บทนำ

ในปัจจุบันเทคโนโลยีด้านวิศวกรรมยานยนต์ได้ถูกพัฒนาไปอย่างมาก ซึ่งหลาย ๆ ครั้งผู้ที่ต้องการซื้อรถดูข้อมูลด้านเทคนิค เพื่อพิจารณาในการซื้อต้องประสบปัญหาในการดูข้อมูลบางตัวแล้วไม่เข้าใจ อย่างเช่น ข้อมูลด้านเครื่องยนต์ ในส่วนของอัตราส่วนกำลังอัด กำลังสูงสุด หรือ ข้อมูลระบบส่งกำลังและคลัทช์ ในส่วนหน้าเป็นแบบอิสระ ปีกนกคู่พร้อมคอยล์สปริง หรืออุปกรณ์มาตรฐานความปลอดภัย ระบบเบรกแบบ ABS ป้องกันล้อล็อก ดังแสดงในรูปที่ 1 เป็นต้น ซึ่งข้อมูลเหล่านี้ผู้เขียนจะกล่าวโดยละเอียดต่อไป แต่ในส่วนบทความนี้ จะกล่าวพื้นฐานโดยรวมของระบบวิศวกรรมยานยนต์เบื้องต้น เพื่อเป็นความรู้เบื้องต้น

.

เมื่อจะกล่าวถึงยานยนต์ หรือรถยนต์นับตั้งแต่ยานยนต์ถูกประดิษฐ์ขึ้นมาครั้งแรกจนถึงในยุคปัจจุบัน งานด้านวิศวกรรมยานยนต์ได้มีการเปลี่ยนแปลงมาโดยตลอด อีกทั้งความเจริญก้าวหน้าทางด้านเทคโนโลยีในด้านต่าง ๆ ไม่ว่าจะเทคโนโลยีด้านวัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีด้านอิเล็กทรอนิกส์ เทคโนโลยีด้านการออกแบบ เป็นต้น ส่งผลโดยตรงให้วิศวกรรมยานยนต์ถูกพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะระบบควบคุมการทำงานของรถยนต์ เพื่อสนองความต้องการของมนุษย์ ซึ่งหมายถึงการแข่งขันของค่ายผู้ผลิตยายนต์ในการวิจัยและพัฒนางานด้านวิศวกรรมยานยนต์ ผนวกกับปัจจุบันทั่วโลกมีการตื่นตัวทางด้านสิ่งแวดล้อม ทำให้ผู้ผลิตต้องพิจารณาด้านมลพิษ และผลกระทบสิ่งแวดล้อมให้กับงานพัฒนายานยนต์ด้วย ยกตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีด้านเครื่องยนต์ดีเซล ได้นำระบบฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงแรงดันสูง เข้ามาใช้กับเครื่องยนต์ดีเซล เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้และลดมลพิษทางอากาศ หรือแต่มีการพัฒนานำระบบควบคุมการทำงานของยานยนต์โดยระบบคอมพิวเตอร์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของรถยนต์ หรือการนำระบบดาวเทียมใส่ในรถยนต์เพื่อเพิ่มความสะดวกในการเดินทางของผู้ขับรถ แต่ถึงแม้งานด้านวิศวกรรมยานยนต์จะถูกพัฒนาไปอย่างไรก็ตาม แต่ระบบการทำงานพื้นฐานของเครื่องยนต์ หรือระบบสนับสนุนของยานยนต์โดยส่วนใหญ่ยังคงพื้นฐานด้านวิศวกรรมยานยนต์อยู่เช่นเดิม เช่น ระบบกำลังรองรับกำลังอัดของเครื่องยนต์ ยังคงใช้ลูกสูบ และถ่ายทอดกำลังไปยังก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง ล้อช่วยแรง ผ่านระบบส่งกำลังไปยังล้อ เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ให้สามารถเคลื่อนที่ไปได้ ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบของระบบต่าง ๆ ของยานยนต์

