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，英國人鄧祿普發明了一種充氣輪胎，將其應用于汽車領域，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，導致它們互相摩擦，很容易被磨損。1903 年，帕瑪發明了斜紋紡織品，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。因胎內添加了鋼帶，子午線輪胎又被稱為“鋼絲輪胎”，它的發明是輪胎業的一場革命。

充氣輪胎可分為高壓胎、低壓胎和超低壓胎三種，現代汽車普遍采用低壓胎。按結構不同，充氣輪胎又分為有內胎輪胎和無內胎輪胎兩種，轎車普遍采用無內胎輪胎。按內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。

內燃機：汽車的“心臟”

內燃機這個“黑科技”的出現，讓源自大篷馬車的汽車得以自驅前行。它決定著汽車的動力性、經濟性、穩定性和環保性，是汽車的“心臟”。由于匹配了內燃機，汽車這個“無馬的馬車”就行無羈絆，成為“改變世界的機器”。

根據動力來源不同，汽車內燃機可分為汽油內燃機、柴油內燃機、氣體內燃機等。1876 年，德國人奧托發明了往復活塞式四沖程汽油內燃機，采用了進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程（也稱奧托循環）。1886 年，卡爾·本茨發明的汽油內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燃機四輪式汽車誕生，將內燃機真正提升為汽車的主要動力來源。1892 年，魯道夫·狄塞爾發明了壓燃式內燃機（柴油機），實現了內燃機歷史上第二次重大突破。也許他們根本沒有意識到，他們研發的內燃機會對世界產生多么巨大的影響。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。

隨著內燃機技術的不斷進步，內燃機汽車逐步占據了市場主導地位，并日臻完美和精密。

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

作為高技術產品的代表，內燃機的研發與制造水平也是一個國家工業發展水平的縮影。內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；內燃機結構包括點火、燃料供給、冷卻、潤滑、起動等五大系統，以及曲柄連桿和配氣兩大機構；內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。內燃機的研發與制造是一項龐大的系統工程，并形成了一條復雜的產業鏈。

蓄電池：讓汽車“帶電”

將化學能轉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部活性物質再生，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、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富等優點。有了蓄電池，電動汽車就有了驅動力，也讓其他各種汽車從此“帶電”。

蓄電池的最早發明可以追溯到1860 年，法國人普蘭特發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，煤炭發電從此便與電動汽車發展相關。1890 年，愛迪生發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 年感應電動機發明后，電動汽車技術經歷了一個多世紀起伏不定的發展，蓄電池技術始終是它最大的發展瓶頸。從20 世紀初至60 年代末，電動汽車的發展進入一個漫長的“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，蓄電池的應用領域越來越廣，其容量越來越大，性能越來越穩定，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動系統的核心部件之一，好比傳統燃油汽車的燃油箱。它既是電動汽車的核心，同時又是制約其發展的關鍵。動力蓄電池技術的不斷進步，以及充電網絡的完善，將助力電動汽車逐步重新煥發活力和市場競爭力，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系起來，影響到汽車的多種使用性能。從結構上看，汽車懸架僅是由一些桿、筒以及彈簧等簡單構件組成，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別最明顯的就是其減振系統采用了空氣彈簧，而非金屬材質的螺旋彈簧，并且目前大部分空氣懸架系統都具有高度可調功能，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。通過調節泵入的空氣量，空氣懸架可以調節空氣減振器的行程和長度，升降車輛底盤，實現車輛穩定性與通過性的統一，提升車輛行駛質感。

1920 年,法國人喬治·梅西耶設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計。雖然此時的空氣彈簧已經接近如今的空氣懸架概念與結構，但依然面臨制造工藝與材料問題。1946 年，美國人威廉·布什內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”經歷了氣動彈簧-氣囊復合式懸架、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”

變速器是協調發動機轉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，在發動機和車輪之間產生不同的變速比，從而發揮發動機的最佳性能。

