现代汽车技术－安全性ABS-TCS-ESP.ppt

现代汽车技术 汽车技术的发展 汽车产业已经成为当今世界社会与经济发展的支柱产业 汽车产业的发展在很大程度上得益于汽车技术进步 汽车诞生100多年来 涌现出了各种有关汽车的技术发明和专利 使汽车的面貌日新月异 现代汽车 是现代技术发展的产物 同时也是现代技术发展的动力 汽车技术的发展是人类文明史的见证 汽车工业还是首先带头应用最新技术的行业 组合机床 自动生产线 柔性加工系统 机器人 全面质量管理等新技术 新工艺 都是在汽车工业最先得到推广和广泛应用的 汽车工业的发展 不仅带动了相关工业的发展 而且也不断对相关工业提出新的要求 从而促进了相关工业的技术进步 未来汽车的发展 还将推动各种高新技术和边缘学科的发展 如材料科学 人机工程 电子技术 能源科学 以及汽车空气动力学 车辆土壤力学 汽车轻结构学 汽车轮胎学等等 一 现代汽车技术的发展 1 汽车产品多样化时期汽车技术的发展汽车发动机从单缸发展到V型8缸 提高了压缩比 使发动机输出功率增大 燃油泵的发明与使用改善了发动机的供油情况 并使燃油箱移到汽车尾部 气门和凸轮轴布置的改变也是发动机的重大技术改革 蓄电池点火系统的应用 不但改善了发动机性能 同时也使得电灯 电喇叭 电气仪表 特别是起动电机有可能应用到汽车上 同步器的应用是变速器结构的一项重大改革 传动轴取代了早期的传动链条 主减速器中螺旋伞齿轮和准双曲线齿轮的应用能适应高速平稳的运转并降低噪声 低压充气轮胎提高了汽车对路面的附着性能和行驶安全性 轮胎可靠性提高了 汽车就没有必要再携带两只备胎 新式转向器和转向传动机构使汽车转弯变得轻巧灵活 在20世纪30年代 各厂商都陆续采用了液压制动系统 此外 许多轿车都安装了独立悬架 在车身技术方面同样也在不断进步 全钢车身取代了早期的木质结构 大型钢板冲压技术和焊接技术的进步使得车身变得轻巧牢固 承载式车身亦已广泛应用 与此同时 前大灯 近光灯 闪光信号灯 尾灯 刮水器 夹层安全玻璃 暖气及除霜装置 后视镜 保险杠 行李箱等部件已被普遍采用 为提高汽车车速和改善汽车的舒适性 汽车车身造型从马车车身发展到流线型车身 二战后 由于社会经济基础的影响 欧洲汽车的设计思想开始与美国分道扬镳 当时欧洲的经济处于恢复阶段 人民生活较俭朴 要求汽车尺寸紧凑和简朴实用 小排量轿车风靡欧洲 美国人民生活较富裕 石油价格较低 致使美国汽车设计追求尺寸宽松和表现气派 美国汽车从内部设备到外部装饰都力求豪华气派 1958年和l959年可算是美国汽车装饰达到登峰造极的时期 有的汽车别出心裁地将尾翅横向伸出 大有把形式美凌驾于功能之上的趋势 小巧精致趋于流线型造型的欧洲汽车在与大型华丽的美国轿车在竞争中屡屡获胜 表明汽车真正的美在于形体与线条的简朴与明晰 而不是随心所欲的浮夸和华丽饰件的堆砌 2 注重节能 环保和安全时期汽车技术的发展 汽车在给人们带来方便的同时 也对人类社会产生了一些影响 一方面 由于汽车保有量的增加 带来了严重的空气污染 其中最明显的例子是在1943年9月美国洛杉矶市出现了浅蓝色 白色或紫色的烟雾 主要是汽车排放的NOX及HC进入大气后与大气中的氧气在阳光的作用下 进行连锁反应 形成臭氧 醛 过氧乙酰硝脂等有害物质 这些污染物包括CO NOX 碳烟微粒等 上述情况促使公众越来越注意环境保护问题 因此 美国及有关各国都陆续制订了汽车排放法规 限制汽车排放物 而且法规的要求越来越严 环保要求对汽车技术 特别是车用发动机的技术发展起了很大的推动作用 曲轴箱强制通风系统 PCV 废气再循环系统 EGR 排气三元催化系统 二次空气喷射系统 燃油蒸发控制 分层燃烧系统 稀混合气燃烧系统等新措施和新技术不断推出 缓解了汽车排放对人类健康和环境的威胁 另一方面 由于汽车车速的不断提高 交通事故日益严重 交通安全已经成为引起社会广泛关注的社会问题 于是 