จากที่กล่าวมาแล้วว่าการพัฒนาเทคโนโลยีด้านต่าง ๆ และระบบสนับสนุนต่าง ๆ ของงานด้านวิศวกรรมยานยนต์ ย่อมส่งผลโดยตรงต่อระบบต่าง ๆ และส่วนประกอบของรถยนต์มีความซับซ้อนมากขึ้น และเพิ่มอำนวยความสะดวกของผู้ขับขี่มากขึ้นด้วย ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงส่วนประกอบต่าง ๆ ของรถยนต์ (Ford Motor Company)

ยานยนต์เกิดขึ้นครั้งแรกราว ค.ศ. 1769 (พ.ศ. 2312) โดยวิศวกร ชื่อ Nicholas Joseph Cugnot ซึ่งเป็นชาวฝรั่งเศสในกองทัพของฝรั่งเศส ยานยนต์ที่เขาประดิษฐ์มีลักษณะเป็นรถ 3 ล้อ ใช้ไอน้ำในการขับเคลื่อนให้รถเคลื่อนที่ โดยมีวัตถุประสงค์ในการลากจูงปืนใหญ่  ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4ยานยนต์คันแรกที่ถูกสร้างขึ้นในปีค.ศ.1769 โดยCugnot(ที่มา: จากหนังสือ Fundamentals of Vehicle Dynamics หน้าที่ 2)

ต่อจากนั้น ปี ค.ศ. 1784 (พ.ศ. 2327) James Watt วิศวกรชาวสก็อต ได้พัฒนากลจักรไอน้ำขึ้นแต่ไม่ประสบผลสำเร็จเท่าที่ควร ในปี ค.ศ. 1802 (พ.ศ.2345) Richard Trevithick ชาวอังกฤษ ได้พัฒนารถบัส พลังงานไอน้ำ ( Steam Coach ) ใช้เดินทางจากเมือง Cornwall ไปยังเมือง London แต่เกิดระเบิดขึ้นระหว่างทาง เนื่องจาก Trevithick ลืมดับไฟของหม้อไอน้ำ แต่อย่างไรก็ตามธุรกิจรถบัสพลังงานไอน้ำก็ได้ดำเนินต่อไป ในประเทศอังกฤษ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1865 ธุรกิจรถบัสได้ประสบปัญหา เกิดการแข่งขันกับรถไฟที่เกิดขึ้น และการเข้มงวดของกฎหมายของอังกฤษ ธุรกิจรถบัสจึงยุติลง

ในปี ค.ศ.1886 (พ.ศ. 2429) ยานยนต์ที่สามารถใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก เป็นเครื่องยนต์แก๊สโซลีน (Gasoline Engine) ประดิษฐ์โดย Karl Benz (1844-1929) และ Gottlieb Daimler (1834-1900) หลังจากนั้นยานยนต์ก็ได้พัฒนาโดยนักประดิษฐ์อีกหลายท่านที่เราคุ้นเคยกัน เช่น Rene Panhard, Emile Levassor, Armand Peugeot, Frank และ Charies Duryea และHenry Ford เป็นต้น

ในปี ค.ศ.1908 (พ.ศ. 2451) อุตสาหกรรมยานยนต์ได้เริ่มเกิดขึ้นในสหรัฐอเมริกา โดย Henry Ford โดยเข้าใช้กระบวนการผลิตแบบที (Model T) และ General Motors ในขณะเดียวกันในยุโรปก็ได้เกิดอุตสาหกรรมยานยนต์ขึ้นด้วยเช่นกัน ชื่อยานยนต์ที่เราคุ้นเคยกัน เช่น Daimler, Opel หรือแม้แต่ Benz เป็นต้น

