خودروی مدرن یک سیستم فنی پیچیده است که از زیرسیستم هایی با عملکردهای طراحی خاص استفاده می کند. برخی از اینها شامل هزاران جزء هستند که از پیشرفت‌های فناوری موجود یا فناوری‌های جدید مانند رایانه‌های الکترونیکی، پلاستیک‌های با استحکام بالا و آلیاژهای جدید فولاد و فلزات غیرآهنی به وجود آمده‌اند.

برخی از اینها شامل هزاران جزء هستند که از پیشرفت‌های فناوری موجود یا فناوری‌های جدید مانند رایانه‌های الکترونیکی، پلاستیک‌های با استحکام بالا و آلیاژهای جدید فولاد و فلزات غیرآهنی به وجود آمده‌اند. برخی از زیرسیستم ها در نتیجه عواملی مانند آلودگی هوا، قوانین ایمنی و رقابت بین تولیدکنندگان در سراسر جهان به وجود آمده اند.

خودروهای سواری با حدود 1.4 میلیارد در سراسر جهان به عنوان وسیله اصلی حمل و نقل خانواده ظهور کرده اند. حدود یک چهارم اینها در ایالات متحده است، جایی که سالانه بیش از سه تریلیون مایل (تقریبا پنج تریلیون کیلومتر) طی می شود. در سال های اخیر صدها مدل مختلف به آمریکایی ها ارائه شده است که حدود نیمی از آنها از تولیدکنندگان خارجی است.

تولیدکنندگان برای بهره‌برداری از پیشرفت‌های فناوری اختصاصی خود، طرح‌های جدید را هر چه بیشتر معرفی می‌کنند. با ساخت حدود 70 میلیون واحد جدید در هر سال در سراسر جهان، تولیدکنندگان توانسته‌اند بازار را به بخش‌های بسیار کوچکی تقسیم کنند که با این وجود همچنان سودآور هستند. پیشرفت های فنی جدید به عنوان کلید رقابت موفق شناخته شده است. مهندسان و دانشمندان تحقیق و توسعه توسط تمامی سازندگان و تامین کنندگان خودرو برای بهبود بدنه، شاسی، موتور، پیشرانه، سیستم های کنترل، سیستم های ایمنی و سیستم های کنترل آلایندگی به کار گرفته شده اند.

این پیشرفت های فنی برجسته بدون عواقب اقتصادی حاصل نمی شود. بر اساس مطالعه‌ای که توسط Ward’s Communications Incorporated انجام شد، میانگین هزینه یک خودروی آمریکایی جدید بین سال‌های 1980 تا 2001 به دلیل ایمنی اجباری و الزامات عملکرد کنترل آلایندگی (مانند اضافه کردن) 4700 دلار (بر حسب ارزش دلار در سال 2000) افزایش یافت. کیسه های هوا و مبدل های کاتالیزوری)

الزامات جدید همچنان در سال های بعد اجرا شد. افزودن فناوری رایانه یکی دیگر از عوامل افزایش قیمت خودرو بود که بین سال‌های 2009 و 2019 29 درصد افزایش یافت. این مسئله علاوه بر هزینه‌های مصرف‌کننده مرتبط با پیشرفت‌های مهندسی در مصرف سوخت است که ممکن است با کاهش خرید سوخت جبران شود.

طراحی خودرو تا حد زیادی به کاربرد مورد نظر آن بستگی دارد. خودروهای برای استفاده خارج از جاده باید سیستم‌های بادوام و ساده با مقاومت بالا در برابر اضافه بارهای شدید و موارد شدید در شرایط عملیاتی باشند.

برعکس، محصولاتی که برای سیستم‌های جاده‌ای با سرعت بالا و دسترسی محدود در نظر گرفته شده‌اند، به گزینه‌های راحتی بیشتر سرنشینان، افزایش عملکرد موتور و بهینه‌سازی هندلینگ با سرعت بالا و پایداری خودرو نیاز دارند. پایداری اساساً به توزیع وزن بین چرخ‌های جلو و عقب، ارتفاع مرکز ثقل و موقعیت آن نسبت به مرکز فشار آیرودینامیکی وسیله نقلیه، ویژگی‌های تعلیق و انتخاب چرخ‌هایی که برای نیروی محرکه استفاده می‌شوند بستگی دارد. توزیع وزن اساساً به محل و اندازه موتور بستگی دارد. روش معمول موتورهای نصب شده در جلو از پایداری استفاده می کند که با این طرح آسان تر به دست می آید. با این حال، توسعه موتورهای آلومینیومی و فرآیندهای ساخت جدید، امکان قرار دادن موتور در عقب را بدون به خطر انداختن ثبات فراهم کرده است.

