是否加速或减速或匀速，通过电脑判断油压作用的时机和齿轮切换的时间。双离合器式：奇数和偶数齿轮。自动变速3：CVT无极差 continuously variable transmission. 由2个V字形的滚轮和传动带组成，结构简单。汽车最快速度是由空气阻力决定。阻力是速度的平方。第四章 转向-借助轮胎和差速器4.1 方向盘转动带动齿轮工作。转向系统：方向盘-转向轴-转向齿轮-横拉杆-节臂-轮毂动力转向系统：增加助力帮助轻松转向。类型：液压式；电子液压式；电动式。4.2 借助轮胎变形和弯曲转向-在轮胎出现之前，汽车都无法安全急刹车，也不能快速转向。-轮胎和地面接触面是大约手掌大小的四边形。汽车会利用某一个或几个面帮助自由行驶。-轮胎在转向方向和直行方向之间产生弯曲，就是侧偏力，来抵抗离心力。离心力公式： F=-mv^2/r.4.3 抓地力-抓地力是汽车行驶转向停车的根本，才有作用力和反作用力。它产生于3个方面：橡胶摩擦；轮胎变形；橡胶损耗。-抓地力在前后轮不同：后轮在摩擦圆上下方向上耗费的力更大。前轮驱动FF和四驱4WD是给前轮追加驱动力。-增大轮胎的抓地力？使用粘性强，摩擦大，弹力大，易变性强的橡胶，增大接触面；但轮胎寿命，大轮胎易颠簸。4.4 差速器用于调整左右转速直线行驶时上下小齿轮不转动；右转时，左右车轮移动距离不同使得上下小齿轮逆时针转动。右侧车轮转速较慢。4.5 悬架调整车体倾斜度-离心力和侧偏力和重心高度，三者形成一个力矩，导致悬架伸缩。悬架位于轮胎和车身之间，能伸缩，能缓和路面凹凸。-悬架有弹簧，减震器，稳定器，悬架摆臂和衬套组成。减震器结构是：活塞下压油液从小孔喷出，产生阻力，迅速缓和弹簧的振动。平衡弹簧硬度和减震器的吸收性是很困难的。稳定器：当轮胎有上下差时，稳定器（铁棒）扭转，抑制车身的横滚。-悬架摆臂与横滚的关系：上下悬架摆臂长度不同，使得车身横滚时候轮胎仍能直立。上摆臂轨迹是小圆，下摆臂是大圆。上下移动距离相同，但横向距离不同，使得轮胎能直立。所以，观察正在转向的汽车轮胎，如果里侧轮胎垂直于路面，则他是操作性能稳定的车。悬架设计者工作是如何设定上下摆臂的长度。-轮胎触地形状在直行和转向时候不同。解决方法：将轮胎设计成左右不对称形状。第五章 停车-制动器将速度变为摩擦热时速100km的车在停车前还要走50m,加上空走距离20M,所以至少留出100m。-盘式制动：最常见。当制动液受压时，卡钳活塞下压，制动垫压住制动盘实施制动。-鼓式制动：当制动液施加活塞下压时，制动蹄会向外扩张，紧贴鼓内侧，实施制动。-增强前轮制动：利用杠杆原理，平衡杆负责传递踏板活动，其支点偏离中心，来改变制动器压力。-制动器的助力：1.杠杆2.空气压装置：利用真空倍力装置力的气压差。-轮胎对于制动重要。ＡＢＳ（anti lock brake system）电脑控制，防止轮胎停转。-发动机摩擦制动：从高速齿轮切换到低速齿轮，轮胎一侧的齿轮转速加快，从而硬生生的加快发动机转速，从而产生摩擦阻力，汽车减速。-空气阻力制动：车后的定风翼，调整角度。- -制动辅助：帮助强制制动，通过检测1.驾驶员从加速踏板踩到制动踏板的状态与平时不同，且下踩速度不同。第六章 舒适性-减少噪音和振动和声振粗糙（NVH）减噪-减少发动机噪声：空气净化器，传动带，消音器-轮胎沟纹降噪：胎噪是由轮胎接触地面上的矩形块和沟引起。错开橡胶块。需要综合考虑支撑力和降噪的沟纹。我们把触地的橡胶块叫花纹块，花纹块的形式叫沟纹。公认较安静的轮纹是多采用小小尖头的花纹块，但也要结合部分大纹块来增加抓地力。