ในระหว่างปี ค.ศ. 1900 ถึง ค.ศ. 1912 การออกแบบในอุตสาหกรรมยานยนต์ไม่ค่อยมีการเปลี่ยนแปลงมากนัก และโดยการออกแบบเน้นที่การผลิตที่รวดเร็ว เพิ่มความสะดวกสบาย และความน่าเชื่อถือของยานยนต์ แต่ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่ 1 (พ.ศ.2457–พ.ศ.2461) การพัฒนาด้านวิศวกรรมยานยนต์ มีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วเพื่อรองรับการขนส่งในระหว่างสงคราม หลังจากสงครามสิ้นสุด การออกแบบยานยนต์จะเน้นด้านเครื่องยนต์ และชิ้นส่วนต่าง ๆ ของยานยนต์ จนถึงสงครามโลกครั้งที่ 2 (พ.ศ.2480 ถึง พ.ศ.2488) ได้มีการใช้ยานยนต์ในการบริการงานในสงคราม และขนส่งอุปกรณ์ต่าง ๆ ในสงคราม

สำหรับประเทศไทยมีการนำเข้ายานยนต์เข้ามาใช้ในประเทศนานแล้ว และปัจจุบันประเทศไทยเป็นฐานกำลังการผลิตของรถยนต์หลายค่ายใหญ่ ในปัจจุบันยานยนต์ได้ถูกพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะระบบควบคุมการทำงานของยานยนต์ ซึ่งเป็นผลมาจากการวิจัยและพัฒนาของผู้ผลิตยานยนต์เพื่อการให้สามารถครอบครองตลาดให้ได้มากที่สุด ซึ่งส่งผลให้แต่ละค่ายผู้ผลิตต้องแข่งขันกันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ตัวอย่างการพัฒนาวิศวกรรมยานยนต์ในปัจจุบัน เช่น มีการประดิษฐ์ยานยนต์ประเภท Hybrid ซึ่งเป็นการผสมผสานการทำงานของเครื่องยนต์กับระบบมอเตอร์ไฟฟ้าในการขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของรถยนต์ ซึ่งสามารถประหยัดการสิ้นเปลืองของน้ำมันเชื้อเพลิง และยังช่วยลดมลพิษที่เกิดจากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ที่ไม่สมบูรณ์ด้วย ดังรูปที่ 5 แสดงเครื่องยนต์ Hybrid ของฮอนด้า

รูปที่ 5 แสดงเครื่องยนต์ Hybrid ของฮอนด้า(ที่มา : จาก www.honda.co.th)

หรือแม้แต่เครื่องยนต์ที่ใช้เชื้อเพลิง Hydrogen หรือเราเรียกว่าเครื่องยนต์ FCHV (Fuel Cell Hydrogen Vehicle ) อีกทั้งปัจจุบันโลกเรากำลังตื่นตัวกับปัญหาสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะปัญหามลพิษทางอากาศ ทำให้การวิจัยและพัฒนาด้านยานยนต์ยังต้องมุ่งเน้นในเรื่องการลดมลพิษทางอากาศที่เกิดจากการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ ตัวอย่างการพัฒนาวิศวกรรมยานยนต์ในด้านนี้ เช่น ในเครื่องยนต์ดีเซล มีการนำระบบการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงด้วยแรงดันสูง หรือที่เรารู้จักในระบบ Common Rail การเพิ่มแรงดันในการฉีดน้ำมันทำให้น้ำมันเป็นฝอยมากขึ้น ทำให้การเผาไหม้ในห้องเผาไหม้มีความสมบูรณ์มากขึ้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสภาพอากาศที่เกิดจากการเผาไหม้ดีขึ้นไปด้วย

ในส่วนอื่นที่เกี่ยวข้องการยานยนต์ คือ มีการวิจัยและพัฒนาระบบพลังงานทดแทนน้ำมัน ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงหลักของรถยนต์ และช่วยลดการนำเข้าของน้ำมันจากต่างประเทศ เช่น มีการวิจัยและพัฒนา Bio Diesel เพื่อทดแทนหรือลดการใช้น้ำมันดีเซล หรือ Gasohol โดยการนำ Ethanol Alcohol ผสมลงใน Gasoline ประมาณ 10 %

