改變汽車的十大『黑科技』

□朱盛鐳

汽車科技史就是一部以汽車為載體，通過不斷吸納科技精華而迭代發(fā)展的演進史，其間，“黑科技”如影隨形。本文采擷的10 項汽車“黑科技”都曾引起社會轟動。當我們從其魔幻般的渲染中回過神來，才發(fā)覺它們竟是如此實用和貼心。

充氣輪胎：讓汽車穿上“跑鞋”

車輪形態(tài)的演繹源遠流長，從圓木、輪子、輪軸、實心輪，到輪輻式車輪；從木制輪、鐵制輪、橡膠輪，到充氣輪胎車輪。充氣輪胎承受汽車的重量，它與懸架共同緩和汽車所受到的沖擊，保證汽車良好的乘坐舒適性和行駛平穩(wěn)性；保證輪胎良好的抓地力，提高汽車的牽引性、制動性和通過性。

1845 年，英國人鄧祿普發(fā)明了一種充氣輪胎，將其應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，讓汽車穿上了舒適的“黑科技”之鞋。鄧祿普之后又研制出易裝卸的輪胎，使充氣輪胎具有了真正的實用價值。

初期的充氣輪胎使用涂有橡膠的帆布當胎體。因為帆布的縱橫線互相交叉，行駛時由于輪胎變形，導(dǎo)致它們互相摩擦，很容易被磨損。1903 年，帕瑪發(fā)明了斜紋紡織品，使輪胎的壽命大大延長。

1930 年，法國米其林公司制造了第一條無內(nèi)胎充氣輪胎；1946 年，該公司試制了全球第一條子午線充氣輪胎。與斜紋輪胎不同，子午線輪胎的簾布纖維與外胎斷面接近平行，其排列方式像地球子午線。子午線輪胎的簾布纖維形成一條幾乎不能伸張的環(huán)形帶，提高了輪胎花紋的剛性，大幅度改善了輪胎的性能。因胎內(nèi)添加了鋼帶，子午線輪胎又被稱為“鋼絲輪胎”，它的發(fā)明是輪胎業(yè)的一場革命。

充氣輪胎可分為高壓胎、低壓胎和超低壓胎三種，現(xiàn)代汽車普遍采用低壓胎。按結(jié)構(gòu)不同，充氣輪胎又分為有內(nèi)胎輪胎和無內(nèi)胎輪胎兩種，轎車普遍采用無內(nèi)胎輪胎。按內(nèi)部簾布層和緩沖層的排列方式不同，輪胎又可分為子午線輪胎和斜交輪胎兩種，汽車普遍采用的是子午線輪胎。

內(nèi)燃機：汽車的“心臟”

內(nèi)燃機這個“黑科技”的出現(xiàn)，讓源自大篷馬車的汽車得以自驅(qū)前行。它決定著汽車的動力性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和環(huán)保性，是汽車的“心臟”。由于匹配了內(nèi)燃機，汽車這個“無馬的馬車”就行無羈絆，成為“改變世界的機器”。

根據(jù)動力來源不同，汽車內(nèi)燃機可分為汽油內(nèi)燃機、柴油內(nèi)燃機、氣體內(nèi)燃機等。1876 年，德國人奧托發(fā)明了往復(fù)活塞式四沖程汽油內(nèi)燃機，采用了進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程（也稱奧托循環(huán)）。1886 年，卡爾·本茨發(fā)明的汽油內(nèi)燃機三輪式汽車獲得專利。同年，戈特利布·戴姆勒的首輛汽油內(nèi)燃機四輪式汽車誕生，將內(nèi)燃機真正提升為汽車的主要動力來源。1892 年，魯?shù)婪颉さ胰麪柊l(fā)明了壓燃式內(nèi)燃機（柴油機），實現(xiàn)了內(nèi)燃機歷史上第二次重大突破。也許他們根本沒有意識到，他們研發(fā)的內(nèi)燃機會對世界產(chǎn)生多么巨大的影響。后來，《紐約時報》在一篇報道中首次提出了“AUTO-MOBILE”（自動-移動）概念，這也成為汽車的英文名字。

