第1章
汽车发展历史简要介绍
本书是一本讲汽车整车集成的专门书籍，为了帮助读者理解汽车整车集成技术，下面从整车集成这个角度讲述一下汽车的发展历史。
简单地说，汽车整车集成包括几何集成、性能集成、功能集成和造型设计等几个方面。造型设计是指汽车可见部分的几何形状、颜色、纹理、材质等的集成，以实现人们对汽车静态品质及美感认同的目标；性能集成讲的是某个属性性能参数的量化过程，对一个系统或几个系统之间的性能参数进行匹配，以达到系统性能优化的目的；功能集成是通过整车功能定义、系统功能定义到零部件功能定义的分解，以及反向的功能调试验证过程，以实现功能安全的目标；几何集成，大多称为汽车总布置，顾名思义就是整车几何尺寸、比例、形状，人机空间、操作物理界面，零部件位置、运动空间及运动协调性、零部件的装配维修维护性、零部件的相互影响（高温辐射、冷却区域、电磁兼容、异响、可靠性等），整车满足法律法规、标准和规范、重心位置及整车轴荷、整车安全空间，储物空间，以及空气流场通道等的集成。在某种程度上，几何集成是性能集成、功能集成及造型设计的基础，没有优异的几何集成，性能集成、功能集成、造型设计将大打折扣！正因为如此，通常几何集成也被称为整车集成。本书将主要讲述几何集成。
我们先简要回顾一下与汽车相关的技术发明，帮助我们了解汽车的发展历史、理解汽车，更好地开展整车集成工作。
公认的汽车元年是1886年，在这一年里德国曼海姆专利局批准卡尔·本茨为其在1885年研制成功的三轮汽车申请的专利，1886年1月29日，这一天被称为现代汽车的诞生日。1887年卡尔·本茨把他的第一辆三轮汽车卖给了法国人，并成立了世界上第一家汽车制造公司：奔驰汽车公司。随后，德国人哥德利普.戴姆勒设计了世界上第一辆四轮汽车。
汽车的发明当然不能不提德国工程师奥托在1867年研制成功的世界上第一台往复活塞式四冲程煤气发动机，以及1862年由法国工程师莱诺研制出的二冲程内燃机。这些发明为汽车的发明做出了不可磨灭的贡献。
1888年，英国人邓禄普发明了充气轮胎，这极大地改善了汽车在道路上行驶的平顺性能。1894年，法国人米其林兄弟发明了充气可拆卸式橡胶轮胎，并用在了奔驰公司生产的维多利亚牌汽车上。
1889年，戴姆勒在其车上安装上采用滑动小齿轮的四速齿轮传动装置。同年，法国人标致研制成功齿轮变速器和差速器，1895年法国人莱瓦索尔研制出用手操纵的齿轮变速传动装置，这为汽车动力性和操纵性提供了技术基础。
1891年，美国研制出第一辆电动汽车，在当时及此后相当长一段时间里，由于没有很好的电力储能装置，电动汽车无法发展。同年，法国人潘赫德和瓦索尔设计了一种发动机前置、后轮驱动专用底盘结构，这一结构奠定了汽车传动的基本形式，在此后相当长时间里被全世界广泛采用。
1892年，美国人杜理埃发明了喉管型喷雾化油器，极大地改善了内燃机的燃烧性能，促进了发动机的发展。1893年德国人狄赛尔首次提出了柴油发动机原理。1894年，狄赛尔制造出第一台商用型柴油发动机。
1896年，英国人用石棉制作出了制动片，此后近百年的时间里，石棉都作为汽车的制动摩擦片在使用。同年，亨利·福特设计出两缸四轮汽车，美国人同时也将油灯作为汽车的照明灯，这是汽车最早的前照灯。德国人首次使用了汽车里程表。
1897年，英国蓝切斯特牌汽车首次使用高压润滑系统，并获得了发明专利。狄赛尔发明了压缩点燃式柴油发动机（1.1kW），并且其燃油热效率达到26%，将当时的燃油热效率提升到了一个新的高度。
1898年，法国人雷诺将万向节首先使用在汽车上，并发明了扇齿轮式减速器传动装置，取代了链式传动；美国人富兰克林研制出顶置式四缸风冷式发动机。
