8/11/2019 Motor car

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Contents

Part I Past

1 Introduction to Part I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Body and Car Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1 Separable Chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Partially Integrated Body and Chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3 Unitized Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.4 Aerodynamic Performance Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5 Vehicle Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 Chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1 Solid Axle Mechanical Linkages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 Independent Suspension Mechanical Linkages . . . . . . . . . . . . 463.3 Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.4 Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.5 Brakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 713.6 Wheel Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4 Powertrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.1 Combustion Engines Before the Automobile . . . . . . . . . . . . . 804.2 Automotive Internal Combustion Engines . . . . . . . . . . . . . . . 874.2.1 Mechanical Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 874.2.2 Structural Components Technology . . . . . . . . . . . . . 984.2.3 Carburetors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044.2.4 Lubrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1074.2.5 Ignition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.2.6 Starters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.3 Gearboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.1 Manual Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.3.2 Friction Clutch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1284.3.3 Automatic Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

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4.4 Alternative Powertrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.4.1 Electric Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.4.2 Steam Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

5 The Technologies of Automobiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1535.1 Craft Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

5.1.1 Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1545.1.2 Production Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.1.3 Development Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

5.2 Mass Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1605.2.1 Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1605.2.2 Production Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615.2.3 Development Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

5.3 Lean Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.3.1 Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.3.2 Production Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.3.3 Development Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Part II Present

6 Economic Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

6.1 Manufacturers and Brands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1796.2 Production and Car Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1856.3 Market Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.4 Suppliers of Parts and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.5 Break-Even Point: Prices and Revenues . . . . . . . . . . . . . . . . 1916.6 The Sales and Maintenance System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

7 Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1957.1 Technical Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

7.2 European Type Approval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1977.3 Environmental Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1987.3.1 Pollution as a Worldwide Concern . . . . . . . . . . . . . 1997.3.2 Regulated Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2007.3.3 Unregulated Pollutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2027.3.4 Emission Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2037.3.5 Exhaust Emissions Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2067.3.6 Driving Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2107.3.7 Emissions and Durability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2117.3.8 Evaporative Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

7.4 Fuel Consumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2137.5 Vehicle Exterior Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2167.6 Vehicle End of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

xiv Contents

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8/11/2019 Motor car

3/8

7.7 Car Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2197.7.1 Active Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2197.7.2 Passive Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2207.7.3 Crash Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2217.7.4 Pedestrian Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2247.7.5 EURO-NCAP Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

8 Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2278.1 Road Loads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2288.2 Body Stiffness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2308.3 Body Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

8.3.1 The Unibody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2328.3.2 Unibody Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

8.4 The Assembly Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2428.4.1 Dashboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2438.4.2 Door Seals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2448.4.3 Outer and Inner Additional Parts . . . . . . . . . . . . . . 2458.4.4 Headlights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2468.4.5 Seats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2488.4.6 Passenger Compartment Safety Devices . . . . . . . . . 2498.4.7 Climate Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

9 Chassis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2559.1 Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

9.1.1 Wheel-Tire Assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2569.1.2 Rolling Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2599.1.3 Longitudinal Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2609.1.4 Lateral Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2629.1.5 Interaction Between Lateral

and Longitudinal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2649.2 Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

9.2.1 Wheel Characteristic Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . 2679.2.2 Suspension Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2699.2.3 Suspension Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2719.2.4 Suspension Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2729.2.5 Anti-Roll Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2829.2.6 Shock Absorbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

9.3 Steering System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2859.3.1 Screw-and-Sector Steering Box . . . . . . . . . . . . . . . 2869.3.2 Rack-and-Pinion Steering Box . . . . . . . . . . . . . . . . 2879.3.3 Power Steering System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

9.4 Braking System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2929.4.1 Service Brake System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2929.4.2 Park Brake System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

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10.6 Indirect Injection Spark Ignition Engines . . . . . . . . . . . . . . . . 38810.6.1 Ignition System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38810.6.2 Fuel Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39310.6.3 Three-Way Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39710.6.4 Fuel Supply and Evaporative Emission

Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40110.6.5 On Board Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

10.7 Direct Injection Spark Ignition Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . 40310.7.1 System Layout and Performances . . . . . . . . . . . . . . 40410.7.2 Stratified Charge Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40710.7.3 Homogeneous Charge Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . 40810.7.4 Emission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41010.7.5 Development of Gasoline Direct

Injection System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41210.8 Compression Ignition Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

10.8.1 Euro 4 Standards: Injection Evolution . . . . . . . . . . . 42110.8.2 Euro 5 Standards: Particulate Reduction . . . . . . . . . 42210.8.3 Euro 6 Standards: NO x Reduction . . . . . . . . . . . . . . 42610.8.4 On Board Diagnostic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43010.8.5 New Types of Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

10.9 Auxiliary Engine Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43310.9.1 Cooling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

10.9.2 Engine Lubrication Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43410.9.3 Starter Motor and Alternator . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

11 Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43911.1 Transmission Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43911.2 Manual Gearbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442

11.2.1 Shifting Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44711.2.2 Synchronizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

11.3 Automatic Gearboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455

11.3.1 Synchronizer Gearboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45711.3.2 Planetary Gearboxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46011.3.3 CVTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

11.4 Start-Up Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46811.4.1 Clutch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46811.4.2 Start-Up Devices for Automatic Gearboxes . . . . . . . 469

11.5 Differentials and Final Drives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47311.5.1 All Wheel Drive Transfer Boxes . . . . . . . . . . . . . . 47411.5.2 Shafts and Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

12 Alternative Powertrains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48512.1 Battery Electric Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48512.2 Traction Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

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8/11/2019 Motor car

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12.3 Hybrid Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49412.4 Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50212.5 Gaseous Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505

Part III Future

13 Introduction to Part III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

14 Energy and Environmental Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51514.1 Battery Electric Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51814.2 Hybrid Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52014.3 Non-conventional Fuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522

14.3.1 Hydrocarbons and Oxygenated Fuels . . . . . . . . . . . . 52214.3.2 Hydrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

14.4 Reduction of the Resistance to Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . 52814.4.1 Aerodynamic Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52914.4.2 Rolling Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52914.4.3 Vehicle Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530

14.5 Innovative Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53214.5.1 Internal Combustion Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . 53214.5.2 External Combustion Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

14.5.3 Improving the Standard Reciprocating Engine . . . . . 534

15 The Impact of New Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53515.1 ICTs: Process Innovations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53515.2 ICTs: Product Innovations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

15.2.1 Classical Manual Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53815.2.2 Automatic Controls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53915.2.3 By Wire Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54115.2.4 Higher Level Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

15.2.5 Navigation and Communication Devicesand on Board Computers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54915.3 New Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

15.3.1 High Strength Steel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55115.3.2 Light Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55115.3.3 Reinforced Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55215.3.4 Smart and Advanced Materials . . . . . . . . . . . . . . . . 553

16 Ground Vehicles in a Longer Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55516.1 Radically Smaller, Lighter, Cheaper and Greener Vehicles . . . 55616.2 Radically Safer Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55816.3 Modular Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

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16.4 Possibilities of Breakthroughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56216.4.1 Flying Cars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56316.4.2 Hovering Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56516.4.3 Magnetic Levitation Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . 56616.4.4 Other Very Advanced Breakthroughs . . . . . . . . . . . 567

Appendix A: Body Vehicle Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569

Appendix B: Basics on Vehicle Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

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