隨著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷進步，內(nèi)燃機汽車逐步占據(jù)了市場主導(dǎo)地位，并日臻完美和精密。

汽車常用的汽油內(nèi)燃機和柴油內(nèi)燃機都屬于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機，它們將燃料的化學能轉(zhuǎn)化為活塞運動的機械能，并對外輸出動力。汽油內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量小、噪聲小，起動容易，制造成本低；柴油內(nèi)燃機壓縮比大，熱效率高，經(jīng)濟性能和排放性能都比汽油內(nèi)燃機好。

作為高技術(shù)產(chǎn)品的代表，內(nèi)燃機的研發(fā)與制造水平也是一個國家工業(yè)發(fā)展水平的縮影。內(nèi)燃機原理涉及流體力學、燃燒學、振動學、材料學、電子學及計算機學等眾多學科；內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)包括點火、燃料供給、冷卻、潤滑、起動等五大系統(tǒng)，以及曲柄連桿和配氣兩大機構(gòu)；內(nèi)燃機制造涉及精密加工與鑄造工藝，鑄鐵、鋁合金、橡膠等先進材料。內(nèi)燃機的研發(fā)與制造是一項龐大的系統(tǒng)工程，并形成了一條復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)鏈。

蓄電池：讓汽車“帶電”

將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置被稱為化學電池，一般簡稱為電池或一次電池。而那種在放電后能夠用充電方式使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，即把電能儲存為化學能，同時在需要放電時再次把化學能轉(zhuǎn)換為電能的電池，一般被稱為蓄電池或二次電池。蓄電池是世界上廣泛使用的一種化學“電源”，具有電壓平穩(wěn)、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富等優(yōu)點。有了蓄電池，電動汽車就有了驅(qū)動力，也讓其他各種汽車從此“帶電”。

蓄電池的最早發(fā)明可以追溯到1860 年，法國人普蘭特發(fā)明了用鉛做電極的電池。1882 年托馬斯·愛迪生在紐約建立了世界上第一個燃煤電廠，煤炭發(fā)電從此便與電動汽車發(fā)展相關(guān)。1890 年，愛迪生發(fā)明了可充電的鐵鎳蓄電池。1910 年，鐵鎳蓄電池開始用于電動汽車。

從1825 年感應(yīng)電動機發(fā)明后，電動汽車技術(shù)經(jīng)歷了一個多世紀起伏不定的發(fā)展，蓄電池技術(shù)始終是它最大的發(fā)展瓶頸。從20 世紀初至60 年代末，電動汽車的發(fā)展進入一個漫長的“沉睡”期。70 年代后，由于世界油價飆升，電動汽車又被“喚醒”。進入21世紀，蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其容量越來越大，性能越來越穩(wěn)定，充電也越來越便捷。同時，蓄電池的種類越來越豐富，從最早的鉛蓄電池、鉛晶蓄電池、鐵鎳蓄電池，發(fā)展到鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池以及太陽能蓄電池等。

動力蓄電池是電動汽車的動力驅(qū)動系統(tǒng)的核心部件之一，好比傳統(tǒng)燃油汽車的燃油箱。它既是電動汽車的核心，同時又是制約其發(fā)展的關(guān)鍵。動力蓄電池技術(shù)的不斷進步，以及充電網(wǎng)絡(luò)的完善，將助力電動汽車逐步重新煥發(fā)活力和市場競爭力，成為未來社會的主要交通工具。

空氣懸架：征服顛簸的“黑科技”

汽車懸架把車架與車輪彈性地聯(lián)系起來，影響到汽車的多種使用性能。從結(jié)構(gòu)上看，汽車懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧等簡單構(gòu)件組成，但它是一個非常難以達到完美要求的總成。在各種類型的懸架中，空氣懸架無疑是“馬中赤兔”。

