第1章 汽車行進的原理

01-08 妨礙汽車行進的因素有輪胎變形、大氣壓力與摩擦

～行車阻力～

行車阻力包含許多，主要有輪胎的滾動阻力與空氣阻力。

輪胎是橡膠材質，在汽車行駛中，胎面與路面接觸時會變得扁平，離開路面後又恢復原狀。胎面之所以一會兒變形，一會兒恢復原狀，是因為某種力量作用的緣故。而這個力量稱為「輪胎的滾動阻力」。輪胎在變形或復原時，輪胎的橡膠材質內部會發生摩擦，產生摩擦熱，使動能轉變成熱能。

空氣阻力包含壓力阻力與摩擦阻力。汽車前進時，汽頭壓擠前方空氣使前方的氣壓升高，而前方空氣隨即回壓車體。至於車體後方，由於車體已經離開剛剛的位置，所以車體後方的氣壓會降低，產生拉回車體的力量。上述回壓車體與拉回車體的作用力都屬於「壓力阻力」。另外，汽車行進會也與空氣發生摩擦，產生摩擦阻力。在日常生活中，我們不會特別感覺到自己正與空氣發生摩擦。但是，摩擦阻力與速度的平方成正比。因此速度愈高的物體，受到摩擦阻力影響的程度也就愈大。

我們也可以把汽車爬坡時發生的爬坡阻力，或是加速時發生的加速阻力視為汽車的行進阻力。汽車爬坡時，車體重量之中，與路面水平的分力會成為阻礙汽車行進的力量，稱為「爬坡阻力」或「坡度阻力」。汽車下坡時，由於負爬坡阻力作用，行車阻力因而得以降低。

最後再來討論看似有助於汽車行進的慣性作用。事實上，當汽車加速時，由於慣性作用會維持原有速度，所以反倒成為行車阻力，也就是所謂的「加速阻力」或「慣性阻力」。

01-09 引擎的運作會經由兩個階段轉換能量

～熱機與內燃機～

汽車的動力源自「引擎」。引擎是將燃料的化學能量轉換為動能的機械裝置，轉換過程包含兩道程序：首先將化學能量轉換成熱能，接著再將熱能轉換為動能。將熱能轉換為動能，以產生動力的機械裝置稱為「熱機」。

以日常生活現象「瓦斯爐把水壺內的水燒開時，壺嘴蓋會喀答喀答地掀動」為例，掀動壺嘴蓋的是從瓦斯爐產出的熱能（由瓦斯的化學能量轉換而來）轉換成足以將壺嘴蓋掀開的動能。相同的道理，假如我們在壺嘴前放置一只風車，那麼風車就會被蒸氣的噴射氣流所吹動。

熱機包含許多種類，汽車引擎幾乎都是應用「汽缸與活塞」。在日常生活中也接觸得到構造類似且容易理解的物品，例如注射針筒。注射針筒的筒身好比汽缸，可以推進抽出的活塞好比汽車汽缸的活塞。假如以注射針筒比喻汽缸與活塞，那麼就是在筒身連接針頭處塞住的狀態下，燃料在筒身內部燃燒，燃料燃燒產生的二氧化碳以及沒有被燃料燃燒消耗的剩餘空氣受熱膨脹，膨脹的氣體推擠活塞。以上就是汽車引擎運作的基本原理。由於最終產生動能的機關的內部正是燃燒場所，因此這種熱機又可稱為「內燃機」。順帶一提，蒸汽火車的動力來源，也就是蒸汽引擎，由於燃燒場所設計在最終產生動能的機構外部，所以又可稱為「外燃機」。

01-13 燃料所產生的能源無法全數轉換為動能

～熱效率～

汽車引擎將燃料的化學能量轉換為動能的過程中，必定伴隨能量的「損失」，而且損失龐大。

在燃料燃燒時，一旦發生不完全燃燒現象，除了燃料的部分能量會跑到燃燒後的廢氣中，還會產生餘燼。像這樣燃料從化學能量轉變為熱能的過程中，所發生的損失稱為「未燃損失」。

