汽車的構造與機械原理

近年來，日本年輕人擁有汽車駕照的比例很低，低到汽車業者不禁以「考張汽車駕照吧！」作為廣告宣傳主語，以呼籲年輕大眾開車。

然而就在不久以前的上一個時代，許多年輕人把開車當作興趣，汽車是約會的必備條件，甚至發展出「沒車沒人愛」這麼一句俗諺。可惜時代不同，這時代，車子以外的樂子不勝枚舉。

現代都會區的公共交通建設發達。對都會居民而言，沒有汽車幾乎不會對生活造成多大的不方便。再加上電腦與智慧型手機普及，待在原地就可以享受各式各樣的娛樂，降低民眾的移動需求。更何況，保養汽車可是要花錢的呢！

隨著年輕族群遠離汽車（不買車、不開車），汽車的實用性愈來愈受到重視。而重視其實用性的核心族群，是需要帶著小孩移動的家庭。因此，「汽車是便利的交通工具」成了現在使用汽車的主流思維。汽車業者也希望製造出可以大賣的車子，旗下產品淨是以便利性能作為強打訴求。至於強調駕駛樂趣的車種，由於青睞者寥寥無幾，在市場上已經逐漸喪失立足之地。

然而，情勢繼續轉變。我們的社會走向少子高齡化以及人口減少。業者也為此感到不安，不禁懷疑「現在這群不開車的年輕人，在組織家庭之後會有開車的意願嗎？」於是出現了前述鼓勵年輕人考取駕照的電視廣告。業者墾望年輕人能體認駕車的樂趣，重新催生注重駕駛樂趣的性能車款。姑且不論年輕人是否買帳，這類車款的確締造出銷售佳績。

可見，這個時代還是有愛車族！「希望享受駕駛樂趣、但基於家庭實用因素而改選購實用車款」的人一定也存在著。儘管愛車族僅占全體車主的一小部分，卻是最瘋狂熱愛汽車的族群。而正在閱讀本書的您，應該就是其中一人吧？

為了滿足由衷熱愛汽車的愛車族的求知欲，本書特地從基礎中的基礎開始，解說汽車構造與原理。市面上已經出版許多解說汽車構造的書籍，藉由各種手法進行解說。本書也屬於這類書籍，只不過本書更進一步，從Why與How，由原理開始為各位做說明。

本書由「為什麼車輪轉動汽車就行進？」「為什麼燃燒燃料就能產生力量」等話題引導讀者。這些現象，各位讀者或許視為理所當然，但是了解背後的基本原理之後，才有辦法理解更高深的汽車原理。舉例來說，有了「車輪減速才能使汽車減速」這樣的基礎認識以後，才有辦法輕鬆理解「ABS的作動機制」。

基於帶領讀者理解基礎現象的需要，本書不得不引用物理學理論做說明。不過請各位讀者放心，本書所引用的物理學理論頂多屬於國中程度而已，一點都不難。而且，為了體貼文科背景出身的讀者輕鬆閱讀，本書一律避免引用數理算式。

汽車工業技術不斷推陳出新。每每有新技術問世，汽車業者必定積極宣傳新技術表現出來的性能。至於背後的機械構造或原理，相關資訊通常是少之又少。「成功做出什麼樣的性能」的確重要，但是「如何才能實現這樣的性能」，想必也有車友極欲想要知道。

無奈的是，假如要單以一本書收錄最新汽車科技的話，一定會產生說明不足，導致讀者消化不良的後遺症。有鑑於此，很遺憾地，本書不得不有所取捨。（假如本書廣受大眾愛讀，筆者或許就有機會再為各位說明最新汽車高科技呢！）不過別氣餒，對於汽車的各項構造或運作原理，只要了解基礎的原理，即使面對資訊不多的最新汽車高科技，各位應該也不難想像它的構造或原理。

總之，希望各位愛車讀者能先嘗試閱讀本書。本書的內容一點也不難，各位讀者應該一讀就通。希望在本書的說明之下，愛車的朋友對於愛車能夠有更深層的認識。

青山元男

近年來，日本年輕人擁有汽車駕照的比例很低，低到汽車業者不禁以「考張汽車駕照吧！」作為廣告宣傳主語，以呼籲年輕大眾開車。

然而就在不久以前的上一個時代，許多年輕人把開車當作興趣，汽車是約會的必備條件，甚至發展出「沒車沒人愛」這麼一句俗諺。可惜時代不同，這時代，車子以外的樂子不勝枚舉。

現代都會區的公共交通建設發達。對都會居民而言，沒有汽車幾乎不會對生活造成多大的不方便。再加上電腦與智慧型手機普及，待在原地就可以享受各式各樣的娛樂，降低民眾的移動需求。更何況，保養汽車可是要花錢的呢！

隨著年輕族群遠...