各工业发达国家的政府 纷纷制定保证汽车交通安全的标准与法规 这些安全法规迫使汽车在有关安全性能及其装置方面不断改善 如ABS电子控制防抱死制动系统 ASR驱动防滑系统 EDL电子差速锁 EBD电子制动力分配装置 ESP电子增稳系统 安全气囊及安全带等 节能是汽车技术发展的永恒课题 为了降低高速行驶时的风阻 以通用汽车公司1952年制造的别克牌汽车为开端 出现了基于流体力学的真正的高速车型 鱼型车身 但随着车速的不断提高 升力问题出现了 高速时产生的气动升力不仅影响汽车的稳定性 而且影响汽车的可操纵性与安全性 1963年司蒂倍克设计了称之为阿凡提的双座轿车 开始兼顾低风阻和高速安全性的楔型车时代 这种楔型造型很快被赛车广泛采用 3 汽车产品的现代化标志 1 汽车产品的电子化电子技术的迅速发展和电子计算机的微型化 使汽车有可能装备各种微处理器以及各种电子元件 上个世纪70年代以来 汽车上出现了很多各种各样的电子产品 将一些传统的机械结构转变为性能优良 技术高精的机电一体化装置 电子技术在汽车上的应用 可以满足日益严格的法规要求 适应顾客对汽车使用的方便性 舒适性 高效性及经济性的要求 随着汽车对电子技术的依赖性越来越大 电子技术成为汽车不可缺少的一部分 2 汽车整车的轻量化整车轻量化除了运用先进的设计方法使汽车尺寸紧凑和结构合理外 更重要的是采用了新型材料 现代汽车上所采用的新材料主要是工程塑料 轻质铝合金 高强度合金钢等 3 汽车结构的变革汽车发动机的结构变革主要目的是提高发动机工作效率 降低燃油消耗和减少污染 在一些新型的发动机上采用汽油缸内喷射技术 可变配气相位及可变进气道技术 可燃混合气稀薄燃烧技术 柴油机电控技术及共轨技术 废气涡轮增压装置等 使发动机的结构发生了变化 二 现代汽车技术发展方向 1 安全可靠随着日益增长的全球汽车保有量 汽车交通事故的数目也在触目惊心的增长 每年汽车碰撞事故而造成40多万人死亡和1200万人受伤 行车安全已成为当前汽车技术亟待解决的问题 汽车制造商们为保障驾驶员机乘客的安全 在汽车上面安装了很多安全设施 如 安全带 安全气囊 故障自诊断设备 ABS EBD ESP等装置 汽车安全性的分类 被动安全系统安全气囊安全带头枕作用是车内人员受伤害时提供保护 主动安全系统防抱死系统ABS牵引力控制系统TCS电子稳定程序ESP作用是防止事故发生 主动安全性的发展 ABS 汽车制动防抱死系统 什么是ABS系统 Anti brakingSystem ABS 装有ABS的汽车遇到突然出现的障碍物时 即使是驾驶员猛踩制动 车辆仍能控制自如 轮速传感器不断监视着所有的车轮 一旦某一车轮开始将要抱死 ABS快速反应 迅速降低这个车轮的制动压力 使它不至于完全停止转动 依靠这种调整 保证了可能的最短制动距离 使得车辆仍能操控自如 并增强了稳定性 在汽车制动时 随着制动强度增大 原先滚动的车轮有可能完全停止转动 抱死 此时汽车仍以较大的惯性向前冲而车轮在地面上滑移 在车轮完全打滑的情况下 车轮对地面的附着性能大大下降 汽车的制动距离增大 而且汽车有失控的危险 图1 制动防抱死系统就是在制动过程中防止车轮被制动抱死 研究表明 在车轮滑移率为15 20 时制动效果最佳 ABS的优点 ABS能缩短汽车的制动距离 能增加驾驶员在制动过程中控制方向盘绕开障碍物的能力 能保证汽车制动时的方向稳定性 特别时在路面较滑 潮湿的道路上行驶时 ABS的发展 1932年 英国人霍纳摩姆首先研制出了ABS系统 并申请了专利 然而受当时技术水平的限制 未能广泛推广使用 90年代 ABS发展迅猛 欧洲和美国 日本等地区均在高速发展ABS 到1995年 轿车装有ABS的比例 美国 德国 日本分别为55 50 和35 货车装有ABS的比例分别为50 50 和45 瑞典VOLVO公司凭借在安全技术上的深入和超前探究 其汽车安全性能始终令它人仰止 甚至会成为 安全汽车 