1899年，带有整体水箱的蜂窝式散热器、分档变速器、脚踏式加速器开始在戴姆勒汽车上使用。
1900年，金属车身问世，德国人保时捷研制出带曲面风窗的汽车，奔驰公司以钢材取代木材来制作汽车车架，倾斜式方向盘在德国使用。
1901年，德国博世公司发明高压磁电机点火装置，戴姆勒公司采用低压磁电机点火装置，奥兹莫比尔汽车首先使用转速表，使得驾驶人能够了解发动机运行时的实时转速。
1902年，英国人取得盘式制动器的专利，同时，法国人雷诺则取得了鼓式制动器的专利。同年，驱动两个前轮转向的转向器开始使用。
1903年，美国人固特异发明了无内胎轮胎。
1904年，开始使用气压制动器，同年，英国人西斯发明了液压制动系统。
1905年，封闭式驱动桥开始在法国使用。
1906年，德国开始使用前轮制动器，同时，扭杆式减振器开始使用。同年，别克公司把蓄电池作为轿车的标配。
1908年，福特T型车问世，开创了流水线制造汽车的历史。同年，美国人发明了轮胎刻纹机，并将电喇叭用在汽车上。
1911年，后视镜开始在汽车上使用，法国人标致设计出四轮制动系统，美国人将电灯用于汽车的照明。
1912年，自动起动器在美国卡迪拉克轿车上使用，顶置双凸轮轴发动机在瑞士问世，美国人在别克发动机上使用铝制活塞。同年，在轮胎材料中添加炭黑，从而大大增加了轮胎的耐磨性。
1914年，道奇全钢车身问世。同年，云母质绝缘体材料用在火花塞上。
1916年，手动刮水器在汽车上开始使用。
1918年，美国人迈克姆·罗西德发明四轮液压制动器并取得专利，德国人阿克曼发明平行连杆式转向器，后来法国人琼特将其改为梯形连杆式转向器。
1920年，美国人修建了191km长的高速公路。法国和意大利开始使用盘式冲压车轮。
1921年，林肯汽车将转向信号灯列为汽车标准装置。
1922年，空气滤清器、油量传感器开始应用到汽车上，意大利设计出四轮独立悬架，并在约10年后开始应用在汽车上，美国开始使用橡胶悬置。
1923年，奔驰设计出第一辆柴油货车。菲亚特设计出可调节方向盘。
1924年，富兰克林研制出离合器减振装置，博世公司开始批量生产电动刮水器。
1925年，汽车上开始配置千斤顶、行李架、反光镜、烟灰盒、点烟器等。
1927年，制动真空助力器开始使用，在钢制部件中填充毛织物和射流消声的方法开始采用，大大减小了汽车的噪声。
1928年，变速器同步器开始应用。
1929年，汽车尾灯开始使用。
1930年，戴姆勒公司开始使用液力变矩器。
1931年，克莱斯勒开发出离心式真空点火提前角自动调节装置。
1933年，非贯通式汽车通风系统开始采用。
1934年，雪铁龙开始生产前驱汽车，半自动变速器问世。
1936年，双管路紧急制动系统问世，提高了汽车的安全性，配备柴油机的奔驰260D轿车开始生产。
1938年，美国人开始使用汽车空调。同年，人们开始研究汽车的升力现象。
1939年，奥兹莫比尔开始使用液压-机械传动装置。
1940年，封闭式汽车前照灯开始使用，克莱斯勒研制出在轮胎漏气后不脱离轮辋的安全轮辋。
1941年，克莱斯勒研制成功四速半自动变速器和液压联轴器。
1946年，后置发动机客车问世，子午线轮胎由米其林公司研制成功。
1948年，奔驰开始使用电动车窗，无内胎式轮胎研制出来。
1949年，克莱斯勒开始使用点火钥匙起动汽车。
1950年，第一台直喷柴油机诞生，英国发明了碟式制动器，并推出第一台装燃气轮机的汽车。
1952年，美国开始使用汽车座椅安全带和汽车转向助力装置。
1954年，燃油喷射式发动机和三角转子发动机诞生。
至此，与汽车功能相关的发明告一段落。下面我们来谈一下几何集成设计方法史。
