汽车

发明人：尼古劳斯·奥古斯特·奥托（Nikolaus August Otto），德国机械工程师，1876年发明了燃气发动机；卡尔·本茨（Karl Benz），汽车发明的鼻祖，1885年制造了世界上第一台实用的内燃机汽车；约翰·兰伯特（John Lambert），1891年发明了以汽油为动力的汽车；鲁道夫·迪塞尔（Rudolf Diesel），1897年发明了柴油动力汽车；查尔斯·富兰克林（Charles Franklin），1915年发明了汽车电子点火系统。

2016年美国汽车年销售量：1755万辆。

发展史

艾蒂安·勒努瓦（Etienne Lenoir），比利时机械工程师，于1860年发明了第一台实用内燃机。接下来的数十年间，发明家们集中精力制造出使用不同类型发动机的汽车。随着汽车市场供不应求，现有的汽车产能根本满足不了市场的需要，这个时候众多的发明家，尤其是亨利·福特（Henry Ford），展现了他在汽车制造业上的才华，开发了世界上第一条装配生产流水线，简化了汽车生产流程，大幅度地提高了汽车的产量。

福特极其伟大的创意

1903年，福特于A型车上第一次尝试汽车装配。他根据需要派人给固定的装配台送来各种零部件，然后（通常由一个人）在装配台上将整车组装起来。

后来，经过数次建模，福特自主研制了T型车。T型车设计巧妙，需要更少的零件和更少的熟练工人，这使它在竞争中具有巨大的优势。福特的T型车使用了多个装配平台。因此，工人们可以从一个平台走到另一个平台，每个平台都执行一项特定的任务。在此过程中，因为每个工人只需要学习一种装配技能，完成一项特定的任务，也就把每个任务的装配时间从原来的8.5小时减少到仅仅2.5分钟。

福特很快意识到，从一个平台走到另一个平台还是很消耗时间的，因为速度较快的工人挤在速度较慢的工人后面，造成了人员拥堵。1913年，在密歇根州底特律市，福特公司安装的第一条流水生产线解决了这个问题。汽车零部件通过传送带传送到每个工作平台旁的工人身边，无须工人在工作台间来回走动。通过这种方式，福特公司将工人的每个任务装配时间从2.5分钟缩短为不到2分钟。

第一条流水线由金属带组成，车轮放在金属带上传送到每一个工位。这些金属带固定在皮带上，由皮带组成的传送线根据车间长度翻转——转向地板，然后由终点回到起点，往复循环。到20世纪20年代，福特公司每10秒就能生产一辆T型汽车，每天产量超过800辆，T型车产能激增。

装配汽车所需时间和人力成本的急剧减少引起了全世界制造商的兴趣。福特公司的大规模生产方法主导了汽车工业几十年，并最终为几乎所有的其他制造业同行所采用。虽然现代科技水平已经使许多改进成为可能，但是在今天的汽车工厂，第一条流水线的基本概念依然没变。零件仍然由固定的装配工安装，而车辆则沿着一条长长的、蜿蜒的生产线路输送。可喜的是，现在机器人系统已经取代了许多人工。

钢与轻质材料比较

大部分汽车零件都是由钢制成的，钢材一直是汽车的主要材料，即使在轻量化要求加大的今天，这一格局也仍未发生变化。这里的钢材更多指的是高强度钢，先进的高强度钢（AHSS）具有比传统钢更复杂的内部结构，比传统钢更能减轻车身重量。随着轻量化概念地持续升温，传统材料将会面临大范围的被轻质材料更新及替换。而轻质材料之间也将掀起新一轮的激烈竞争。在轻量化趋势的影响下，各种新型材料，如塑料、钛、铝、碳纤维等复合轻质材料将越来越多地应用于现代汽车。采用轻质材料的汽车重量减轻了30%。随着燃油价格持续上涨，汽车驾驶员们选择购买更轻、更省油的汽车，混合动力和纯电动汽车的选择或将成为大势所趋。

设计过程

推出一款新车一般需要三到五年的规划和测试。新车型的设计理念源于设计师对公众需求和偏好的预测。试图预测人们未来五年内需要什么样、想要什么样的车型可不是件容易的事。然而汽车公司依然能够成功地设计出迎合消费者喜好的汽车。

运用计算机辅助设计，汽车概念设计师绘制基本概念图，描绘所设计的车辆的外观。然后他们根据设计图制作黏土模型，由造型专家进行评估。设计工程师根据模型，研究气流分布并确定如何设计，接下来进行必要的碰撞试验。一旦模型评审通过，模具设计师就开始设计模具来制造新模型的零件。

制造过程

零部件

1．汽车装配厂是汽车制造过程中的最后阶段。正是在这里，由4000多家外部供应商供应的零部件汇集在一起进行装配。比如，发动机和变速箱通常在不同的设施中制造，而不是在车身制造和车辆组装的地方。