胎纹的排水和减噪要平衡。-柔软的固定金属-流线型车身，空气流动不会被打断，风噪小。-传动系如齿轮-悬架噪音：弹簧和减震器，方法：金属件加树脂-底盘上方隔音材料毛毡；下方用树脂涂层。-电动车：没排气声，无燃油发动机，关键是风噪和胎噪：多加功夫如悬架，隔音材料。减震-悬架：利用橡胶衬套吸收悬架振动。平衡弹簧硬度，减震器减震力度和橡胶衬套的硬度，胎压。减少声震粗糙粗糙指前后的冲击，汽车在不平的路面受到来自前后方向的冲击。与上下振动不同。悬架的橡胶衬套有用：硬度高有助于平稳行驶，弹力能缓和粗糙和振动，要兼顾。第七章 安全性事故之前-主动安全临近事故-预碰撞安全技术事故之后-被动安全主动安全：ABS, ESC, 制动辅助系统，雷达巡航控制，车道保持系统。ABS是1970年代奔驰和博世公司研发。电脑控制使得急刹时防止轮胎锁死。当驾驶员紧急踩死制动，ABS电脑会降低制动液液压，减弱制动，轮胎转速加快。电脑和传感器使用CAＮ（controller area network）车载机器间的网络进行信息传递。ESC electronic stability control.当汽车打滑一个轮胎会自动制动以控制其打滑。制动辅助系统：突然快速踩下制动踏板但力度不大时候，会自动增大制动液液压，强力制动。雷达巡航系统：巡航系统是利用轮胎转速传感器检测速度，通过控制油门关闭程度保持速度。20世纪50年代克莱斯勒第一次采用这技术。波长为1-10毫米的毫米雷达波，不会被雨滴干扰但受雾影响。发射电磁波从前方汽车反射回来测量车距。借助摄像头识别车道标记线的车道保持系统CCD摄像头识别标记线，使用电动机作为动力的电动势动力转向系统。预碰撞安全技术：１预碰撞制动：ＡＢＳ＋毫米雷达波＋制动辅助２预碰撞安全带：安全带上的电动机收紧安全带，让身体紧贴，减少受伤程度被动安全１.吸能车身：有坚固的框架和类似于风箱的车身结构，风箱吸收冲击力。正面和后方撞击可以收缩变形；侧面的车门内加钢管吧冲击力分散到整个车身，车门的支柱将冲击力分散到车顶和底盘。三点式安全带１９５９年沃尔沃发明，因没有获得专利，全世界汽车生产商都可用。ＥＬＲ　emergency locking retractor 利用弹簧的力轻拉安全带出来，突然减速时安全带收卷器内的振动子会倾斜上锁。SRS安全气囊能感知冲击力而膨胀supplemental restraint system 1980年奔驰车首次使用。气囊有尼龙制成，传感器在保险杆附近和车内，气囊内火药爆裂氮气瞬间充满气囊。主动式头枕：使得头枕前移的装置，防止头部过分后移颈椎过度屈伸损伤。第八章 电动车-用电启动电动机驱动汽车8.1 电动车和汽油动力的区别8.2利用变频器和电动机产生旋转力8.3轮毂电机8.4锂离子电池电动机构成：蓄电池，电动机，变频器等-即使按下按钮仍静止-根据加速情况调节输送到电动机里的电量汽油动力车：加速踏板-发动机-变速器-轮胎；EV：加速踏板-蓄电池-直流电-变频器-交流电-电动机-轮胎变频器：2作用：转换直流电和交流电；根据电器工作状况精确调整电功率交流电动机结构：利用变频器将畜电池的电流转换成交流电，通入电动机，带动轴旋转。电动机是圆柱体，中轴上游永久磁铁的左右分布的正负极，圆柱形上有电磁铁（铁芯上缠绕铅制线圈的电磁铁），当两者同级，排斥。旋转到一半，交流电变化正负极，继续相互排斥，电动机继续工作。-为何不用直流电动机？如无线电遥控车。是因为利用电动机发电的再生功能，电动车减速时候电动机给蓄电池充电。-扭矩对比：汽油发动机：扭矩随着转速成 山峰状。