顧名思義，空氣懸架與普通懸架的區(qū)別最明顯的就是其減振系統(tǒng)采用了空氣彈簧，而非金屬材質(zhì)的螺旋彈簧，并且目前大部分空氣懸架系統(tǒng)都具有高度可調(diào)功能，所以也包含空氣供給裝置以及高度控制閥等裝置?？諝鈶壹芡ㄟ^空氣泵來調(diào)整空氣彈簧的空氣量和壓力，可改變空氣彈簧的硬度和彈性系數(shù)。通過調(diào)節(jié)泵入的空氣量，空氣懸架可以調(diào)節(jié)空氣減振器的行程和長度，升降車輛底盤，實現(xiàn)車輛穩(wěn)定性與通過性的統(tǒng)一，提升車輛行駛質(zhì)感。

1920 年,法國人喬治·梅西耶設(shè)計了第一個真正意義上的空氣彈簧，并進行了實車試驗。1929 年，捷克斯洛伐克的一家汽車公司也嘗試了空氣彈簧的設(shè)計。雖然此時的空氣彈簧已經(jīng)接近如今的空氣懸架概念與結(jié)構(gòu)，但依然面臨制造工藝與材料問題。1946 年，美國人威廉·布什內(nèi)爾制造了世界上第一輛采用全空氣懸架的汽車。

一個多世紀以來，空氣懸架這個古老的“黑科技”經(jīng)歷了氣動彈簧-氣囊復(fù)合式懸架、半主動空氣懸架、中央充放氣懸架等多種形式，其性能與耐用度都有了很大程度的提升，功能也變得越來越豐富。目前高級大客車幾乎全部使用空氣懸架，重型載貨車使用空氣懸架的比例已達80%以上，部分輕型汽車和轎車也逐漸安裝使用空氣懸架。

變速器：汽車動力的“中樞”

變速器是協(xié)調(diào)發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車輪實際行駛速度的變速裝置，它可以在汽車行駛過程中，在發(fā)動機和車輪之間產(chǎn)生不同的變速比，從而發(fā)揮發(fā)動機的最佳性能。

如果說發(fā)動機是汽車的“心臟”，那么變速器就是汽車實現(xiàn)動力傳輸與變換的“中樞”。變速器與發(fā)動機等其他部件共同組成汽車動力總成系統(tǒng)，決定汽車的動力性、經(jīng)濟性、環(huán)保性。變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多、機械精度要求高，堪稱汽車動力總成系統(tǒng)中的“黑科技”。

變速器的誕生和成長幾乎與汽車發(fā)展同步。只是汽車及其發(fā)動機問世時所造成的轟動效應(yīng)掩蓋了“變速器”這個“黑科技”的價值。1889 年，法國標致汽車公司發(fā)明了世界上首個變速器，盡管其做工粗糙，只有2 個擋，但這畢竟是歷史性的突破。1908 年，亨利·福特為福特T 型車裝備了世界上第一款2 速自動變速器。

真正的自動變速器誕生在1940 年。美國通用汽車公司生產(chǎn)的Hydra-Matic 變速器具備了現(xiàn)代變速器的行星齒輪結(jié)構(gòu)，即3 排行星組提供4 個前進擋和1個倒擋。

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，自動變速器對電子換擋的速度和平順性有了極大的提升。由此開始，便捷性和舒適性就成為自動變速器的優(yōu)點。汽車自動變速器可分為液力自動變速器（AT）、機械無級自動變速器（CVT）、電控機械自動變速器（AMT）和雙離合器變速器等。其中，應(yīng)用最廣泛的是液力自動變速器，它幾乎成為自動變速器的代名詞。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，以及微電子技術(shù)、電子控制技術(shù)、機電一體化技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)代發(fā)動機和變速器的智能化、小型化以及低噪聲化將會成為趨勢。

傳感器：汽車的“電五官”

汽車傳感器就如同我們的眼、鼻、舌、耳或皮膚，能夠感知周圍物體的形狀、顏色、氣味、聲音、質(zhì)地等信息，堪稱是汽車的“電五官”。盡管傳感器千姿百態(tài)，但萬變不離其宗，大致由感知元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路等部分組成。