冲压车间

2．冲压是所有工序的第一步，先是用切割机把钢板切割成合适的大小，经简单的冲孔、切边之后，在5000吨的冲压机上将它们压成最终的形状。冲压成形是由冲压机床和模具实现的，每一个工件都有一个模具，只要把各种各样的模具放到冲压机床上，就可以冲出各种各样的工件。汽车零件就是这样由成千上万套不同的模具冲压出来的。

车身车间

3．汽车车身由数百个零件组成。机械手操纵已经压制成形的钢质车身到工位进行焊接。大部分焊接工作是由机器人完成的。工作人员进行质量控制，执行系统操作，实施维护任务。

4．车身底盘由多个部件焊接在一起，包括前轮部分和后轮部分。车体底盘焊接好后，就移到下一道工序进行车身装配。

5．首先，将垂直的室内部件焊接在汽车底板上，如发动机室和乘客区之间的四分之一垂直隔板和防火墙，它们必须与底板对齐、固定、夹紧后进行焊接。接下来，是将汽车的前后、左右外部车身面板焊接到底盘上。再移动白色车身到另一个工位，然后将工位上方的车顶小心放下并焊接在车框上。

6．门、引擎盖和后备箱已经在各自的装配线上完成焊接。将它们放到合适的位置后，用螺栓固定在车架上，螺栓全部按说明书技术规范要求设定的扭矩力紧固。这是车身车间唯一使用螺栓固定代替焊接的阶段。

7．这时已经焊接、固定完成的车身必须经过严格的检查过程。车身穿过一个灯火通明的通道，检查人员用浸泡过高光油的抹布将车身彻底擦干净。在灯光下，这种油可以让检查人员看到金属车身面板上的任何缺陷。钢板的弯折、凹陷和一些其他缺陷都由熟练的车身工人在生产线上进行修复。在对车身进行全面检查和修复后，装配传送带将其通过一个清洗站，在那里通过浸泡，清洗掉油渍、污垢和污染物。随后，车身传送到喷漆车间。

喷漆车间

8．车身清洗后经过一个干燥室干燥，然后用磷酸磷化处理，通过化学反应使金属表面附着一层磷酸盐，可使金属与底漆结合得更加牢固。同时酸与钢板表面的金属锌发生化学反应，形成一层耐腐蚀的膜，便于下一涂层的黏结。

9．电泳是涂装金属工件最有效的方法之一。车身浸泡在含有树脂、黏合剂和颜料浆料（称为“电子涂层”）混合而成的涂料槽中。涂料作一电极，车身充当另一电极，这些混合物通过流经涂料槽的电流均匀黏附在车身表面，构成一层新的涂层。

10．经过电泳工序后，车身再次被冲洗、烘干，此时车身表面形成一层坚固、柔韧的聚合物层，有利于底漆黏附。接着对底板进行密封处理，确保车底外侧不会漏水。

11．接下来，对车身进行最后的喷漆操作。汽车车身是由机器人自动喷涂的。这些经过编程的机器人，能够在设定的时间内，将准确数量的油漆喷涂到规定的地方（见图3）。通过大量的探索并对机器人进行仿真编程，使机器人在喷漆方面更符合动力学要求，从而确保喷漆效果达到消费者所期待的闪亮光滑的外观。机器人油漆工的使用是福特T型车生产工艺的一大改进，这款车过去是由人工刷漆的。

12．外壳被一层或多层底漆和一层透明面漆完全覆盖后，传送带将车身传送到烘房，在烘房中油漆固化温度超过275华氏度（135摄氏度）以上。车身离开喷漆区域后，就可以进行最终装配。

总装

13．汽车工厂实行“准时化”生产，也就是精益生产，零部件通过供应链到达工厂，刚好满足需求。附在车身上的一张纸，即订购的产品清单，工人们就知道需要在车身安装哪些部件。

14．车身是倾斜的，这样工人就可以在车身底部安装部件，而不必弯腰或爬到车下。然后车身再次垂直旋转，以便工人安装其他部件。

15．同一工位点处安装了玻璃、外密封垫、镜子、安全气囊、喇叭、手柄、装饰件和其他部件。门被移开并悬挂在传送带上输送到另一个区域等待装配。在更远的装配线上，车门与同一辆车重新组合，用螺栓把车门固定到车身上。

16．电线及线束连接起车辆的所有电气系统。电线连接前，车身内温度首先加热到100华氏度（38摄氏度），一捆捆的电线在38摄氏度的工作环境里具备了足够的柔韧性，戴着防护手套的工人能够很方便地在汽车的整个车内铺设电线，将电线就位、固定。

17．前面的仪表板、控制台和座椅组件，这些是在不同的生产线上生产的，现在由工人把它们安装到车上。仪表板和其他电气设备用电线互相连接起来，工人将这些组件固定到位。接下来外部的灯具和其他的零部件也是由工人负责安装、调整完成的。