的代名词 ABS的使用情况 什么是牵引力控制系统 TCS 能防止车轮打滑 在车辆启动与加速时 保证良好的牵引性能 同时照顾车辆的稳定性和操控性 轮速传感器不断监视着每个车轮 如果某个车轮表现出打滑的趋势 TCS会调整驱动扭矩并且迅速干预制动系统和发动机的运行 车辆因此能够安全地启动或加速 汽车驱动防滑转系统 AntiSlipRegulation 或AccelerationSlipRegulation 简称ASR 的作用是防止汽车在起步 加速和滑溜路面上行驶时驱动轮滑转 特别是要防止汽车在非对称路面 两侧车轮路面不一致 或在转弯时驱动轮的滑转 以保持汽车的方向稳定性 操纵性 并维持最佳驱动力 例如 驾驶员正在转换车道并加速超车时 如果驱动轮滑转 则汽车根本不按驾驶员的意愿更换车道 而留在原车道上并可能撞到前面的汽车上 图3 又例如 汽车在转弯时 如果驱动力超过附着力 则汽车可能不转弯而滑出路面 TCS的作用 tractioncontrolsystem 装有TCS的汽车通过两种方法控制车轮打滑 减少节气门开度来降低发动机功率由制动器控制车轮打滑 TCS的作用 当汽车加速时将滑动控制在一定的范围内 从而防止驱动轮快速滑动 功能 提高牵引力 保持汽车的行驶稳定性 TCS的优点 在湿滑路面起步不会打滑 两个牵引轮中有一个陷入泥水中 它可以通过ABS系统刹住打滑车轮 把牵引力转移到另一牵引轮 会很快使车辆脱离困境 在左 右车轮与地面的摩擦系数不一样时 车辆不会侧滑 如果不希望TCS起作用时 可以按下 TRACOFF 按钮 这时 TRACOFF 灯会启亮 TCS失去作用 汽车会和未装备TCS的普通车辆一样行驶 TCS的工作原理 当汽车的电脑通过传感器检测到牵引轮 在此为前轮 空转 既打滑 时 它会发出如下指令来降低该车轮的牵引力 1 滞后发动机的点火正时 2 增加空燃比 使混合气变稀 3 关闭三个喷油器 六缸发动机 4 使自动变速器上升一个档位 5 如果以上措施仍不能制止车轮打滑 汽车电脑还会启动ABS系统给打滑车轮施与适当的制动力 什么是电子稳定程序 ESP ElectronicStabiltyProgram 汽车转向行驶时 只有各车轮从地面获得适当的横向力 汽车才能按照驾驶员的意图进行转向行驶 汽车在转向行驶过程中产生离心力 当前轮承受的离心力超过其横向附着力时 前轮就会向外侧滑 使汽车产生不足转向 当后轮承受的离心力超过其横向附着力时 后轮就会向外侧滑 使汽车产生过度转向 同样 在转向车轮偏转相同角度的情况下 汽车在附着系数较高的路面行驶时 汽车会出现转向过度现象 汽车在附着系数较低的路面行驶时 汽车会出现转向不足现象 如图4所示 在转向行驶过程中出现不足转向或过度转向都会影响汽车的方向稳定性 在防抱死制动控制系统和驱动防滑控制系统的基础上 发展了ESP ElectronicStabilityProgram 又称汽车动态控制系统 使汽车在各种行驶状态和道路条件下都能保持良好的方向稳定性 它是l994年奔驰汽车公司首先推出的汽车主动安全系统 ESP的优点 主动提高汽车在加速 摆动和刹车时的稳定性 通过制动系统或者发动机管理系统来干预车辆的平稳性 优点 提高在极端状态下的转向能力降低打滑风险提高行驶稳定性优化停车距离 ESP的应用举例 一辆汽车行驶在路滑的左弯道上 当过度转向开始使得车子向右甩尾时 ESP的传感器感觉到了滑动 就迅速让右前轮制动 使汽车产生顺时针方向的转矩 而将汽车保持在原来的车道内 当不足转向使前轮驶离路面而丧失对地面的附着力时 四通道的ESP就让左后轮制动 由此产生逆时针方向的转矩使汽车回到正确路线上 如果车上装的是双通道的ESP 则会使左前轮制动 如果后轮驱动的汽车控制不住其后轮 ESP可同时降低发动机的功率和通过精确计算得出压力来控制车轮 使汽车保持它的正常运行轨迹 ESP的组成 转向传感器 监测方向盘旋转的角度 