深入浅出说汽车（3）：曾经的动力霸主

自走式车辆的幻想与探索

   尽管古代人们对车辆进行不断地改进和探索，但总要靠牲畜拉，速度和载重量都会受到限制，而且增添了饲养的麻烦，人们渴望能制造出多拉快跑的自动车辆。

   公元1250年，现代实验科学的鼻祖，英国著名的哲学家培根预言：“我们大概能制造出比用一群水手使船航行的更快，而且操作这艘船只要一名舵手的机器；我们似乎也可以造出不借助于任何畜力就能以惊人的速度奔跑的车辆；进而我们也可以造出用翅膀，像鸟一样飞翔的机器”。
   人们在寻找原动力的过程中，做过训多尝试，公元1600年，荷兰的西蒙.斯蒂芬 根据帆船靠风力推进行驶的原理，制造出“双桅帆车”。

       这种“双桅帆车”实际上是在帆船上装上四个轮子而已，或者说是在马车上装上桅帆。该车在海边试验，最高车速达24公里/小时。然而，他的致命弱点在于风时有时无，时大时小，且风向不稳定，用来驱动车辆，难顺人意，但却反映了当时人们对“自动驱动”车辆的追求。
   公元1420年，有人制造出了滑轮车。人坐在车里，借用人力使绳子不停地转动滑轮。车子虽然走起来了，但人力有限，这辆车的速度不能充分地得以发挥，比步行还慢。

       后来，大画家达.芬奇设想了一种车，利用发条机构使一个带齿的圆盘进行水平转动，旋转的力通过带有齿轮的车轴和车轮连接起来，车就可以前进了。这仅仅是达.芬奇提出的设想，他没有进行实际的研究。
   公元1649年，德国一个钟表匠汉斯.赫丘制造了一辆发条式车，但这辆车速度不到1.6公里/小时，而且每前进230米，就必须把钢制发条卷紧一次，这个工作的强度太大了，所以，发条车也没有能够得到发展。

                                      

蒸汽机的发明
  

   人类在对代步工具的探索历程中，尽管经历了无数次的失败，但后来者沿着前人开拓的道路，始终不渝地追求一个目标：为车辆装上一颗跳动的“心脏”--发动机。
   世界上第一台蒸汽机是由古希腊数学家亚历山大港的希罗（Hero of Alexandria）于1世纪发明的汽转球（Aeolipile），但它只不过是个玩具而已。

    这是英国科学家牛顿设想的蒸汽动力车。

      17世纪末的英国，完成了资产阶级民主革命，工业有了前所未有的发展，对于燃料的需求量剧增，煤矿开采的规模越来越大，但面临的尖锐问题是，如何解决矿井的积水问题，很多工程师都在潜心研制可用于生产的非人力抽水机。
   1698年，英国工程师萨维利在抽水机的原理基础上，制造出了第一台用蒸汽作为动力的抽水机。如下图所示，这是在矿井中，普遍使用蒸汽抽水机。

    萨维利的抽水机结构不合理，工人操作不便，劳动强度大，抽水效率极低。在萨维利的蒸汽抽水机用于矿井的同时，法国物理学家巴本也设计出一种利用蒸汽的动力机，在汽缸里加上可移动的活塞，活塞的出现，拓宽了蒸汽机的应用范围。英国工程师纽科门综合了萨维利和巴本的优点，于1705年～1706年之称纽科门蒸汽机，并取得了“冷凝进入活塞下部的蒸汽和把活塞与连杆连接以产生运动”的专利。

      纽科门蒸汽机，它的蒸汽汽缸和抽水缸是分开的。蒸汽通入汽缸后在内部喷水使它冷凝，造成汽缸内部真空，汽缸外的大气压力推动活塞作功，再通过杠杆、链条等机构带动水泵活塞。