بدنه خودرو

طرح‌های بدنه خودرو اغلب بر اساس تعداد درها، چیدمان صندلی‌ها و ساختار سقف طبقه‌بندی می‌شوند.

بدنه خودروها عموما از ورق فولادی ساخته می شوند. فولاد با عناصر مختلف آلیاژ می شود تا توانایی خود را برای تبدیل شدن به فرورفتگی های عمیق تر بدون چروک یا پاره شدن در پرس های تولیدی بهبود بخشد. فولاد به دلیل در دسترس بودن عمومی، هزینه کم و کارایی خوب استفاده می شود. با این حال، برای کاربردهای خاص، مواد دیگری مانند آلومینیوم، فایبر گلاس و پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن به دلیل خواص ویژه آنها استفاده می شود. پلاستیک های پلی آمید، پلی استر، پلی استایرن، پلی پروپیلن و اتیلن برای سختی بیشتر، مقاومت در برابر فرورفتگی و مقاومت در برابر تغییر شکل شکننده فرموله شده اند.

از این مواد برای پانل های بدنه استفاده می شود. ابزار برای قطعات پلاستیکی معمولاً هزینه کمتری دارد و به زمان کمتری برای توسعه نسبت به قطعات فولادی نیاز دارد و بنابراین ممکن است توسط طراحان با هزینه کمتر تغییر یابد. برای محافظت بدنه ها از عناصر خورنده و حفظ استحکام و ظاهر آن ها از فرآیندهای پرایمینگ و رنگ آمیزی ویژه استفاده می شود. ابتدا بدن ها را در حمام های تمیز کننده غوطه ور می کنند تا روغن و سایر مواد خارجی خارج شود.

سپس چرخه های غوطه وری و اسپری را پشت سر می گذارند. مینا و لاک اکریلیک هر دو رایج هستند. رسوب الکتریکی رنگ پاشیده شده، فرآیندی که در آن به اسپری رنگ یک بار الکترواستاتیک داده می شود و سپس با ولتاژ بالا به سطح جذب می شود، به اطمینان از اعمال یک پوشش یکنواخت و پوشاندن مناطق صعب العبور کمک می کند. برای سرعت بخشیدن به فرآیند خشک شدن در کارخانه از کوره هایی با خطوط نقاله استفاده می شود. فولاد گالوانیزه با پوشش محافظ روی و فولاد ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی در قسمت هایی از بدنه که احتمال خوردگی آن بیشتر است استفاده می شود.

خودروهای شاسی بلند

در اکثر خودروهای سواری تا اواسط قرن بیستم، یک قاب فولادی فشرده – شاسی خودرو – اسکلتی را تشکیل می‌داد که روی آن موتور، چرخ‌ها، مجموعه‌های محور، گیربکس، مکانیزم فرمان، ترمزها و اعضای تعلیق نصب شده بودند. این فرآیند امروزه برای وسایل نقلیه سنگین مانند کامیون ها استفاده می شود که از داشتن یک چارچوب مرکزی قوی بهره می برند و تحت تأثیر نیروهای درگیر در فعالیت هایی مانند حمل بار، از جمله جذب حرکات موتور و محور که توسط آن ها مجاز است.

در طراحی های مدرن خودروهای سواری، قاب شاسی و بدنه در یک عنصر ساختاری واحد ترکیب شده اند. در این چیدمان که ساختار واحد بدنه (یا یک بدنه) نامیده می شود، پوسته بدنه فولادی با مهاربندی هایی تقویت می شود که آن را به اندازه کافی سفت می کند تا در برابر نیروهای وارده به آن مقاومت کند.

موتور خودرو

موتور احتراق داخلی: چرخه چهار زمانه

موتور دیزل چهار زمانه

طیف گسترده ای از موتورها به صورت تجربی و در تولید خودرو استفاده شده است.

موفق ترین موتور برای خودروها موتور احتراق داخلی پیستونی رفت و برگشتی با سوخت بنزین بوده که در چرخه چهار زمانه کار می کند، در حالی که موتورهای دیزلی به طور گسترده برای کامیون ها و اتوبوس ها استفاده می شوند.

موتور بنزینی در ابتدا برای خودروها انتخاب شد، زیرا می‌توانست با انعطاف‌پذیری بیشتری در طیف وسیعی از سرعت‌ها کار کند و قدرت تولید شده برای یک موتور با وزن معین منطقی بود. می توان آن را با روش های اقتصادی تولید انبوه تولید کرد. و از سوختی در دسترس و با قیمت متوسط ​​استفاده کرد. قابلیت اطمینان، اندازه جمع و جور، انتشار گازهای گلخانه ای و محدوده عملکرد بعدها به عوامل مهم تبدیل شدند.