帮助确定汽车行驶方向是否正确 车轮传感器 监测每个车轮的速度 确定车轮是否在打滑 侧滑传感器 记录汽车绕垂直轴线的运动 确定汽车是否在打滑 横向加速度传感器 它对转弯时产生的离心力起反应 确定汽车是否在通过弯道时打滑 ESP工作原理 控制单元通过ESP的传感器信号 对车辆的运行状态进行判断 进而发出控制指令 并自动地向一个或多个车轮施加制动力 短时间内多次制动 甚至每秒进行150次制动 以把车子保持在驾驶者所选定的车道内 这些传感器还向控制装置提供汽车在任何瞬间的运行状况信息 ESP与ABS及TCS的异同 ESP与ABS及TCS共同工作 与ABS的工作不同的是它不需要驾驶者对它进行操作 而是根据实际情况自己作出反应 不再盲从驾驶者 在非紧急的情况下 ESP可充分发挥其独有的优势 其转弯控制功能可在正常转弯制动时为内侧轮和外侧轮分别选择最佳的制动压力 以提高方向的稳定性 4 自适应定速巡航控制系统自适应定速巡航控制系统 速度控制系统或自动驾驶系统 是为减轻驾驶员劳动强度 提高行驶舒适性 保证汽车和发动机都能在有利速度范围内运行的自动控制装置 在公路长途行车时 驾驶员会有单调乏味的感觉而难以便注意力集中 此时可开启巡航控制系统协助驾驶 巡航控制系统在飞机上应用 显示出了它的无可比拟的优点 上个世纪50年代末 巡航控制系统开始用于汽车 并很快受到青睐 所以目前在美 日 德 法 意等汽车大国发展 普及很快 尤其是近几年来世界各国高速公路的通车里程增多 扩大了汽车巡航控制系统大显身手的空间 因此巡航控制系统在汽车上的应用也越来越多 六 夜视系统和远光灯辅助系统夜间行车是最令人紧张和容易出危险的驾驶情况之一 交通事故统计数字表明 夜间行车存在很大的潜在危险性 在德国 虽然人们在白天驾驶的比例占到75 但是大约50 的重大事故发生在夜间 这意味着夜间驾驶的危险是白天的两倍 据统计 在欧洲每年大约有56万人在夜间的交通事故中受伤 另有2 3万人死亡 相似的情况也发生在美国 引起夜间行车危险性大的原因是主要有两点 一是人眼对光线的适应性问题 黑夜里人的眼睛从亮到暗需要有一个适应过程 所以当驶经交叉路口 繁华路段时 霓虹灯以及其它灯光的照射对驾驶员的视线及辨别交通信号灯的颜色均有影响 这时就要减低车速 避免危险情况发生 二是由于人们总是用近光灯照明 使得光照条件微弱有限 路上的障碍物或窄道往往很晚才被发现 为了增强在夜间开车的安全性 近日 宝马公司就开发了一种驾驶员辅助系统 其中包括宝马的夜视系统 BMWNightVision 和远光灯辅助系统 BMWHigh BeamAssist 其中 夜视系统可以使驾驶员及早感知前方的人 动物或障碍物 从而避免危险 危机情况的发生 而远光灯辅助系统则可以自动地控制远光灯在最适当和最需要的时候开启和关闭 2 夜视系统的工作原理宝马夜视系统的主要功用在于提早发现夜间在黑暗的路边慢跑的人 自行车 动物以及障碍物 它的原理是利用了人和动物本身的热辐射特性 使用远红外热能相机对这些物体进行捕捉 而后显示在荧幕上 运用该系统 驾驶员可以提前5s觉察出危险情况 远光灯辅助系统的主要构件是安装在后视镜外壳前面一个传感器 传感器内包含一架照相机 相机拍摄的图像被反馈到一个电子评估系统里 由该系统分析前方的物体从而自动控制远光灯的开闭 七 其它的主动安全技术1 紧急制动辅助装置 EVA 简介现代的科学技术使汽车的速度越来越快 为了提高紧急情况下的制动效率 最大限度避免事故的发生 ABS 防抱死制动系统 和EBD 电子制动分配系统 越来越多的被应用于轿车上 除此以外还有一项可以大幅提高制动效率的技术 EVA 紧急制动辅助装置 也已经应用到了轿车上 例如东风标致307 我们可以把紧急制动分为三部分 首先 当驾驶员意识到危险状况的出现到将右脚从油门移动到刹车踏板 根据不同的人和不同的反应状况 这个过程要持续0 7 1秒左右 如果这时车速在100公里 