     纽科门蒸汽机，是第一个实用的蒸汽机，他为后来蒸汽机的发展和完善奠定了基础。
    纽科门蒸汽机的主要缺陷在于每一冲程都要用冷水将汽缸冷却一次，从而耗了大量热量，使绝大部分蒸汽没有被有效利用。如果把蒸汽压至汽缸外面的另一个容器中去冷却，那么汽缸在整个循环过程中就可以保持始终是热的。避免了把汽缸一会儿加热一会儿冷却，对燃煤的节约自然十分可观。英国著名的发明家瓦特经历了无数次挫折和失败，在工人的帮助下，终于发明了与汽缸分离的冷凝器，解决了制造精密汽缸、活塞的工艺问题，同时采用油润滑活塞，汽缸外附加绝热层等措施，制成单动作蒸汽机。后经继续试验，又在1782年，发明了具有连杆、飞轮和离心调速器的双动作蒸汽机，制成了新的可实用的蒸汽机。

      这种双动作式蒸汽机，把阀门安装得可利用蒸汽的压力来推动活塞，既可向前又可向后。并借助连杆和飞轮把活塞的直线运动变成了圆周运动。

      从最初接触蒸汽技术到瓦特蒸汽机研制成功，瓦特走过了二十多年的艰难历程。瓦特虽然多次受挫、屡遭失败，但他仍然坚持不懈、百折不回，终于完成了对纽可门蒸汽机的三次革新。使蒸汽机得到了更广泛的应用，成为改造世界的动力。
   需要特别注意的是，许多教科书上（历史书、物理书）说瓦特是蒸汽机的发明者。这是误传。蒸汽机是英国人萨维利（Savery）于1698年、纽可门（Newcomen）于1705年各自独立发明的，用于矿井抽水。当时效率很低。1765年，瓦特在修理纽可门机的基础上，对蒸汽机做了重大改进，使冷凝器与汽缸分离，发明曲轴和齿轮传动以及离心调速器等，使蒸汽机实现了现代化，大大提高了蒸汽机的效率。瓦特的这些发明，仍使用在现代蒸汽机中，为纪念瓦特的贡献，功率的单位名称以其姓氏命名。

蒸汽机的工作原理

   蒸汽机是一个能够将蒸汽中的动能转换为功的热机，蒸汽机在工业革命中起了基本的作用。蒸汽机需要一个使水沸腾产生高压蒸汽的锅炉，这个锅炉可以使用木头、煤、石油或天然气甚至垃圾作为热源。

【纽科门的蒸汽机原理】：

   工作的将蒸汽引入气缸后阀门被关闭，然后冷水被撒入汽缸，蒸汽凝结时造成真空。活塞另一面的空气压力推动活塞。在矿井中联结一根深入竖井的杆来驱动一个泵。蒸汽机活塞的运动通过这根杆传到泵的活塞来将水抽到井外。

【蒸汽机车的工作原理】：

   从锅炉来的新蒸汽，经主汽阀和节流阀进入滑阀室，受滑阀控制交替地进入汽缸的左侧或右侧，推动活塞运动。活塞的直线运动通过曲柄连杆机构，使飞轮圆周运动。而阀门的控制杆通常钩在连接十字头的联动装置上，因此十字头的运动也使阀门滑动。 十字头通常与传动杆相连，从那里连到连杆，由连杆驱动机车的轮子。蒸汽机所需的高压蒸汽来自锅炉。锅炉的任务是加热水来产生蒸汽。

第一台蒸汽车
   蒸汽机的发明后，发明家们纷纷将它应用于车辆上的研究。最早的是一位叫南怀仁的比利时传教士在中国进行的。

       1670年，南怀仁在北京制造出“蒸汽窝轮车”。这辆车长60米，有四个车轮和一个导向轮。车身中央安置一个煤炉，上置盛水的金属曲颈瓶。水杯加热到沸腾至汽化，产生一定的压力，蒸汽由弯曲的瓶口高速射出，叶轮在蒸汽的冲击下转动，产生的动力过齿轮传递给车轮，驱动车辆前进。