汽缸內部產生的熱能也會溫熱汽缸本體。若放任熱能加熱汽缸，將會導致汽缸過熱，並產生問題，因此有必要幫汽缸設置降溫工程。這種降溫捨棄熱能就稱為「冷卻損失」。此外，燃燒所產生的廢氣溫度比引擎進氣的溫度還高，廢氣的排出也會導致溫度的捨棄，稱為「排氣損失」。

扣除以上損失所剩餘的能量會被轉換成動能，但可惜的是無法全數轉換成為引擎的輸出馬力。原因在於除了燃燒與膨脹行程以外，引擎還必須耗費動能牽引活塞運動，產生「活塞損失」（pumpingloss）。詳細情形本書將利用下一章詳盡說明。此外，連內部零件相互摩擦也會使動能轉變成熱能，產生「摩擦損失」。所以，最後得扣除以上這些損失所剩餘的動能，才會是引擎真正輸出的動能。

相對於燃料的化學能量，引擎輸出動能所占的比例稱為「熱效率」。傳統汽油引擎的熱效率大約是30％，拜現代節省油耗技術提升所賜，現代引擎的熱效率已普遍提升至35％，部分車種甚至已提升至40％。即便如此，引擎燃料的能量損失還是高達60％！

第2章 引擎的基本機械原理

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～

例如汽油引擎所採用的往復式引擎，雖然已經藉由活塞執行往復運動產生力量，但是汽車行進還需要輪胎作迴轉運動才能行駛。因此，往復式引擎內存在有「曲軸」與「連桿」，以便將往復運動轉換成迴轉運動。曲軸是很基本的機械機構，許多機械都需要它。為了方便讀者理解曲軸機構的結構與原理，本單元將以日常生活常見的腳踏車的腳踏板為例，為各位說明。

從正側方觀察騎腳踏車的人踩踏板的模樣便可發現，雖然膝蓋多少會往左右移動，但就整體而言仍屬於重複往上或往下的往復運動。因此我們可以將膝蓋視為活塞，小腿相當於連桿，腳踏板與迴轉軸相連的部分則相當於曲軸。

腳將踏板往下踩的時候，膝蓋會隨之下降。當腳踏板隨之畫大圓圈時，迴轉軸的「鍊輪齒」（外圈披掛鍊條的齒輪）也會隨之旋轉，如此便可將直線運動轉變成迴轉運動。當腳踏板下降到最低位置時，腳就沒有辦法再往下踩。在一般的騎乘情況下，腳並不會固定在踏板上，但是這裡假設腳是固定在踏板上，所以當腳踩到最低位置以後，會把踏板牽引上去。換句話說，在膝蓋上升時，會帶動鍊輪齒旋轉。只要連續重複以上動作，往復運動就能轉變為迴轉運動。

在一般的騎乘情況下，當一隻腳踩到最低位置時，另一隻腳剛好會上升到最高位置。當上升到最高位置的腳接著往下踩時，即可繼續迴轉運動，而下降到最低位置的另一隻腳就會被踏板往上帶。由此可知，曲軸也是可以將迴轉運動轉換成往復運動的機構。

第1章 汽車行進的原理

01-08 妨礙汽車行進的因素有輪胎變形、大氣壓力與摩擦

～行車阻力～

行車阻力包含許多，主要有輪胎的滾動阻力與空氣阻力。

輪胎是橡膠材質，在汽車行駛中，胎面與路面接觸時會變得扁平，離開路面後又恢復原狀。胎面之所以一會兒變形，一會兒恢復原狀，是因為某種力量作用的緣故。而這個力量稱為「輪胎的滾動阻力」。輪胎在變形或復原時，輪胎的橡膠材質內部會發生摩擦，產生摩擦熱，使動能轉變成熱能。

空氣阻力包含壓力阻力與摩擦阻力。汽車前進時，汽頭壓擠前方空氣使前方的氣壓升高，而前方空氣隨即回壓車體。...