汽车设计方法的发展可粗略地分成三个阶段：综合设计阶段、平台化设计阶段、后平台化设计阶段。
在平台化设计之前的汽车设计都可以统称为综合设计。汽车综合设计方法可以简单理解为设计人员不考虑相邻产品是如何设计的，而只关注自己设计的产品，其目的是为设计出更好的单一产品。因此，这种设计也可以称为单品设计方法。这种设计方法长处是不受很多约束，根据自己的目标可以把产品设计得非常出色，这对于开发少而精的产品还是比较有利的。当然，正是由于综合设计的这一特性，在多品种开发条件下，它就存在许多劣势，如开发成本高、周期长、通用性不好和产品成本高，以及因随着时间的推移零部件品种多给管理和售后带来诸多不利。因此，这种设计方法随着汽车工业的发展，逐渐被别的设计方法取代。
最早的轿车平台可以追溯到20世纪30年代福特T型车所采用的轿车平台。如图1-1所示，它的整个传动系统和行驶系统均安装在车架上，底盘与车身分离（车身称为非承载式车身），底盘自成系统，因此在T型车轿车平台上可以安装三厢豪华车，敞篷车和轿跑车车身的乘用车，甚至可以安装面包车或小货车车身成为面包车或小货车。
后来底盘车架（非承载式车身）逐渐被淘汰，轿车车身发展为承载车身，动力总成、行驶系统与车身直接连接。随着轿车数量及品种的不断增多，因品牌差异的影响，在轿车开发中车身结构、动力系统、行驶系统、电气系统等根据品牌定位统一设计，即使是同等级轿车差异程度也越来越大。到了80年代，同等级别轿车的共用部件也越来越少。
图1-1 福特T型车
平台战略起源于20世纪90年代初的汽车界经济危机。当时的欧共体实施统一关税、固定汇率、开放市场的策略，使得汽车市场的价格透明化，欧洲的主要汽车市场价格趋于一致，因此欧洲汽车公司长年以来利用地区差价获利的手段不再管用了。在这种背景下，各大品牌汽车公司都提出了自己的平台化战略，直至今天。近十年来，大众、福特、日产、丰田等企业都陆续公布了新的平台。
平台战略的共性是产品群（或叫产品族）开发模式，完全颠覆了先前单个车型开发为主的产品开发的综合开发模式。平台开发之初就考虑同一平台所有车型的规划，谋求平台通用化与单个车型独特性的平衡。通过平台零部件通用化以削减成本，满足消费者物美价廉的追求，通过非平台零部件专用化实现单个车型个性化，满足消费者多元化需求。
产品开发将形成平台开发、总成（模块）和车型开发的三个层次，开发资源将向前期的平台开发倾斜，单个车型开发周期缩短、效率提高，有利于满足对消费者需求变化的快速响应。单个平台开发应形成企业内部强制性技术规范，明确通用化原则，未来采用同一平台的所有车型开发和生产必须严格执行，这也是保证平台规模效益的前提。
平台化的意义不仅限于车型开发平台，它还是一种新的生产方式，通过建立一个标准化的、可互换的通用化汽车平台，可以在相同生产线上制造不同车型，在降低单位成本的同时，还可以缩短新产品上市周期，发挥协同效益，以便快速应对不同区域市场的需求变化。
早期平台化虽然解决了标准化、可互换的零部件、通用化的汽车平台问题，但也带来了其局限性，这就是在同平台上开发不同的车型受到通用化平台的制约，从而影响车型本身的个性化充分发挥，以及开发周期的进一步缩短。于是，在早期平台化基础上，发展出了模块化设计。
瑞典的斯堪尼亚公司从20世纪50年代开始推进模块化设计。图1-2所示为斯堪尼亚商用汽车模块化设计概念：准备少数的模块部件，通过对它们进行多样地组合，实现即使外观不同，但还是用几乎同样的部件制造产品。斯堪尼亚公司和以生产塑料积木玩具著称的丹麦LEGO公司共同举办了模块化设计的世界宣传活动，斯堪尼亚的理想就是用塑料积木法来生产汽车。