如果說發動機是汽車的“心臟”，那么變速器就是汽車實現動力傳輸與變換的“中樞”。變速器與發動機等其他部件共同組成汽車動力總成系統，決定汽車的動力性、經濟性、環保性。變速器結構復雜、零部件眾多、機械精度要求高，堪稱汽車動力總成系統中的“黑科技”。

變速器的誕生和成長幾乎與汽車發展同步。只是汽車及其發動機問世時所造成的轟動效應掩蓋了“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的Hydra-Matic 變速器具備了現代變速器的行星齒輪結構，即3 排行星組提供4 個前進擋和1個倒擋。

隨著電子控制技術的發展，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。隨著芯片技術的發展，以及微電子技術、電子控制技術、機電一體化技術在汽車領域的應用，現代發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、質地等信息，堪稱是汽車的“電五官”。盡管傳感器千姿百態，但萬變不離其宗，大致由感知元件、轉換元件及測量電路等部分組成。

發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器系統的核心，其種類很多，包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、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）對發動機工作狀況進行精確控制，來提高發動機的動力性、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，可以實現人、車、路、環境的溝通，進而形成汽車的互聯網，即車聯網。

當前，汽車智能自動駕駛技術發展駛入快車道，為了實現更高的安全性，智能駕駛汽車必須能夠準確感知周圍環境，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：汽車的“大腦與神經、循環系統”

簡單來說，汽車里所有通電的部件都屬于電子電氣架構（EEA）的范疇。如果將汽車比作一個人，那么其物理架構就如同肌肉和骨骼，而EEA 就如同大腦、神經組織和循環系統。EEA 把汽車里各類傳感器、中央處理器、線束、電子電氣分配系統和軟硬件等整合在一起，實現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、驅動信息、娛樂信息等汽車信息轉化為實際的電源分配的物理布局、信號網絡、數據網絡、診斷、容錯、能量管理等的電子電氣解決方案。

EEA 的6 個發展階段為：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、車載中央電腦和區域控制器階段、車載云計算階段等。目前，輔助駕駛系統、車身控制、多媒體等功能可以通過域實現局部的集中化處理。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 系統每小時能夠處理多達4.5 太字節，數據處理速度提升了5 倍，車輛內部、外部通信有100 兆比特、1 吉比特及10 吉比特高速以太網的支持。根據測算，一輛自動駕駛汽車每小時處理的數據大約在4太字節，即通用汽車的這套EEA 系統已經能夠滿足所謂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，突然發現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：“為什么不能發明一種裝置，代替手臂來完成保護動作呢？”兩星期后，他設計出了一種汽車緩沖安全裝置，其原理是在發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，為觸發氣囊提供了解決方法。同時，伊頓公司研發了預充氣氣囊。1971 年，德國的一個研究小組成功地將火箭推進技術應用于安全氣囊。這些技術的發展使安全氣囊的研發進入了一個全新發展階段。

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、傳感器技術等也在不斷地發展進步。

車載自動診斷系統：汽車的“隨車醫生”

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

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議，并且擴充了系統的檢測項目。

雖然OBD-Ⅱ對監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，以滿足環境保護的要求。OBD-Ⅲ系統會分別進入發動機、變速器、ABS等系統的電子控制單元中去讀取故障碼和相關數據，并利用車載通信系統，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機構。

OBD 是車載智能設備的核心。基于OBD 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能夠與GPS、加速度傳感器等相結合，提供汽車實時狀態監測、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合模式也是時下的熱點。

智能網聯汽車與無人駕駛汽車

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

智能網聯汽車（ICV）是指智能汽車與車聯網的有機聯合，實現車與X（人、車、路、后臺等）智能信息交換共享。智能網聯汽車具備復雜的環境感知、智能決策、協同控制和執行等功能，可實現安全、舒適、節能、高效行駛。目前，智能網聯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等裝置，并配置了復雜的程序，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、監控設備和全球定位系統協同合作，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高度發展的產物，也是衡量一個國家科研實力和工業水平的重要標志。