改变汽车的十大『黑科技』

□朱盛镭

汽车科技史就是一部以汽车为载体，通过不断吸纳科技精华而迭代发展的演进史，其间，“黑科技”如影随形。本文采撷的10 项汽车“黑科技”都曾引起社会轰动。当我们从其魔幻般的渲染中回过神来，才发觉它们竟是如此实用和贴心。

充气轮胎：让汽车穿上“跑鞋”

车轮形态的演绎源远流长，从圆木、轮子、轮轴、实心轮，到轮辐式车轮；从木制轮、铁制轮、橡胶轮，到充气轮胎车轮。充气轮胎承受汽车的重量，它与悬架共同缓和汽车所受到的冲击，保证汽车良好的乘坐舒适性和行驶平稳性；保证轮胎良好的抓地力，提高汽车的牵引性、制动性和通过性。

1845 年，英国人邓禄普发明了一种充气轮胎，将其应用于汽车领域，让汽车穿上了舒适的“黑科技”之鞋。邓禄普之后又研制出易装卸的轮胎，使充气轮胎具有了真正的实用价值。

初期的充气轮胎使用涂有橡胶的帆布当胎体。因为帆布的纵横线互相交叉，行驶时由于轮胎变形，导致它们互相摩擦，很容易被磨损。1903 年，帕玛发明了斜纹纺织品，使轮胎的寿命大大延长。

1930 年，法国米其林公司制造了第一条无内胎充气轮胎；1946 年，该公司试制了全球第一条子午线充气轮胎。与斜纹轮胎不同，子午线轮胎的帘布纤维与外胎断面接近平行，其排列方式像地球子午线。子午线轮胎的帘布纤维形成一条几乎不能伸张的环形带，提高了轮胎花纹的刚性，大幅度改善了轮胎的性能。因胎内添加了钢带，子午线轮胎又被称为“钢丝轮胎”，它的发明是轮胎业的一场革命。

充气轮胎可分为高压胎、低压胎和超低压胎三种，现代汽车普遍采用低压胎。按结构不同，充气轮胎又分为有内胎轮胎和无内胎轮胎两种，轿车普遍采用无内胎轮胎。按内部帘布层和缓冲层的排列方式不同，轮胎又可分为子午线轮胎和斜交轮胎两种，汽车普遍采用的是子午线轮胎。

内燃机：汽车的“心脏”

内燃机这个“黑科技”的出现，让源自大篷马车的汽车得以自驱前行。它决定着汽车的动力性、经济性、稳定性和环保性，是汽车的“心脏”。由于匹配了内燃机，汽车这个“无马的马车”就行无羁绊，成为“改变世界的机器”。

根据动力来源不同，汽车内燃机可分为汽油内燃机、柴油内燃机、气体内燃机等。1876 年，德国人奥托发明了往复活塞式四冲程汽油内燃机，采用了进气、压缩、做功和排气四个冲程（也称奥托循环）。1886 年，卡尔·本茨发明的汽油内燃机三轮式汽车获得专利。同年，戈特利布·戴姆勒的首辆汽油内燃机四轮式汽车诞生，将内燃机真正提升为汽车的主要动力来源。1892 年，鲁道夫·狄塞尔发明了压燃式内燃机（柴油机），实现了内燃机历史上第二次重大突破。也许他们根本没有意识到，他们研发的内燃机会对世界产生多么巨大的影响。后来，《纽约时报》在一篇报道中首次提出了“AUTO-MOBILE”（自动-移动）概念，这也成为汽车的英文名字。

随着内燃机技术的不断进步，内燃机汽车逐步占据了市场主导地位，并日臻完美和精密。

汽车常用的汽油内燃机和柴油内燃机都属于往复活塞式内燃机，它们将燃料的化学能转化为活塞运动的机械能，并对外输出动力。汽油内燃机转速高、质量小、噪声小，起动容易，制造成本低；柴油内燃机压缩比大，热效率高，经济性能和排放性能都比汽油内燃机好。