加速，空气多，但过快，摩擦阻力加大。电动机：一开始转速为0时候就是最大值。所以电动机无需齿轮组合增加旋转力。电动车无需变速器，所以没有因齿轮切换引起的换挡冲击，更平稳。电动车要差速器如减速齿轮，来驱动。电动车噪音主要是：变频器控制的“咔咔”金属声，用于调节通入电动机的电量时。-轮毂电机：轮胎的轮圈左右各放入电机，就不需要差速器。因为每个电机都能单独改变驱动力和转速。4轮电机驱动导致新的移动方式：电动车像履带车一样，利用左右绿带前后反向转动。或者设计驾驶室能转180度。8.4 锂离子电池：单体3.7V-对比单体铅酸电池2V，汽油动力车用6组，故共12Ｖ。第九章 环保汽车-混合动力，和燃料电池汽车- 燃料电池汽车结构- 混合动力汽车种类- 新一代汽车：清洁柴油汽车，生物燃料汽车，氢动力汽车- 燃料电池结构：正极氧，负极氢，利用白金催化剂将氢分解为电子和氢离子。当氢离子移动到正极生成水时，电子就流经线路形成电。产物是水，所以燃料电池车是终极环保车。- 混动诞生：纯电动缺点：充一次电无法行驶过长距离；燃料电动车缺点：价格高，加氢站不完备。- 混合动力汽车有点：（1）考虑到发动机和电动机的优缺点，根据行驶状况变化区别使用，从而降低油耗。 混合动力车启动时使用能产生很大力量的发动机，发动后再使用发动机，因为汽车加速至发动机处于能产生最大扭矩的转速时，发动机高效率低油耗。 （2）并且不排放有害物质，环保。（3）无需充电。给蓄电池充电时，可以使用发动机动力，或者汽车减速时发电机的再生功能。- 混合动力车：并联式（小型车）vs 串联式（大型公交车）- 小型车并联式的两种方式：（1）除了发动机和电动机外还有发电机（2）使用发动机和电动机，但没有发电机。- 插入式混动车主要用电动机。他所搭载的蓄电池数量少于电动车，所以长距离行驶可以给汽车加满油，依靠发动机来行驶。诞生于2010年。新一代汽车- 清洁柴油汽车：油耗低，但废气含更多有害物质。euro5标准。轻油价格？催化剂？-》也在寻求电动化和混合动力化- 生物燃料车：植物生长需要二氧化碳，排放出，平衡掉，不破坏环境。但世界10亿人温饱，农作物燃烧？- 氢动力汽车：不同于FCV，他依靠燃烧H。但利用氢的效率低于FCV，且废气含NOx有害。另外还要加氢站。

抓地力（轮胎对地面的摩擦力）是有极限的，可以用于加速、用于制动和用于转向。对抓地力的分配可以使用一种叫做摩擦圆的图形来表示。在不同摩擦系数的地面上抓地力的极限不一样。纵座标上半部分表示用于制动的抓地力大小，下半部分表示用于加速的抓地力大小。横座标表示用于左右转向的抓地力大小。汽车在急加速时，抓地力多数被用于加速，这时候转向就比较困难，紧急制动时同理。以此可以理解为什么前轮驱动（FWD）的车容易转向不足，而后轮驱动（RWD）的车容易转向过度：FWD 容易转向不足的根本原因是因为前轮负责转向的同时还负责驱动，也就是说抓地力很大一部分被用于加速了，可用于转向的抓地力自然小了。而 RWD 的前轮只用于转向，加速的动力由后轮提供，所以前轮能更充分地利用抓地力过弯，同时因为后轮抓地力多用于加速，侧向抓地力远小于前轮，所以反而容易因为后轮侧向打滑而转向过度。P.S 爬坡时，车辆重心后移，前轮抓地力减小，后轮抓地力增大，所以 FWD 负重爬坡容易前轮打滑，所以载重汽车多是 RWD。

当信息不对称时，人们选择相信自己能够感知到并且容易接受的观点。当了解到足够的信息，并且能够运用自己的理智去进行思考之后，一个人的观点就会随着所获信息的全面准确而趋向于正确。

所谓的小白指的就是面对陌生事务时的信息极不对等吧。