發(fā)動機控制系統(tǒng)用傳感器是整個汽車傳感器系統(tǒng)的核心，其種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉(zhuǎn)速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器與爆震傳感器等。傳感器提供的信息可供電子控制單元（ECU）對發(fā)動機工作狀況進行精確控制，來提高發(fā)動機的動力性、降低油耗、減少廢氣排放和進行故障檢測。

目前，普通汽車上大約裝有20～50 只傳感器，高級豪華轎車則有上百只傳感器。裝載了傳感器的汽車，可以實現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的溝通，進而形成汽車的互聯(lián)網(wǎng)，即車聯(lián)網(wǎng)。

當前，汽車智能自動駕駛技術(shù)發(fā)展駛?cè)肟燔嚨?，為了實現(xiàn)更高的安全性，智能駕駛汽車必須能夠準確感知周圍環(huán)境，如街道、車輛、行人、交通標識等，這需要搭載多種先進傳感器，包括攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等。

電子電氣架構(gòu)：汽車的“大腦與神經(jīng)、循環(huán)系統(tǒng)”

簡單來說，汽車里所有通電的部件都屬于電子電氣架構(gòu)（EEA）的范疇。如果將汽車比作一個人，那么其物理架構(gòu)就如同肌肉和骨骼，而EEA 就如同大腦、神經(jīng)組織和循環(huán)系統(tǒng)。EEA 把汽車里各類傳感器、中央處理器、線束、電子電氣分配系統(tǒng)和軟硬件等整合在一起，實現(xiàn)整車配置與功能以及運算、動力、能量的有效分配。它是將動力總成、驅(qū)動信息、娛樂信息等汽車信息轉(zhuǎn)化為實際的電源分配的物理布局、信號網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、診斷、容錯、能量管理等的電子電氣解決方案。

EEA 的6 個發(fā)展階段為：模塊化階段、功能集成階段、中央域控制器階段、跨域融合階段、車載中央電腦和區(qū)域控制器階段、車載云計算階段等。目前，輔助駕駛系統(tǒng)、車身控制、多媒體等功能可以通過域?qū)崿F(xiàn)局部的集中化處理。例如，全新凱迪拉克CT5 將搭載通用全新一代EEA，具有快速高效的通信能力。這套EEA 系統(tǒng)每小時能夠處理多達4.5 太字節(jié)，數(shù)據(jù)處理速度提升了5 倍，車輛內(nèi)部、外部通信有100 兆比特、1 吉比特及10 吉比特高速以太網(wǎng)的支持。根據(jù)測算，一輛自動駕駛汽車每小時處理的數(shù)據(jù)大約在4太字節(jié)，即通用汽車的這套EEA 系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足所謂L5 級別自動駕駛的需求。

安全氣囊：源于對孩子的呵護

1952 年，美國的工程師赫特里克開車載著妻子和女兒外出游玩，突然發(fā)現(xiàn)前方路中央有一塊大石頭，他緊急剎車，就在女兒的頭快撞到儀表臺時，他和妻子本能地將手臂墊在了中間，避免了女兒撞傷頭部。事后，他想：“為什么不能發(fā)明一種裝置，代替手臂來完成保護動作呢？”兩星期后，他設(shè)計出了一種汽車緩沖安全裝置，其原理是在發(fā)動機罩下裝一個盛滿壓縮空氣的儲氣筒，當汽車受到正面碰撞時，慣性沖擊力促使一個滑動重塊向前移動，推動儲氣筒，并將隱藏在方向盤中央以及儀表板旁的氣囊快速充氣，從而形成“氣墊”。這就是安全氣囊的雛形。

早期的安全氣囊有兩個技術(shù)難題：一是如何讓汽車精準地判斷氣囊打開的時機，二是如何瞬間讓氣囊充滿氣體。1966 年，美國陸軍對爆炸真空管的成功測試，為觸發(fā)氣囊提供了解決方法。同時，伊頓公司研發(fā)了預(yù)充氣氣囊。1971 年，德國的一個研究小組成功地將火箭推進技術(shù)應(yīng)用于安全氣囊。這些技術(shù)的發(fā)展使安全氣囊的研發(fā)進入了一個全新發(fā)展階段。