ارزیابی مجدد این اولویت‌ها با تأکید جدید بر کاهش گازهای گلخانه‌ای (به اثر گلخانه‌ای) یا ویژگی‌های تولید آلودگی سیستم‌های قدرت خودرو انجام شده است. این موضوع باعث ایجاد علاقه جدیدی به منابع انرژی جایگزین و اصلاحات موتور احتراق داخلی شده است که قبلاً از نظر اقتصادی امکان پذیر نبودند.

امروزه چندین خودروی الکتریکی با تولید محدود با باتری به بازار عرضه می شود. در گذشته به دلیل هزینه‌ها و ویژگی‌های عملیاتی، رقابتی بودن آنها ثابت نشده بود. موتور بنزینی، با دستگاه‌های جدید کنترل انتشار برای بهبود عملکرد، در سال‌های اخیر توسط سیستم‌های قدرت هیبریدی که موتورهای بنزینی یا دیزلی را با سیستم‌های باتری و موتورهای الکتریکی ترکیب می‌کنند، به چالش کشیده شده است.

با این حال، چنین طرح هایی پیچیده تر و در نتیجه پرهزینه تر هستند. تکامل موتورهای با کارایی بالاتر در ایالات متحده، صنعت را از طرح‌بندی سیلندرهای طولانی و مستقیم به سمت طرح‌بندی‌های فشرده شش و هشت سیلندر نوع V برای خودروهای بزرگ‌تر (با رتبه‌بندی اسب بخار تا حدود 350) سوق داد. خودروهای کوچکتر به موتورهای چهار سیلندر کوچکتر وابسته هستند.

سوخت

بنزین با فرمول خاص اساساً تنها سوخت مورد استفاده برای کارکرد خودرو است، اگرچه سوخت دیزل برای بسیاری از کامیون ها و اتوبوس ها و تعداد کمی از خودروها استفاده می شود و هیدروژن مایع فشرده به صورت تجربی استفاده شده است. مهمترین الزامات یک سوخت برای استفاده در خودرو، فراریت مناسب، کیفیت ضد ضربه کافی و عاری از محصولات جانبی آلاینده احتراق است.

نوسانات به صورت فصلی توسط پالایشگاه ها فرموله می شود تا بنزین کافی بخار شود، حتی در هوای بسیار سرد، تا امکان راه اندازی آسان موتور فراهم شود. کیفیت ضد ضربه با عدد اکتان بنزین درجه بندی می شود. تعداد اکتان مورد نیاز یک موتور خودرو در درجه اول به نسبت تراکم موتور بستگی دارد، اما تحت تأثیر طراحی محفظه احتراق، وضعیت تعمیر و نگهداری سیستم های موتور و رسوبات دیواره محفظه نیز قرار دارد. در قرن 21 بنزین معمولی دارای رتبه اکتان 87 و تست بالا در محله 93 بود.

خودروسازان برای مقرراتی لابی کرده‌اند که نیاز به پالایش بنزین‌های پاک‌کننده دارند، که به دستگاه‌های کنترل انتشار اجازه می‌دهد با راندمان بالاتر کار کنند. چنین بنزینی ابتدا در برخی از ایستگاه های خدمات در کالیفرنیا در دسترس بود و از سال 2017 واردکنندگان و پالایشگاه های اصلی بنزین در سراسر ایالات متحده ملزم به حذف ذرات گوگرد از سوخت تا سطح متوسط 10 قسمت در میلیون (ppm) شدند.

ناوگان وسایل نقلیه با سوخت گاز طبیعی چندین سال است که فعال هستند. انتشار مونوکسید کربن و ذرات معلق 65 تا 90 درصد کاهش می یابد. مخازن سوخت گاز طبیعی باید چهار برابر بزرگتر از مخازن بنزین باشد تا وسایل نقلیه معادل دارای برد حرکتی یکسانی باشند. این ظرفیت بار را به خطر می اندازد. اتانول (اتیل الکل) اغلب با بنزین (15 قسمت تا 85 قسمت) مخلوط می شود تا رتبه اکتان آن را افزایش دهد که منجر به عملکرد نرم تر موتور می شود. با این حال، اتانول چگالی انرژی کمتری نسبت به بنزین دارد که منجر به کاهش برد در هر مخزن می شود.