作者序
序章 行進、停止、轉向── 滿足汽車機能的三大要素

第1章 驅動汽車行進的原理
01-01 輪胎與路面摩擦驅動汽車行進──摩擦力與驅動力
01-02 超過摩擦力的極限就無法驅動汽車──摩擦力的極限
01-03 發揮驅動力，產生加速度，車速便能提高──作用力與加速度
01-04 一面對抗行進阻力，一面行進──慣性與行進阻力
01-05 行進中的汽車擁有動能──動能
01-06 坡道的高度是能量的盟友，也是敵人──位能
01-07 路面傾斜會減弱驅動力──傾斜與摩擦力
01-08 輪胎變形、大氣壓力與摩擦會妨礙汽車行進──行車阻力
01-09 引擎分兩階段轉換能量──熱機與內燃機
01-10 活塞與汽缸構成燃燒室──引擎的基本構造
01-11 引擎運轉的四個行程：進氣、壓縮、燃燒與膨脹、排氣──引擎運轉的四個循環步驟
01-12 引擎運轉的四個行程：進氣、壓縮、燃燒與膨脹、排氣──柴油引擎的四個行程
01-13 燃料所產生的能源無法全數轉換為動能──熱效率
01-14 引擎迴轉的力量無法直接傳動車輪使汽車行駛──引擎的性能
專欄 1 轉子引擎

第2章 引擎的基礎構造
02-01 不將活塞的往復運動轉換成迴轉運動就無法應用──曲軸機構
02-02 引擎中負責產出動能的僅只燃燒與膨脹行程──多汽缸化與飛輪
02-03 以金屬塊打造而成，內部容納活塞的汽缸──汽缸體與汽缸蓋
02-04 在受到汽缸與活塞包圍的空間內產生力量──燃燒室與排氣量
02-05 汽缸愈多，輸出馬力愈大，引擎運轉愈順暢──汽缸數與汽缸排列
02-06 引擎產出動力時，從事往返運動與迴轉運動的部分──主驅動系統
02-07 配合四行程開閉，控制進排氣時間──進、排汽門
02-08 藉由曲軸迴轉啟閉凸輪──汽門桿
02-09 進排汽門的啟閉存在微妙的時間差──汽門正時
2-10 引擎必須借助各種系統才能運轉──引擎本體與輔機
專欄2 直列式6汽缸引擎

第3章 驅動引擎運轉的基礎原理
03-01 供應引擎流暢且乾淨的空氣──進氣裝置
03-02 配合油門踏板調控進氣量──節流閥
03-03 排氣不順暢將導致次回燃燒不正常──排氣裝置
03-04 將有害物質轉化為無害物質，避免空氣汙染──觸媒轉化器
03-05 降低廢氣的壓力與溫度，安靜且安全地排放廢氣──消音器
03-06 在最適當時機噴射供給最適量的燃料──燃油供給系統
03-07 霧化燃油，使燃油容易與空氣混合──進氣口噴射式與缸內直噴式燃油噴嘴
03-08 利用高壓電流放電，產生火花點火──點火系統
03-09 利用電腦阻斷或接續電流以產生高壓電流──直接點火系統
03-10 利用造成細且尖的電極激發強烈火花──火星塞
03-11 蒐集各種資訊以便控管引擎的狀態──引擎電腦
專欄3 超稀薄燃燒模式

第4章 支援引擎的機械構造
04-01 引擎過熱便無法正常運作──冷卻裝置
04-02 冷卻液溫度升至100℃以上也不會沸騰──加壓冷卻
04-03 引擎溫度過冷將引發各種負面影響──調溫器
04-04 促進引擎內部零件運作順暢──潤滑系統
04-05 潤滑之外，機油兼具多項功能──機油
04-06 利用馬達的力量驅動曲軸迴轉──起動裝置
04-07 利用引擎的動力發電，以因應起動或電力不足情況所需──充電裝置
04-08 利用化學變化貯電或放電──電瓶
04-09 輸送高壓空氣至引擎以提高引擎性能──增壓機
專欄4 油與工作液體