    从原理上讲，这辆车，称得上是成功的“蒸汽涡轮车”。遗憾的是，由于当时清政府不重视科学技术，他的这项发明没有得到进一步的发展。
   世界上最早的蒸汽汽车是由法国的陆军技术官尼古拉斯.约瑟夫.库诺经过6年的苦心研究，于1769年成功地制造出世界上第一辆完全依靠自身动力行驶的蒸汽汽车。

     这两木制的蒸汽车前面有一个车轮作驱动和转向，后面两个车轮，车前部吊一个锅炉，锅炉产生的蒸汽推动两个汽缸中的两个活塞上下运动，然后通过连杆传给前轮，使车轮转动。这是库诺根据法国物理学家巴本的理论独立设计的，车上装用的是双活塞蒸汽机，最高时速4公里，每行驶15分钟就得停下来，给锅炉添水加煤，大约15分钟后，待锅炉里重新喷出蒸汽以后才能继续行走。
   这辆车是为拖带法国火炮而制造的，由于方向杆操纵困难，一次在兵工厂附近下坡时，因转弯不及时撞到了兵工厂的墙上，值得纪念的是，世界上第一辆蒸汽车就这样被撞的七零八乱，面目全非。

       1771年，库诺有研制出更大型的蒸汽车，时速增加到9.5公里，可牵引五吨的货物，现珍藏在巴黎国家艺术及机械陈列馆。
   1804年，库诺去世，在80年后，才出现真正意义上的汽车。

 

蒸汽车的黄金时代

   在库诺之后，欧洲大地掀起了研制蒸汽汽车的热潮，蒸汽汽车的技术水平迅速提高，到19世纪初，已经达到了实用水平。

    在英国、法国、德国等国家都开始用蒸汽车进行运输，并逐渐繁荣起来。由于蒸汽车马力大，运量多，逐渐占了上风。当时的中国正处在鸦片战争和太平天国运动时期，生产力处于下降阶段，在车辆技术方面没有任何进展。

   1801年，理查德·特雷威蒂克制造了英国最早的蒸汽汽车。两年后，代又制成了形状类似公共马车的蒸汽汽车。这辆公共汽车能乘坐8个人，创造了在平路上时速为9.6km/h,坡道上时速为6.4km/h的世界纪录。

   1825年英国公爵嘉内制成了第一辆蒸汽公共汽车。这辆车的发动机装在后部，后轴驱动，前轴转向。它采用了巧妙的专用转向轴设计，最前面两个轮并不承担车重，可由驾驶者利用方向舵柄轻便地转动，然后通过一个车辕，引导前轴转动，使转向可以轻松自如。1831年嘉内利用这辆车开始了世界上最早的公共汽车运营业务，所以这辆车也被认为是世界最早的公共汽车。

    1828年，哈恩格克制成了比嘉内的汽车性能更好的蒸汽公共汽车，并开始了公共运输事业的企业化。他的车可以乘载22名乘客，时速32km/h，营运后很受欢迎。1834年，发展成立了世界上最早的公共汽车运输公：苏格兰蒸汽汽车公司。 

  

 1805年，美国人艾文思首次制造了装蒸汽发动机的水陆两用汽车。这种水陆两用汽车是费城港当局为了疏通费城港，委托艾文思负责制造的，原来打算是制造疏浚船，不料船制成以后，因发列作业场地不在海岸边，于是不得不考虑将这艘蒸汽船运送到有港口的地方。艾文思在船底装上了四个车轮，用船上的蒸汽发动机驱动。这样便把船运到了港。因此疏浚船成了水陆两用车。它也成为现代水陆两用汽车的鼻祖。