小时的时候 右脚踏在刹车踏板上 车子又会继续向前行驶了27米的距离 接下来 当右脚大力作用于刹车踏板 刹车系统对车轮的制动作用由零到刹车最大限量 此时ABS介入工作 但很多客观原因会使驾驶者不能在最短时间内让刹车处于最大限量 所以这段距离很难确切的把握 可能从十几米到几十米 最后 刹车系统进入最大限量的工作状态 ABS系统启动 轮胎与地面产生剧烈摩擦 车速骤然下降 直到完全停下来 EVA系统便是在驾驶者踩刹车踏板这一过程中起作用的 通过嵌入式液压助力系统 且根据驾驶者踩下刹车的速度和力量可以自动感知驾驶者需要什么样的制动效果 2 车道偏离警告系统简介车道偏离警告系统 LaneDepartureWarningSystem 的作用是能够防止车辆偏离相应的行驶路线引起的碰撞或交通事故 如图7 12所示 它是以摄像头为基础的系统安装在汽车挡风玻璃后 能够探测到路上的标线 并检测车辆中央至左右车道间的距离 在显示屏进行显示 以警告有偏离车道的倾向 同时通过发出声音警报和触觉警报帮助驾驶者保持注意力集中 以提高行车安全 例如 在出现偏离右侧车道的倾向时 油门踏板的右侧振动 在出现偏离左侧车道的倾向时 油门踏板的左侧振动 当驾驶者打开车辆转向灯超车时 警告系统便会停止工作 而且也可以手动关闭 另外 这些设定也可以根据整车厂的要求度身定制 2 被动安全 1 安全带安全带是汽车最重要的被动安全设备之一 在发生碰撞事故时 它是阻止乘员在驾驶舱内移动的主要手段 系上安全带能防止乘员在碰撞中被甩出车外 同时也将车厢内发生二次碰撞的机会减至最小 可大幅度减少汽车碰撞事故的伤亡率 目前广泛采用预紧式安全带 可在碰撞达到一定强度时 启动预紧器 带动锁扣回缩或卷收器回转 使得安全带缩短一定距离 有效消除间隙 提高安全带的作用 预紧式安全带是在三点式安全带的基础上增加预紧器构成的 预紧器可以与锁扣结合在一起 锁扣预紧器 也可以与卷收器结合在一起 卷收器预紧器 预紧式安全带与机械三点式安全带不同之处在于 在汽车发生猛烈撞击后能够更快速反应 紧紧地将人扣在座位上 2 安全气囊安全气囊 SupplementalRestraintSystem 简称SRS 也称辅助乘员保护系统 是汽车的一种被动安全保护装置 安全气囊在汽车遭到碰撞而急剧减速时迅速膨胀 成为一个缓冲垫 让乘员扑在气囊上 通过气囊的排气节流阻尼吸收乘员的动能 使猛烈的车内碰撞得以缓冲 以达到保护乘员的目的 日本 美国 德国等汽车大国在2001年 已把安全带和安全气囊定为轿车上不可缺少的装备 当车辆发生碰撞时 安全气蘘的传感器接收撞击信号 减速度值控制 将测得信号与规定值 阈值 比较 如果撞击强度达到或超过气囊展开设定值 系统电子控制系统向气体发生器发出启动信号 引燃发气剂 爆炸 产生大量气体经过滤 冷却后进入气囊 使气囊在极短时间内冲破衬垫而展开 使乘员的头 胸部直接与较为柔软有弹性的气囊接触 从而通过气囊的缓冲作用减轻乘员的伤害 三 其它的被动安全技术1 乘坐舱的设计 首先考虑对碰撞能量的吸收 例如防撞门柱 吸能方向盘等 在发生碰撞时 就可以吸收能量并帮助减少乘坐舱的变形 以达到保护乘员的目的 其次还要考虑发生碰撞时保持其完整性 避免乘员受到挤压和冲击 2 孕妇与儿童安全 长期以来 人们对孕妇与儿童的安全并没有刻意去研究 但近年来 人们越来越多地关注孕妇与儿童的安全 如前所述的安全带 现在为孕妇与儿童考虑的还有座椅与专用的儿童安全保护锁 3 吸振保险杠 前后保险杠是重要的安全部件 其吸收冲击能量的性能必须满足严格的法规要求 我国新颁布的GB17354 1998的要求前后保险杠必须保证汽车在低速碰撞 4km h 下汽车各部件仍能正常工作 这项标准和欧洲法规相同 国外保险公司也有用15km h碰撞试验结果来评估维修工作量和费用 及估算出投保费用的高低 4 防碰撞强化车身 防碰撞强化车身是最重要的被动安全措施之一 