隨著汽車的普及，所有的汽車上都開始安裝安全氣囊。除了常見的駕駛座與副駕駛座安裝安全氣囊外，還有側(cè)向和后座氣囊等。安全氣囊主要由三部分組成：氣囊部分，包括氣囊、氣體發(fā)生器和氣體過濾器等；控制部分，用來確定何時對氣囊進行充氣；汽車與氣囊連接部分。

安全氣囊研究的核心問題是它在沖泄氣過程中如何讓乘員獲得最佳保護。此外，安全氣囊的織物材料、點火器、傳感器技術(shù)等也在不斷地發(fā)展進步。

車載自動診斷系統(tǒng)：汽車的“隨車醫(yī)生”

車載自動診斷系統(tǒng)（OBD）起源于20 世紀80 年代的美國。為了控制汽車排放，加利福尼亞州規(guī)定銷售的汽車必須裝備車載診斷系統(tǒng)，即OBD-1，其監(jiān)控范圍包括氧傳感器、排氣再循環(huán)系統(tǒng)、供給系統(tǒng)和發(fā)動機控制等，但它無法監(jiān)測其漸進損壞情況。針對OBD-Ⅰ的缺陷，美國汽車工程師協(xié)會制定了OBD-Ⅱ系統(tǒng)的標準和規(guī)范。

OBD-Ⅱ采用了標準化16 針診斷座、相同的故障代碼和標準化通信協(xié)議，并且擴充了系統(tǒng)的檢測項目。

雖然OBD-Ⅱ?qū)ΡO(jiān)測汽車排放十分有效，但駕駛員接受不接受警告全憑“自覺”。為此，比OBD-Ⅱ更先進的OBD-Ⅲ誕生了。OBD-Ⅲ主要目的是使汽車的檢測、維護和管理合為一體，以滿足環(huán)境保護的要求。OBD-Ⅲ系統(tǒng)會分別進入發(fā)動機、變速器、ABS等系統(tǒng)的電子控制單元中去讀取故障碼和相關(guān)數(shù)據(jù)，并利用車載通信系統(tǒng)，將車輛的身份代碼、故障碼及所在位置等信息自動通知相關(guān)機構(gòu)。

OBD 是車載智能設(shè)備的核心?；贠BD 接口獲取的行車信息，可以被終端上傳到云端。目前主流車載智能終端技術(shù)能夠與GPS、加速度傳感器等相結(jié)合，提供汽車實時狀態(tài)監(jiān)測、行車信息記錄、遠程控制、電子圍欄、碰撞提醒等功能，而車載OBD 與基于使用量而定的保險結(jié)合模式也是時下的熱點。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車與無人駕駛汽車

智能汽車（Ⅳ）是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體，集中運用計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通信、人工智能及自動控制等技術(shù)的高新技術(shù)汽車。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車（ICV）是指智能汽車與車聯(lián)網(wǎng)的有機聯(lián)合，實現(xiàn)車與X（人、車、路、后臺等）智能信息交換共享。智能網(wǎng)聯(lián)汽車具備復(fù)雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛。目前，智能網(wǎng)聯(lián)汽車分別裝有相當于人類的眼、腦、腳功能的攝像頭、計算機和自動操縱系統(tǒng)等裝置，并配置了復(fù)雜的程序，它能和人一樣“思考”“判斷”“行走”，可以自動起動、加速、剎車，自動繞過地面障礙物。

無人駕駛汽車也被稱為輪式移動機器人。它依靠人工智能、車載傳感器、視覺計算、雷達、監(jiān)控設(shè)備和全球定位系統(tǒng)協(xié)同合作，讓車載電腦可以在沒有任何人類主動的操作下，自動安全地操縱汽車。其中，無人駕駛汽車重點在于“無人”，即汽車可能無踏板、轉(zhuǎn)向盤、駕駛員座椅，完全由計算機控制。自動駕駛汽車保留有手動駕駛的條件，即可自由切換自動與手動兩種模式。

智能無人駕駛汽車集自動控制、人工智能、視覺計算等眾多“黑科技”于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的重要標志。