       1928年，法国人配夸尔制造了一辆蒸汽牵引汽车。这辆汽车首次采用将发动机置于车的前端，而由后轴驱动的总布置方案。在发动机和后轴之间，用链条传动。为了转弯灵活，后轴系由两根半轴构成，当中由差速齿轮连接，这就是最早发明的差速器。此外，两个小小的前轮，是各自与车架弹性相接的，这称作独立悬挂。这种独立悬挂设计，在当时有划时代的意义。配夸尔的链条传动、差速器、独立悬挂等设计，对汽车的发展贡献极大，至今仍在汽车上广泛地应用。

   一战之前德国陆军蒸汽汽车辎重部队

                                     

蒸汽车的衰落
  

    在蒸汽车的最初发展时期，它们的设计都很简单，就是把一个蒸汽机装上底架和轮了。为了达到一定的输出功率，就要有个尽可能大的锅炉；为了达到一定的行程，又要备有充足的水和煤；车身重了，就要求有一副结实的底架和坚固的车轮。就这样，恶性循环，车越来越笨重，操纵越来越困难。所以，这些大型蒸汽车仅适用于定班的往返行驶，路线固定，沿途又有煤、水供应。

  即便如此，仍有许多不可避免的缺陷，如制动困难，车太重，车轮窄，惯性大，转向不灵敏。有时候明知要减速转弯就是慢不下来，转不过去，只能眼睁睁地看着车撞上障碍物，要么就是制动太狠，轮轴断裂。更可怕的是，炉压过高，一时难以控制，经常发生锅炉爆炸事件。

  而且，乘坐这种车还得看天气：下雨天车上遮盖不严，道路泥泞不安全；严寒天烧水难，易熄灭，行驶也慢；热天坐在锅炉边没人愿意忍受；刮风天要看风向，顺风时车尾的浓烟会把乘车人熏得喘不过气来。

  另外，蒸汽车的迅速发展引起了马车商人的不满，他们利用各种自己的势力使政府不支持蒸汽车，并且对蒸汽车横加指责。这种情况下，在19世纪中叶以后，蒸汽车事业日趋衰落。

 　1865年英国议会针对蒸汽汽车订出世界上最早的机动车交通安全法规一项“机动车道路法案”——《红旗法》，其中第3条规定，“每一辆在道路上行驶的机动车辆必须遵守2个原则：其一是至少要由3个人来驾驶一辆车；其二是3个人中必须有1个人在车前50米以外步行作引导，并且要手持红旗不断摇动，为机动车开道。”在第4条中又规定，“机动车在道路上行驶的速度不得超过6．4公里／时(4英里／时)，通过城镇和村庄时，则不得超过3．2公里／时(2英里／时)。”

     1896年1月20日，一名叫沃尔塔·阿诺尔德的英国人因违反限速规定而被处以罚款，成为世界上第一个因超速而被罚的汽车司机。当时他的车速只有13公里／时。到1896年“红旗法”被废止之前，英国对汽车的研制几乎处于停滞状态，在英国汽车发展史上留下了可悲的一页。

  1875年美国议会也作出决议，认为汽车是危险车辆，“含有一种与我们任何常识性的概念都不相符合的、极其危险的自然力。”对汽车的使用和制造进行了干预。而最早发明了蒸汽汽车的法国，则由于1789年爆发了资产阶级革命，以及后来的社会和政治上的动荡，使它们在汽车的研制方面中断了半个多世纪。

  由于蒸汽机要使用煤炭和水，加上沉重的钢制汽缸、活塞等，重量非常大，很难在普通路面上行走，只好让它们在钢轨上运行，这便是蒸汽火车的发明。我国是淘汰蒸汽火车最晚的国家之一，直到2006年底，我国才完全弃用蒸汽火车。

       尽管存在许多不足而阻碍了蒸汽车成为一种理想方便的运输工具，但蒸汽车在汽车的发展史上占有重要的一页，它是现代汽车的奠基者，在汽车的“家谱”中，它应该是“自动车”的祖先。

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《深入浅出说汽车（4）：内燃机的发明》

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