目前国外广泛采用CAD 有限元分析 计算机模拟 如模拟撞车 实车碰撞试验等技术来提高车身的安全性 5 防火措施 采用阻燃性能良好的材料 装备燃油断油阀 能自动切断燃油供给及点火 2 环境保护控制汽车排放污染的措施 应从内燃机的结构改进着手 即进行机内净化 机内净化就是改善可燃混合气的品质和燃烧状况 抑制有害气体的产生 使排气中的有害成分减至最少 另外 实行机外净化 用设置在发动机外部的附加装置使排出的废气净化后再排入大气 1 汽油缸内喷射汽油直接喷射 Gasolinedirectinjection 缩写为GDI 就是指直接往气缸内喷射汽油 而间接喷射的含义在汽油机是指喷在进气门前或节气门前 在柴油机中则指喷在涡流式燃烧室或预燃式燃烧室中 2 可变配气相位及可变进气道气门开启相位 气门开启持续角度 指气门保持升起持续的曲轴转角 和气门升程这三个特性参数对发动机的性能 油耗和排放有重要影响 通常将气门开启相位和气门开启持续角度统称为气门正时 随着发动机负荷和转角的改变 这三个特性参数 特别是进气门开启相位和开启持续角度 的最佳选择是根本不同的 3 发动机增压发动机的增压方法主要有三类 机械增压 废气涡轮增压和复合增压 废气涡轮增压早先运用于柴油车 国内轿车1998年开始在排量1 的奥迪200上运用 以后又有奥迪 6的 T 即Turbocharaed 涡轮增压 直至最新的帕萨特 4 催化净化装置催化净化装置是一种内部装有催化剂的装置 装在发动机的排气管中 催化剂能使发动机排气中的有害成分加速转变成无害成分 催化净化方法有两种 一种是催化氧化法 它以铂 钯 黄金 钴 镍等金属及其氧化作为催化剂 使有害成分CO和HC氧化成无害成分CO2和H2O 另一种是催化还原法 它以碱金属 钴铬合金作为催化剂 使有害成分NOX还原为N2和O2 目前催化净化装置有氧化催化反应装置和三元催化反应装置 氧化催化反应装置仅依靠氧化反应降低有害成分CO和HC 柴油机和汽油机都适用 三元催化反应装置是氧化与还原反应同时进行 能使CO HC和NOX同时都转化为无害气体 它要求发动机的空燃比精确地控制在理论空燃比附近的最佳范围内 以保证同时对三种有害成分高效率净化 因此 三元催化反应装置一般与燃油电子喷射发动机一起使用 用氧传感器检测排气中的氧浓度 反馈控制发动机的空燃比范围 由于柴油机排气中残留的氧量较多 使氧传感器的控制不灵敏 故三元催化反应装置一般不用于柴油机 而只用于汽油机 3 节约能源20世纪70年代石油危机以后 降低汽车燃料消耗的问题受到全世界普遍重视 此后 节约能源便上升为汽车技术的重大课题 世界各国均投入大量人力物力进行研究 并制定了强制的汽车油耗限额法规 随着汽车技术的进步 油耗限额法规亦逐渐修订得愈来愈苛刻 节约能源的有效方法有许多 例如整车轻量化 降低轮胎的滚动阻力 降低空气阻力 变速器多档化以及使用代用燃料 1 整车轻量化整车轻量化是节约能源最有效的方法 汽车在向前行驶时 需要克服各种阻力做功 消耗发动机的能量 除空气阻力与汽车本身的形状有关外 滚动阻力 上坡阻力 加速阻力都与汽车的重量有关 只要减小汽车重量 就可成正比地减小上述三种阻力 美国专家认为 今后轻量化的途径主要是将目前占汽车重量70 的钢铁材料换成较轻的其他材料 特别是塑料和铝 2 降低轮胎的滚动阻力汽车轮胎子午线化是轮胎主要的发展趋势之一 子午线轮胎具有滚动阻力小 节约燃料 附着性能好 缓冲性能好 承裁能力大等优点 车速愈高 其节油效果也越显著 大约比普通轮胎节油7 3 降低空气阻力汽车的空气阻力是与车速的平方成正比的 亦即在汽车高速行驶时 空气阻力达到相当可观的数值 此时用于克服空气阻力的燃料占总消耗的一半以上 因此 改善汽车的形状具有较大的节油效果 4 变速器多档化变速器采用更多的档位 虽然结构更复杂 但可使驾驶员针对具体道路条件选择更合适的传动比 成为汽车技术发展的趋势 