从图1-2中可以看出模块化是用少数零部件，经过适当组合而生产出多种多样的车型，即模块化设计的能力。大众汽车公司后来收购了斯堪尼亚，从而开发出当今流行的MQB/MLB模块化平台，图1-3所示为MQB模块化平台。
图1-2 斯堪尼亚商用汽车的模块化
随着汽车设计和制造的发展，当下比较流行平台化方法，除了模块化外，还有所谓的平台架构。下面介绍四种不同的平台化方法。
图1-3 MQB模块化平台
一是大众MQB/MLB和日产CMF为代表的所谓“模块化平台”。这种平台化看重跨车型和跨细分产品，即每个平台可应对普通轿车、SUV、MPV等多种车型，以及满足两个以上细分车型的要求。例如，日产CMF平台可满足C级车和D级车的产品布局；大众MQB发动机横置平台则可以满足从A级车高尔夫到B级车帕萨特，以及衍生的旅行车、MPV（Golf Plus）、SUV的产品布局。
二是通用和丰田为代表的“产品架构性平台”。例如，丰田从2013年开始推行的TNGA（Toyota New Global Architecture），就着力于开发三种底盘平台设计：B（小型车）、C（中型车）和K。2015年推出了第一款车型普锐斯。上述三种平台打造的车辆总产量占丰田汽车产量的50%以上。TNGA并不是特定的平台，而是一种生产理念，车辆将从车身设计和内饰等外在方面凸显个性与特色，而从外部看不见的零部件将统一设计，提高零部件的通用性与共享程度。最初的零件通用比例为20%～30%，最终将达到70%～80%，并与供应商更紧密地合作来降低成本。TNGA架构下的汽车研发，不是基于现存的任何一种方式，而是围绕驾驶人，以驾驶舱为起点，从无到有重新塑造汽车的基本性能和根本架构，在汽车生产的过程中通过TNGA的优化和统筹，将产品的性能提升一个档次。
三是以马自达“SKYACTIVE（创驰蓝天）”技术为代表的“泛平台”。相比于上述几家跨国大型车企动辄数百万辆，甚至上千万辆的产销量，马自达产销规模较小，总产销量在100万台左右，因此，相比零部件通用化而言，它更加看重工厂设备等基础设施的共用。
四是吉利CMA（Compact Modular Architecture）平台。图1-4所示是由吉利与沃尔沃共同研发的中级车基础模块架构，于2016年10月完成。能够为不同平台的车型提供共享解决方案，包含“技术、工具链、标准、工艺流程、供应链体系”等，车型研发可以根据品牌、产品定位，从共享解决方案清单中做选择，然后再做针对性研发。CMA基础模块架构具有高度灵活性和可扩展性，可以适用于多种车身形式和尺寸，CMA能够覆盖从A级到B级的不同车型开发需求；支持传统能源和新能源动力系统，包括ICE、HEV、PHEV；在安全性方面，能满足中国、欧美地区的碰撞标准的车身结构；该架构成功应用于吉利的领克品牌乘用车，得到了市场的高度认可。
图1-4 CMA架构
随着汽车开发方式的不断发展，尤其是随着智能化、电动化和自动驾驶等需要强大电控技术的车型不断发展，平台化开发方式不断泛化，不再局限于下车体+底盘+动力的平台化，软件定义汽车涉及的电控平台也越来越受到人们的重视。如长安汽车于2020年11月发布的会进化的智能化“方舟”电子电器架构，将长安汽车的研发推进到4.0时代。
长城汽车也在2020年7月发布了“咖啡智能”电子电器架构。“咖啡智能”首次提出了“双智融合”的研发理念，从用户体验的视角将自动驾驶和智能座舱合二为一，并提出“交互+AI+生态”的智能化三大核心变量。
汽车从诞生到现在，还不到150年的历史，经过100多年的发展，汽车早已经成为人类不可或缺的交通工具。随着智能化的不断发展，汽车不仅是交通工具，还必将成为人类的伙伴，伴随人类走过一段辉煌的历史进程后，发展到更高级的阶段。