第5章 傳動車輪的機械原理
05-01 傳動系統有前輪驅動或後輪驅動之分──傳動系統與傳動方式
05-02 藉由變速將引擎轉數與扭矩調整至最合適的行駛狀態──齒輪、滑輪、變速
05-03 變速箱依需手動操作與否及需階段性變檔與否分類──變速箱
05-04 由不同齒輪比的齒輪組合中挑選所需──手排變速箱
05-05 藉由摩擦使轉軸接續流暢──離合器
05-06 藉由流體傳遞迴轉動能，同時增加扭矩──扭矩轉換器 1
05-07 帶給汽車慢速爬行的便利性能──扭矩轉換器 2
05-08 利用液體的壓力傳導力量使機件作動──油壓機構
05-09 使用如天體般作動的齒輪達成自動變速──行星齒輪
05-10 依照電腦指令配合行駛情況變速──自動變速
05-11 改變滑輪的寬幅，藉由實際直徑改變達成變速目的──無段式連續變速
05-12 左右車輪以不同轉速過彎──差速齒輪
05-13 配合左右驅動輪所承受的阻力分配迴轉動力──差速齒輪與最終減速齒輪
05-14 化解差速齒輪的弱點，同時提升過彎性能──限制滑動差速器（LSD）
05-15 相對位置改變依然可藉由軸類傳遞迴轉動能（副標）──軸類與萬向接頭
05-16 四輪驅動的唯一敗筆：不宜全程使用──四輪驅動
05-17 吸收前後輪的轉速差異，流暢過彎──全時四輪驅動
05-18 必要時自動由二輪驅動切換成四輪驅動──分時四輪驅動
專欄5 環形無段式連續變速箱

第6章 使汽車停止行進與轉向的機械原理
06-01 使汽車減速的制動力來自摩擦力的反作用力──制動力與摩擦力
06-02 藉由油壓機構將踩油門的力量傳遞至煞車本體──腳煞車
06-03 由兩側夾住圓盤，利用摩擦熱減速──碟式煞車（碟煞）
06-04 將摩擦材料推入圓筒內，利用摩擦熱減速──鼓式煞車（鼓煞）
06-05 利用大氣壓力輔助踩踏煞車踏板的力量──倍力器
06-06 控管輪胎與路面的摩擦力不至超越極限──防止車輪鎖死煞車器統（ABS）
06-07 鉤住棘爪便可使駐車煞車維持作動狀態──駐車煞車
06-08 需有力量對抗離心力才能轉彎──離心力與向心力
06-09 藉由輪胎的摩擦與變形產生轉彎的力量──轉向力與摩擦力
06-10 利用側推改變車輪轉向──轉向系統
06-11 利用油壓與馬達的力量輔助方向盤操作──動力轉向系統
專欄6 引擎煞車

第7章 車輪與懸吊系統的機械原理
07-01 確保輪胎著地，保障行車穩定及安全──懸吊系統
07-02 慣性力與離心力使汽車傾斜──汽車的動作
07-03 控制彈簧的動作，提供緩衝機能──彈簧
07-04 利用油通過細微孔穴的阻力吸震──避震器
07-05 車輪動作受到懸吊所支撐部位的影響──車軸懸架式懸吊
07-06 桿臂數量影響懸吊性能──獨立懸架式懸吊系統
07-07 不同部位使用不同性質的橡膠──輪胎
07-08 利用胎紋的溝槽排出輪胎與路面之間的水──胎紋樣式
07-09 高度與寬幅的比例影響輪胎的性能──扁平比
07-10 輪胎內部空氣壓力會影響輪胎的性能──胎壓
07-11 輪圈使動力得以確實傳遞至輪胎──輪圈
07-12 車輪與輪胎愈輕，汽車跑起來愈輕快──非彈簧荷重
專欄7 點放式煞車技巧

第8章　電動車與油電混合車
08-01 不靠引擎，利用馬達行駛的汽車──電動車
08-02 永久磁體在交流電創造的旋轉磁場中旋轉──永久磁體式同步馬達
08-03 回收廢棄的能源以減少浪費──再生制動
08-04 電池容量愈大，續航距離愈長──充電電池式電動車（純電動車）
08-05 利用車載氣瓶中的氫氣與空氣中的氧氣產生電力，使汽車行駛──燃料電池式電動車（FCEV）
08-06 搭載兩種動力來源，可高效率行駛的汽車──油電混合車
08-07 利用再生制動能源，以馬達作為輔助──並聯式油電混合車
08-08 高效率整合兩種動力的油電混合動力車──分配式油電混合動力車

作者序
序章 行進、停止、轉向── 滿足汽車機能的三大要素

第1章 驅動汽車行進的原理
01-01 輪胎與路面摩擦驅動汽車行進──摩擦力與驅動力
01-02 超過摩擦力的極限就無法驅動汽車──摩擦力的極限
01-03 發揮驅動力，產生加速度，車速便能提高──作用力與加速度
01-04 一面對抗行進阻力，一面行進──慣性與行進阻力
01-05 行進中的汽車擁有動能──動能
01-06 坡道的高度是能量的盟友，也是敵人──位能
01-07 路面傾斜會減弱驅動力──傾斜與摩擦力
01-08 輪胎變形、大氣壓力與摩擦會妨礙汽車行進──行車阻力...