档位愈高 传动比就愈小 导致汽车行驶每公里的发动机曲轴转数愈少 亦即发动机工作循环次数减少 就可以节约燃料 许多汽车的变速器都配备超速档 这是一种节油措施 4 操纵方便乘坐舒适在提高驾驶方便性及乘坐舒适性方面 电子技术的应用发展很快 驾驶带自动变速器的车比手动档的机械变速器要省事省力 有动力转向的车操纵更轻松 具备冷暖空调的车乘坐更舒适 具备四轮独立悬架及电控悬架的车在行驶时更加平顺和舒适 1 自动变速器机械变速器虽然能满足汽车行驶动力性和经济性的基本要求 但存在以下不足 换档操作劳动强度大 容易引起司机的紧张 疲劳及注意力分散而增加汽车行驶的不安全因素 手动换档时 传动系和发动机都不可避免承受换档所引起的冲击力 对发动机和传递系的使用寿命都有一定影响 换档操作时所带来的行车不平稳 还影响乘坐的舒适性 此外 换档的最佳时机不易把握 这又会影响汽车的行驶动力性和经济性 电控自动变速器解决了机械变速器的不足 满足汽车行驶安全 舒适及节能的要求 2 电控动力转向系统动力转向系统是在驾驶员的控制下 借助汽车发动机产生的液体压力或电动机驱动力来实现车轮转向 所以动力转向系统又称为转向放大装置 动力转向系统由于使转向操纵灵活 轻便 能吸收路面对前轮产生的冲击等优点 因此在中型载货汽车 尤其在重型载货汽车上得到广泛使用 但是 传统的动力转向系统所设定的固定放大倍率不可能同时满足汽车在不同行驶工况下都有最佳助力作用的要求 因此 使汽车的转向盘操纵总不能达到令人满意的程度 3 电子控制悬架系统汽车的平顺性和稳定性是衡量悬架性能好坏的主要指标 但二者对悬架的刚度和阻尼的要求是相互排斥的 比如 降低悬架的刚度 可使车身振动时的加速度减小 汽车的平顺性得以改善 但这会导致车身位移增加 给操纵稳定性带来不良影响 增加弹簧刚度可提高汽车操纵稳定性 但刚度大的悬架对路面不平度很敏感 使平顺性下降 因此 理想的悬架应该是在不同载质量 不同行事条件下 其弹簧的刚度和减振器阻尼会不同 以同时满足汽车平顺性和稳定性的要求 传统悬架的刚度和阻尼只能是根据一定的载荷 某种路面情况和车速 兼顾各方面的要求 优化选定一种刚度和阻尼 这种刚度和阻尼一定的悬架称为被动悬架 4 汽车空调国外汽车空调技术是随着汽车普及而发展起来的 其发展史是由低级到高级 由简单功能到多功能 1925年美国的汽车利用汽车冷却水通过加热器取暖 1927年发展到具有加热器 风机和空气滤清器的比较完整的供暖系统 1939年美国的轿车上安装了机械制冷降温的空调器 1954年通用汽车公司率先在轿车上安装了冷暖一体化空调 具有调温 除湿 过滤 除霜等功能 这种冷暖一体化空调需要人工操作 既增加了驾驶员的劳动强度 同时控制质量不高 1964年通用汽车公司在轿车上安装了自动控制汽车空调 只要预先调好温度设置 空调就能自动地在调定的温度范围内工作 图13 1973年美国和日本联合研究计算机控制的汽车空调系统 1977年安装在汽车上 使汽车空调功能增多 显示数字化 冷暖 通风一体化 微调化 提高了汽车的舒适性 5 CCS 巡航控制系统 CCS是英文 CruiseControlSystem 的缩写 译为巡航控制系统 根据其特点巡航控制系统一般又称为巡航行驶装置 速度控制系统 SpeedControlSystem 自动驾驶系统 AutoDriveSystem 等 汽车巡航控制系统 CCS 是利用先进的电子技术对汽车的行驶速度进行自动调节 从而实现以事先设定的速度行驶的一种电子控制装置 当汽车较长时间在高速公路上行驶时 打开该系统的自动操纵开关后 如下图7 18 CCS将根据行车阻力自动增减节气门开度 使汽车行驶速度保持一定 6 触屏式导航技术 TouchScreenNavigation 触屏式导航系统可以通过其集成式导航无线电通讯技术 进一步简化了导航系统 使得驾驶更加方便 导航系统包括车载电脑 DVD地图信息库 