作为高技术产品的代表，内燃机的研发与制造水平也是一个国家工业发展水平的缩影。内燃机原理涉及流体力学、燃烧学、振动学、材料学、电子学及计算机学等众多学科；内燃机结构包括点火、燃料供给、冷却、润滑、起动等五大系统，以及曲柄连杆和配气两大机构；内燃机制造涉及精密加工与铸造工艺，铸铁、铝合金、橡胶等先进材料。内燃机的研发与制造是一项庞大的系统工程，并形成了一条复杂的产业链。

蓄电池：让汽车“带电”

将化学能转换成电能的装置被称为化学电池，一般简称为电池或一次电池。而那种在放电后能够用充电方式使内部活性物质再生，即把电能储存为化学能，同时在需要放电时再次把化学能转换为电能的电池，一般被称为蓄电池或二次电池。蓄电池是世界上广泛使用的一种化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富等优点。有了蓄电池，电动汽车就有了驱动力，也让其他各种汽车从此“带电”。

蓄电池的最早发明可以追溯到1860 年，法国人普兰特发明了用铅做电极的电池。1882 年托马斯·爱迪生在纽约建立了世界上第一个燃煤电厂，煤炭发电从此便与电动汽车发展相关。1890 年，爱迪生发明了可充电的铁镍蓄电池。1910 年，铁镍蓄电池开始用于电动汽车。

从1825 年感应电动机发明后，电动汽车技术经历了一个多世纪起伏不定的发展，蓄电池技术始终是它最大的发展瓶颈。从20 世纪初至60 年代末，电动汽车的发展进入一个漫长的“沉睡”期。70 年代后，由于世界油价飙升，电动汽车又被“唤醒”。进入21世纪，蓄电池的应用领域越来越广，其容量越来越大，性能越来越稳定，充电也越来越便捷。同时，蓄电池的种类越来越丰富，从最早的铅蓄电池、铅晶蓄电池、铁镍蓄电池，发展到铅酸蓄电池、锂离子蓄电池以及太阳能蓄电池等。

动力蓄电池是电动汽车的动力驱动系统的核心部件之一，好比传统燃油汽车的燃油箱。它既是电动汽车的核心，同时又是制约其发展的关键。动力蓄电池技术的不断进步，以及充电网络的完善，将助力电动汽车逐步重新焕发活力和市场竞争力，成为未来社会的主要交通工具。

空气悬架：征服颠簸的“黑科技”

汽车悬架把车架与车轮弹性地联系起来，影响到汽车的多种使用性能。从结构上看，汽车悬架仅是由一些杆、筒以及弹簧等简单构件组成，但它是一个非常难以达到完美要求的总成。在各种类型的悬架中，空气悬架无疑是“马中赤兔”。

顾名思义，空气悬架与普通悬架的区别最明显的就是其减振系统采用了空气弹簧，而非金属材质的螺旋弹簧，并且目前大部分空气悬架系统都具有高度可调功能，所以也包含空气供给装置以及高度控制阀等装置。空气悬架通过空气泵来调整空气弹簧的空气量和压力，可改变空气弹簧的硬度和弹性系数。通过调节泵入的空气量，空气悬架可以调节空气减振器的行程和长度，升降车辆底盘，实现车辆稳定性与通过性的统一，提升车辆行驶质感。

1920 年,法国人乔治·梅西耶设计了第一个真正意义上的空气弹簧，并进行了实车试验。1929 年，捷克斯洛伐克的一家汽车公司也尝试了空气弹簧的设计。虽然此时的空气弹簧已经接近如今的空气悬架概念与结构，但依然面临制造工艺与材料问题。1946 年，美国人威廉·布什内尔制造了世界上第一辆采用全空气悬架的汽车。

一个多世纪以来，空气悬架这个古老的“黑科技”经历了气动弹簧-气囊复合式悬架、半主动空气悬架、中央充放气悬架等多种形式，其性能与耐用度都有了很大程度的提升，功能也变得越来越丰富。目前高级大客车几乎全部使用空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例已达80%以上，部分轻型汽车和轿车也逐渐安装使用空气悬架。

变速器：汽车动力的“中枢”