18．带有吸盘的机械手吸住前后车窗，另一个机器人在车窗边缘涂抹密封胶。打好密封胶，机器人安装好车窗。

19．动力系统包括发动机、变速器、排气系统及前后轴。它们在各自独立的区域组装，再集中传送至同一层面合并组装到汽车上。在这个工位，车身降低，动力系统部件提升，机器人用螺栓将二者固定连接起来，同时完成发动机的线束连接。

20．借助悬挂的龙门（一种支撑起起重机或其他工具的架空结构）来承受车轮的重量，工人们把车轮放在抬起的车辆上，用螺栓紧固好车轮。

21．车辆下降到地面进入流体填充区，在那儿给车辆加满燃料、冷却液、发动机油、刹车液、动力转向液。这些燃料里添加了特殊的添加剂和清洁剂，有助于发动机的首次启动。

终端测试

22．在此阶段发动机是第一次启动，车辆是进行一系列的测试。自动化的检测线可以测量汽车的速度、转向、刹车、发动机马力、车轮定位等参数，甚至可以测试汽车的喇叭、车辆前灯的性能。任何必要的调整都是为了使汽车性能达到设计规范的要求。

23．使用摄像机捕捉车辆内部和外部的任何缺陷。

24．室内检测合格的汽车，尤其是轿车，还需要在室外专门的跑道上进行路试，进一步检查验证汽车的出厂质量，保证所有参数符合设计规范要求。最后进行目视检查和清洗。至此，当一切都合格后便大功告成，汽车就可以运输出厂进行销售。

质量控制

汽车所有的零部件都是在不同的地方分开生产的。这意味着汽车中的数千个机械零部件必须经过制造、测试、包装，然后运往组装厂，这数千个零部件往往需要在同一天使用上。这就需要工作人员编制大量的计划，合理布置任务。为了实现这一目标，大多数汽车制造商都要求供应商对其零部件进行与汽车厂相同的严格测试和检验。通过这种方式，装配厂期望其他制造商提供的都是没有任何瑕疵的合格产品。

每辆新车在装配线的起点都会被分配一个车辆识别代码（VIN），且该识别代码是唯一不变的，就好比它的身份证一样，能清楚地知道它是谁——即使看上去一模一样，也可以分辨清楚。车辆识别代码有17位数字，生产控制专家通过它能够追溯车辆及其组件的来源。在整个装配过程中的不同阶段都设置了检测站，详细记录了车辆相关零部件的测试数据等的重要信息。

这个质量控制方法来自长期以来质量控制的变化发展。以前质量管理被视为最终检查，只有在车辆装配完成后才检查是否有缺陷。相比之下，今天的质量控制已然成为汽车设计和装配过程中的一个重要环节。这使得装配操作人员在发现缺陷零部件的时候能够当即停止继续往下道工序输送，及时地调整修复，或进一步追查所供应的同一批次产品是否仍有不合格品。

汽车召回成本高昂，因而，制造商们会尽一切可能确保其产品以零缺陷出厂。

在装配线的末端，所有的质量检测都得经过验证。最后的测试是为了发现其他方面的缺陷，比如发出了“吱吱”声、不正常的响动，以及面板不平整，或者存在电器故障等外在的瑕疵。在许多装配厂，车辆定期从生产线上拉下来后，都会进行全面的功能测试，尽一切努力保证汽车的质量和可靠性。

发展前景

汽车使用量不断增长，相对应的是道路维护的难度和费用支出与日俱增，使得公路系统拥挤不堪，不合现实之需。自20世纪80年代以来，一些大学和制造商一直在实验自动驾驶汽车，现在多家公司已经在我们正常行驶的路面上测试这些汽车了。将传感器技术和计算机视觉技术集成应用到汽车中有可能减少事故，改善交通流量，为老年人和残疾人士的出行带来方便。汽车预装的“驾驶员助手”辅助功能可以帮助车辆保持在行车道行驶，并在紧急情况下及时刹车，这是启用自动化手段的最初功能。自动驾驶汽车的生产将紧随其后变为可能。

油电混合动力汽车和纯电动汽车（EV）已经上市。混合动力汽车通过使用电动马达来节省燃料，先让汽车的电池充满电，然后运行汽油发动机来延长汽车的行驶距离。无论是在家里还是公共充电站，纯电动汽车都需要插入外部充电器充电。有些混合动力车也可以从充电桩充电。随着电池技术的进步，越来越多的充电桩投入使用，我们可能会看到更多的电动车上路。

通过移动数据网络进行通讯、接入互联网或订阅道路救援的汽车已经问世。我们生活在一个无处不在又无法摆脱的通信世界，让汽车以新的方式进行通信是不可避免的。自动驾驶汽车选择性地驶入高速公路、通过网络优化交通流量、自动绕过交通拥堵和事故多发路段，这一切皆有可能，它们也许会出现在不远的将来。