车辆探测器以及GPS卫星资料库等 可随时确定车辆的位置 驾驶员可以直观地通过触摸式屏幕输入目的地信息 在输入并确认目的地地址后 系统便会通过视觉与语音系统 在所经路口向驾驶员提供方向指示 为了使驾驶更加安全 地址信息只能在车辆处于静止状态时才能进行输入 这套导航系统还能提供重要的旅行信息 如距目的地里程数与路上所需时间 如果用户错过了一个转弯路口 这个智能导航系统能快速重绘地图 提供新路线 在路边停车后 比如加油或购买食物 系统也能继续执行导航功能 该系统还可以帮助用户查找各种场所 如公园 加油站 自动柜员机 餐馆 娱乐场所 旅馆和杂货店等 替代燃料 汽车燃料应具备的条件汽车具有体积小 质量轻 机动性好和数量大等特点 作为汽车能源 应当具备如下条件 1 储量丰富或原料丰富 这是最根本的 条 因为世界上汽车的数量已高达6亿多辆 每天都要烧掉大量的能源 2 能量密度高 亦即单位质量或单位体积的低热值高 能量密度高是汽车有足够续驶里程的基本特征 3 污染小 为了保持人类良好的生存环境 净化质量已经越来越成为最基本的条件之一 4 价格低廉 这是能否推广的重要条件 5 良好的运输性 运输性指燃料储运的方便性与安全性 流动性主要影响供油是否方便 1 液化石油气和天然气天然气 NG 和液化石油气 LPG 由于具有低的污染物排放被认为是内燃机的较理想代用燃料 已经被成功地应用于汽油机 作为车用燃料LPG的主要成份是丙烷 丁烷和少量烯烃和戊烷 LPG辛烷值较高 燃料费比酒精 汽油 柴油等便宜 CO NOx等有害排放量低于汽油机排放 基本上消除黑烟和颗粒物 PM 发动机工作噪音低 天然气的主要成份是甲烷 一般为83 99 及少量其他烃类和CO2等 天然气具有较高的辛烷值 抗爆性能好 与汽油相比 燃烧更完全 据美国EPA报告 天然气汽车可以降低40 的HC排放 50 的CO排放 无碳烟排放 其中HC排放的90 为甲烷类物质 光化学反应低 采用缸内直喷和稀薄燃烧技术可进一步提高发动机效率 降低污染物排放 符合各国有关的环境排放标准 天然气汽车因为其良好的排放特性及丰富的储量而成为各种代用燃料汽车的首选 天然气的储存方式主要有压缩天然气 CNG 15MPa 20MPa 液化天然气 LNG 沸点 162 和吸附天然气 ANG CNG是目前车用天然气燃料的主要储存方式 CNG在汽车上使用的主要缺点是储气瓶重量重 占用体积大 与液体燃料相比 天然气体积能量密度低 20Mpa压力下的CNG燃料仅相当于汽油能量密度的30 2 氢气氢气 H2 长期来主要用作宇宙飞行器发射和推进的燃料 作为汽车燃料 氢气辛烷值高 发动机热效率高 发动机可在空气过量系数 较大的范围内稳定燃烧 点火能量低 不到汽油最低点火能量的1 10 且氢燃料的火焰传播速度快 低温下易起动 其燃烧生成物主要是水和NOx 不产生HC CO和碳烟排放 但在发动机上使用还有回火 早燃 燃烧控制等问题尚待解决 氢的主要缺点是储运性能很差 氢的沸点为 253 以液态方式储存时成本高 不适宜长期储存 氢的制取原料有天然气 煤 水 从水制取氢有电解法 热化学法 光解法及微生物法 至今这些制氢方法的成本及能耗都较高 难以进行大规模制氢用于车用燃料 因此氢气必须在解决降低生产成本 储存运输等难题后 才能走向实用 3 醇类燃料醇类燃料甲醇和乙醇 具有辛烷值高 汽化潜热大 热值较低等特点 作为汽车燃料 醇类燃料自身含氧 在发动机燃烧中可提高氧燃比 CO和HC的排放较汽油和柴油的低 几乎无碳烟排放 另外 由于汽化潜热高 可降低进气温度 提高充气效率 使最高燃烧温度低 发动机的NOx排放较低 发动机使用甲醇燃料 会产生有毒的醛类排放 此外甲醇对人体毒性较大 它对金属有腐蚀作用 对橡胶皮革有溶涨作用 会使塑料提早老化 这些缺点使甲醇在实际应用中受到了较大限制 乙醇燃料以掺烧或纯烧方式已成功地用于汽油机上 汽油醇 gasohol 混合燃料在巴西