ในส่วนของระบบควบคุมการทำงานของยานยนต์ หรือการเพิ่มความสะดวกสบายของผู้ขับขี่ เช่น มีระบบนำทาง ซึ่งจะบอกตำแหน่งที่คุณอยู่ ค้นหาเส้นทางที่เหมาะสม และนำทางคุณไปสู่จุดหมาย ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงระบบนำทางในรถยนต์ของโตโยต้า รุ่น Camry(ที่มา: www.toyota.co.th)

แต่อย่างไรก็ตามถึงแม้วิศวกรรมยานยนต์จะถูกพัฒนาให้ก้าวหน้าอย่างไรก็ตาม การทำงานพื้นฐานของยานยนต์ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงไปมากนัก เช่น การทำงานของเครื่องยนต์ ซึ่งเป็นเครื่องยนต์ที่เผาไหม้ในห้องเผาไหม้ ทำให้เกิดความดันสูง ส่งกำลังไปยังลูกสูบ เพลาข้อเหวี่ยง ระบบส่งกำลังของยานยนต์ และไปยังล้อในที่สุด ในระบบของวิศวกรรมยานยนต์พื้นฐานผู้เขียนจะอธิบายให้เข้าในพอสังเขป ในบทความนี้ และจะโดยละเอียดในโอกาสต่อ ๆ ไป

ระบบของยานยนต์ ( Automotive Systems )

ในระบบของยานยนต์ สามารถแบ่งได้เป็น 2 ส่วนใหญ่ คือ ระบบโครงสร้างหลักของยานยนต์ และระบบที่ไม่ใช่โครงสร้างหลัก เช่น ระบบเครื่องยนต์ ระบบรองรับ ระบบส่งกำลัง เป็นต้น

- ระบบโครงสร้างหลักของยานยนต์ ( Construction of Automotive )

ระบบโครงสร้างของยานยนต์ ซึ่งเป็นส่วนที่สร้างความแข็งแนงให้ยานยนต์ รวมถึงสร้างความสวยงาม และรูปแบบ รูปลักษณ์ของยานยนต์

1. Unitized Construction ลักษณะโครงสร้างของยานยนต์แบบนี้จะเป็นชิ้นเดียวกัน (Unibody) ไม่สามรถแยกเป็นส่วนย่อยได้ ดังแสดงในรูปที่ 7 โครงสร้างแบบนี้จะเพิ่มความแข็งแรงให้ตัวโครงสร้างของรถยนต์ เนื่องจากโครงสร้างมีชิ้นเดียว เกิดจากการเชื่อมติดกันทั้งหมด

รูปที่ 7 แสดงลักษณะโครงสร้างรถแบบ Unibody    

โครงสร้างรถแบบนี้มีแนวโน้มที่จะใช้ในรถยนต์เพิ่มมากขึ้นเนื่องจากโครงสร้างแบบนี้จะช่วยป้องกันผู้ขับขี่ และผู้โดยสารให้ปลอดภัยจากการชนได้ดีกว่าโครงสร้างของรถแบบ  Body Over Frame เนื่องจากลักษณะโครงสร้างมีลักษณะเป็นชิ้นเดียวกัน ทำให้สามารถกระจายแรงเนื่องจากการชนได้ดี

2. โครงสร้างแบบ Body Over Frame โครงสร้างของรถแบบนี้เป็นแบบพื้นฐานที่ใช้ในรถยนต์ทั่วไป ดังแสดงในรูปที่ 8 กล่าวคือมีการแยกส่วนของ Body และ Frame  โครงสร้างแบบนี้ Frame ต้องมีความแข็งแรงเพียงพอที่ให้ชิ้นส่วนของรถยนต์ยังคง Alignment อยู่ได้ถ้าเกิดการชนกันของรถยนต์ เพื่อป้องกันอันตราย  โครงสร้างแบบนี้จะไม่มีการเชื่อมระหว่างชิ้นส่วนโครงสร้างหลัก โดยทั่วไปจะยึดโครงสร้างด้วยการใช้นัต ในส่วนการยึดระหว่าง Body และ Frame จะมียางรองในจุดที่มีการยึด เพื่อลดการสั่นสะเทือนเมื่อรถเคลื่อนที่ การออกแบบโครงสร้างแบบนี้ปัจจุบันมีใช้งานรถกระบะ รถตู้ หรือรถโดยสาร