变速器是协调发动机转速和车轮实际行驶速度的变速装置，它可以在汽车行驶过程中，在发动机和车轮之间产生不同的变速比，从而发挥发动机的最佳性能。

如果说发动机是汽车的“心脏”，那么变速器就是汽车实现动力传输与变换的“中枢”。变速器与发动机等其他部件共同组成汽车动力总成系统，决定汽车的动力性、经济性、环保性。变速器结构复杂、零部件众多、机械精度要求高，堪称汽车动力总成系统中的“黑科技”。

变速器的诞生和成长几乎与汽车发展同步。只是汽车及其发动机问世时所造成的轰动效应掩盖了“变速器”这个“黑科技”的价值。1889 年，法国标致汽车公司发明了世界上首个变速器，尽管其做工粗糙，只有2 个挡，但这毕竟是历史性的突破。1908 年，亨利·福特为福特T 型车装备了世界上第一款2 速自动变速器。

真正的自动变速器诞生在1940 年。美国通用汽车公司生产的Hydra-Matic 变速器具备了现代变速器的行星齿轮结构，即3 排行星组提供4 个前进挡和1个倒挡。

随着电子控制技术的发展，自动变速器对电子换挡的速度和平顺性有了极大的提升。由此开始，便捷性和舒适性就成为自动变速器的优点。汽车自动变速器可分为液力自动变速器（AT）、机械无级自动变速器（CVT）、电控机械自动变速器（AMT）和双离合器变速器等。其中，应用最广泛的是液力自动变速器，它几乎成为自动变速器的代名词。随着芯片技术的发展，以及微电子技术、电子控制技术、机电一体化技术在汽车领域的应用，现代发动机和变速器的智能化、小型化以及低噪声化将会成为趋势。

传感器：汽车的“电五官”

汽车传感器就如同我们的眼、鼻、舌、耳或皮肤，能够感知周围物体的形状、颜色、气味、声音、质地等信息，堪称是汽车的“电五官”。尽管传感器千姿百态，但万变不离其宗，大致由感知元件、转换元件及测量电路等部分组成。

发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器系统的核心，其种类很多，包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器与爆震传感器等。传感器提供的信息可供电子控制单元（ECU）对发动机工作状况进行精确控制，来提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。

目前，普通汽车上大约装有20～50 只传感器，高级豪华轿车则有上百只传感器。装载了传感器的汽车，可以实现人、车、路、环境的沟通，进而形成汽车的互联网，即车联网。

当前，汽车智能自动驾驶技术发展驶入快车道，为了实现更高的安全性，智能驾驶汽车必须能够准确感知周围环境，如街道、车辆、行人、交通标识等，这需要搭载多种先进传感器，包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等。

电子电气架构：汽车的“大脑与神经、循环系统”

简单来说，汽车里所有通电的部件都属于电子电气架构（EEA）的范畴。如果将汽车比作一个人，那么其物理架构就如同肌肉和骨骼，而EEA 就如同大脑、神经组织和循环系统。EEA 把汽车里各类传感器、中央处理器、线束、电子电气分配系统和软硬件等整合在一起，实现整车配置与功能以及运算、动力、能量的有效分配。它是将动力总成、驱动信息、娱乐信息等汽车信息转化为实际的电源分配的物理布局、信号网络、数据网络、诊断、容错、能量管理等的电子电气解决方案。

EEA 的6 个发展阶段为：模块化阶段、功能集成阶段、中央域控制器阶段、跨域融合阶段、车载中央电脑和区域控制器阶段、车载云计算阶段等。目前，辅助驾驶系统、车身控制、多媒体等功能可以通过域实现局部的集中化处理。例如，全新凯迪拉克CT5 将搭载通用全新一代EEA，具有快速高效的通信能力。这套EEA 系统每小时能够处理多达4.5 太字节，数据处理速度提升了5 倍，车辆内部、外部通信有100 兆比特、1 吉比特及10 吉比特高速以太网的支持。根据测算，一辆自动驾驶汽车每小时处理的数据大约在4太字节，即通用汽车的这套EEA 系统已经能够满足所谓L5 级别自动驾驶的需求。