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，鼓勵年輕族群們能夠開車上路。其實在多年以前，大多數的年輕人會把開車兜風當作是娛樂活動，也是約會的必備條件之一，甚至還發展出「沒車沒人愛」這樣一句流行語。只不過，現今車子以外的樂子多到不勝枚舉。

特別是對於原本就居住在都會區的居民而言，平常可以使用便利的公共交通系統，少了汽車也不會對生活造成多大的不便。電腦與智慧型手機的普及，待在原地即可享受各式各樣的娛樂，也降低了對移動的需求。更重要的是，保養汽車可是要花錢的呢！

另一方面，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。特別是需要帶著小孩移動的家庭族群。因此，「汽車是便利的交通工具」成了當時使用汽車的主流思維。汽車業者期盼著能夠製造出可以大賣的車子，於是紛紛推出強調便利性能的車款。反倒是著重在駕駛樂趣的車款，由於不受消費者青睞，逐漸地從車市中消失。

幾年下來，在少子、高齡化，進而人口減少的現實衝擊之下，汽車業者開始感到不安，不禁懷疑起「現在這群不開車的年輕人，在建立家庭之後還會有開車的意願嗎？」於是乎，電視上就出現了前述鼓勵年輕人考取駕照的廣告，試圖趁早讓年輕人體認到駕車的樂趣，並且重新催生出著重在駕駛樂趣的性能車款。姑且不論年輕人是否願意買單，著重駕駛樂趣的性款車款在重回車市以後，確實締造出銷售佳績。

由此可見，這個時代還是有愛車族的存在！只是這些車主考量到家庭實用的因素，才改而選購實用車款。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？

為了滿足愛車族的求知欲，本書特地從基礎中的基礎開始，解說汽車的構造與機械原理。雖然市面上已經有不少藉由各種手法進行解說的汽車書籍，但本書將更進一步，從Why與How，由原理開始為各位讀者做更加完整的說明。

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」等話題展開。或許各位讀者認為這些現象都是理所當然的事，但是唯有先了解基本的汽車運作原理之後，才能夠理解更高深的汽車機械構造原理。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，才能夠輕鬆理解何謂「ABS的作動機制」。

此外，為了能夠幫助讀者理解汽車運作的各種現象，本書會加入物理學理論進行說明。不過請各位讀者放心，本書所引用的物理學理論頂多是國中程度而已，不會太難。而且，為了體貼文科背景出身的讀者能夠輕鬆閱讀，也不會用到數理算式。

汽車工業技術不斷地推陳出新。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。「成功打造出來的性能」確實很重要，但是「如何才能實現這樣的性能」，想必也有車友想要知道。

無奈的是，假如要單以一本書收錄最新汽車科技的話，一定會有說明不足的情況發生，進而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。（假如本書廣受大眾喜愛，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，只要對於汽車的各項構造或運作原理，有基礎上的理解，即使在面對資訊不多的最新汽車高科技，也能夠進而想像它的構造或原理。

總之，希望各位讀者能夠先從閱讀這本書開始。內容一點也不難，應該能夠一讀就通，也希望能在本書的說明引導之下，對於愛車的大小事都能夠有更深一層的認識。

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，鼓勵年輕族群們能夠開車上路。其實在多年以前，大多數的年輕人會把開車兜風當作是娛樂活動，也是約會的必備條件之一，甚至還發展出「沒車沒人愛」這樣一句流行語。只不過，現今車子以外的樂子多到不勝枚舉。

特別是對於原本就居住在都會區的居民而言，平常可以使用便利的公共交通系統，少了汽車也不會對生活造成多大的不便。電腦與智慧型手機的普及，待在原地即可享受各式各樣的娛樂，也降低了對移動的需求。更重要的是，保養汽車可...