安全气囊：源于对孩子的呵护

1952 年，美国的工程师赫特里克开车载着妻子和女儿外出游玩，突然发现前方路中央有一块大石头，他紧急刹车，就在女儿的头快撞到仪表台时，他和妻子本能地将手臂垫在了中间，避免了女儿撞伤头部。事后，他想：“为什么不能发明一种装置，代替手臂来完成保护动作呢？”两星期后，他设计出了一种汽车缓冲安全装置，其原理是在发动机罩下装一个盛满压缩空气的储气筒，当汽车受到正面碰撞时，惯性冲击力促使一个滑动重块向前移动，推动储气筒，并将隐藏在方向盘中央以及仪表板旁的气囊快速充气，从而形成“气垫”。这就是安全气囊的雏形。

早期的安全气囊有两个技术难题：一是如何让汽车精准地判断气囊打开的时机，二是如何瞬间让气囊充满气体。1966 年，美国陆军对爆炸真空管的成功测试，为触发气囊提供了解决方法。同时，伊顿公司研发了预充气气囊。1971 年，德国的一个研究小组成功地将火箭推进技术应用于安全气囊。这些技术的发展使安全气囊的研发进入了一个全新发展阶段。

随着汽车的普及，所有的汽车上都开始安装安全气囊。除了常见的驾驶座与副驾驶座安装安全气囊外，还有侧向和后座气囊等。安全气囊主要由三部分组成：气囊部分，包括气囊、气体发生器和气体过滤器等；控制部分，用来确定何时对气囊进行充气；汽车与气囊连接部分。

安全气囊研究的核心问题是它在冲泄气过程中如何让乘员获得最佳保护。此外，安全气囊的织物材料、点火器、传感器技术等也在不断地发展进步。

车载自动诊断系统：汽车的“随车医生”

车载自动诊断系统（OBD）起源于20 世纪80 年代的美国。为了控制汽车排放，加利福尼亚州规定销售的汽车必须装备车载诊断系统，即OBD-1，其监控范围包括氧传感器、排气再循环系统、供给系统和发动机控制等，但它无法监测其渐进损坏情况。针对OBD-Ⅰ的缺陷，美国汽车工程师协会制定了OBD-Ⅱ系统的标准和规范。

OBD-Ⅱ采用了标准化16 针诊断座、相同的故障代码和标准化通信协议，并且扩充了系统的检测项目。

虽然OBD-Ⅱ对监测汽车排放十分有效，但驾驶员接受不接受警告全凭“自觉”。为此，比OBD-Ⅱ更先进的OBD-Ⅲ诞生了。OBD-Ⅲ主要目的是使汽车的检测、维护和管理合为一体，以满足环境保护的要求。OBD-Ⅲ系统会分别进入发动机、变速器、ABS等系统的电子控制单元中去读取故障码和相关数据，并利用车载通信系统，将车辆的身份代码、故障码及所在位置等信息自动通知相关机构。

OBD 是车载智能设备的核心。基于OBD 接口获取的行车信息，可以被终端上传到云端。目前主流车载智能终端技术能够与GPS、加速度传感器等相结合，提供汽车实时状态监测、行车信息记录、远程控制、电子围栏、碰撞提醒等功能，而车载OBD 与基于使用量而定的保险结合模式也是时下的热点。

智能网联汽车与无人驾驶汽车

智能汽车（Ⅳ）是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体，集中运用计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术的高新技术汽车。

智能网联汽车（ICV）是指智能汽车与车联网的有机联合，实现车与X（人、车、路、后台等）智能信息交换共享。智能网联汽车具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶。目前，智能网联汽车分别装有相当于人类的眼、脑、脚功能的摄像头、计算机和自动操纵系统等装置，并配置了复杂的程序，它能和人一样“思考”“判断”“行走”，可以自动起动、加速、刹车，自动绕过地面障碍物。

无人驾驶汽车也被称为轮式移动机器人。它依靠人工智能、车载传感器、视觉计算、雷达、监控设备和全球定位系统协同合作，让车载电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操纵汽车。其中，无人驾驶汽车重点在于“无人”，即汽车可能无踏板、转向盘、驾驶员座椅，完全由计算机控制。自动驾驶汽车保留有手动驾驶的条件，即可自由切换自动与手动两种模式。

智能无人驾驶汽车集自动控制、人工智能、视觉计算等众多“黑科技”于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的重要标志。