作者序
序章 寫在了解汽車機械原理之前
行進、停止、轉向──滿足汽車機能的三大要素

第1章 汽車行進的原理
01-01 因為輪胎與路面會產生摩擦，所以汽車得以行進──摩擦力與驅動力
01-02 一旦超過摩擦力的極限，將無法驅動汽車──摩擦力的極限
01-03 一旦有了驅動力，就會產生加速度，進而提高車速──力與加速度
01-04 汽車會一面對抗行進阻力，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 妨礙汽車行進的因素有輪胎變形、大氣壓力與摩擦──行車阻力
01-09 引擎的運作會經由兩階段轉換能量──熱機與內燃機
01-10 由活塞與汽缸所打造出來的燃燒室──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──汽油引擎的四個行程
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 即使引擎迴轉的力量即使能直接傳動車輪，也無法使汽車行駛──引擎的性能
專欄1 轉子引擎

第2章 引擎的基本機械原理
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，只有燃燒與膨脹行程──多汽缸化與飛輪
02-03 汽缸是以金屬塊打造而成，內部可以容納活塞──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，往復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、排氣汽門
02-08 藉由曲軸的迴轉來開閉凸輪──汽門系統
02-09 進排氣汽門的開閉存在著微妙的時間差──汽門正時
02-10 引擎必須借助各種系統才能運轉──引擎本體與輔機
專欄2 直列六缸引擎

第3章 引擎運轉的基本機械原理
03-01 供應引擎流暢且乾淨的空氣──進氣系統
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──排氣系統
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──岐管噴射式與缸內直噴式
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──引擎電腦控制系統
專欄3 超稀薄燃燒模式

第4章 引擎輔助機構
04-01 引擎過熱便無法正常運作──冷卻系統
04-02 確保冷卻液溫度升至100℃以上也不會沸騰──加壓冷卻
04-03 引擎溫度過冷的話，將會引發各種負面影響──節溫器
04-04 促進引擎內部零件的運作順暢──潤滑系統
04-05 除了潤滑之外，機油還兼具多項功能──機油
04-06 利用馬達的力量驅動曲軸迴轉──起動系統
04-07 利用引擎的動力發電，以因應起動或電力不足的情況──充電系統
04-08 利用化學變化貯電或放電──電瓶
04-09 壓縮的空氣輸送到引擎，以提高引擎性能──增壓機
專欄4 油（oil）和液（fluid）

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 變速箱會依據手動操作及分段變速的有無來分類──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（MT）
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──行星齒輪組
05-10 依照電腦指令配合行駛情況變速──自動變速箱（AT）
05-11 改變滑輪的寬幅，即可改變實際直徑，進而達成變速的目的──無段變速 (CVT)
05-12 左右車輪會以不同的轉速過彎──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 化解差速器的弱點，同時提升過彎性能──限滑差速器（LSD）
05-15 相對位置改變依然可藉由軸類傳遞迴轉動能──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──適時四輪驅動
專欄5 環形無段變速箱

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於摩擦力的反作用力──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，利用摩擦熱來減速──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 利用大氣壓力來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──防止車輪鎖死煞車系統（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 慣性力與離心力會使汽車傾斜──汽車的動作
07-03 控制彈簧的動作，來提供緩衝機能──彈簧
07-04 利用油通過細微孔穴的阻力吸震──避震器
07-05 車輪動作會受到懸吊所支撐部位的影響──車軸懸架式懸吊系統
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──簧下重量
專欄7 點放式煞車法技巧

第8章 電動車與油電混合車
08-01 不靠引擎，而是利用馬達行駛的汽車──電動車
08-02 永久磁體會在交流電所創造的旋轉磁場中旋轉──永磁同步馬達
08-03 使用回收廢棄的能源，可以減少浪費──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能，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 寫在了解汽車機械原理之前
行進、停止、轉向──滿足汽車機能的三大要素

第1章 汽車行進的原理
01-01 因為輪胎與路面會產生摩擦，所以汽車得以行進──摩擦力與驅動力
01-02 一旦超過摩擦力的極限，將無法驅動汽車──摩擦力的極限
01-03 一旦有了驅動力，就會產生加速度，進而提高車速──力與加速度
01-04 汽車會一面對抗行進阻力，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 妨礙汽車...