รูปที่ 8  แสดงลักษณะโครงสร้างรถแบบ Body Over Fram

- รูปร่างของรถยนต์ ( Body Shape )

ในการแบ่งประเภทของรถยนต์ มีการแบ่งได้หลายรูปแบบ เช่น ใช้ชนิดของเครื่องยนต์ในการแบ่ง หรือใช้รูปร่าง/โครงสร้างของรถยนต์ หรือใช้ชนิดของเชื้อเพลิง หรือใช้การขับเคลื่อน หรืออาจแบ่งตามความรู้สึกของผู้บรโภค เช่น รูปร่างภายนอกของรถยนต์ หรือการวางเบาะที่นั่งของผู้โดยสาร หรือแม้แต่จำนวนประตูของรถยนต์ แต่โดยทั่วไปเราจะแบ่งตามรูปร่างภายนอกของรถยนต์ ซึ่งปัจจุบันสามารถแบ่งได้ 7 รูปแบบด้วยกัน คือ

1. Sedan รูปร่างลักษณะของรถยนต์แบบดังแสดงในรูปที่ 9 ซึ่งส่วนใหญ่เป็นรถนั่งส่วนบุคคลแบบเก๋ง  มีที่นั่งทั้งข้างหน้า และข้างหลัง โดยทั่วไปสามารถนั่งได้ 4–6 คน มีทั้งแบบ 2 ประตู และ 4 ประตู

รูปที่ 9 แสดงลักษณะของรถ Sedan แบบ  4 ประตู

2. แบบเปิดประทุน (Convertible Top) ลักษณะรถแบบ Convertible Top ดังแสดงในรูปที่ 10  ลักษณะรถแบบนี้มีหลังคาที่สามารถเปิดขึ้น-ลง โดยทั่วไปหลังคาทำจากวัสดุไวนิล (Vinyl) รถแบบนี้มีทั้ง 2 ประตู และ 4 ประตู รถที่มีเบาะที่นั่งเฉพาะด้านหน้า เราเรียกว่า รถสปอร์ต (Sports)

รูปที่ 10 แสดงลักษณะของรถ Convertible ธop แบบ 2 ประตู

3. Liftback หรือ Hatchback ลักษณะรถแบบ Liftback หรือ Hatchback ดังแสดงในรูปที่ 11 รถแบบนี้จะมีประตูด้านหลังซึ่งทำไว้สำหรับเป็นช่องเปิด-ปิดใส่สัมภาระ ส่วนลักษณะภายนอกอย่างอื่นจะมีลักษณะคลายกับรถซีดาน รถแบบนี้มีทั้งแบบ 3 ประตู และ 5 ประตู

รูปที่ 11 แสดงลักษณะของรถ Liftback หรือ Hatchback  แบบ 5 ประตู

4. Station Wagon ลักษณะรถแบบ Station Wagon ดังแสดงในรูปที่ 12 ลักษณะรถแบบนี้จะมีหลังคายื่นยาวไปถึงด้านหลัง บริเวณด้านหลังจะมีที่เก็บสัมภาระ และมีประตูเปิด-ปิด ลักษณะการเปิดสามารถออกแบบให้เปิดได้หลายวิธี เช่น อาจเปิดขึ้นข้างบน หรือเปิดออกทางด้านข้าง รถแบบ Station Wagon มีทั้ง 2 ประตู หรือ 4 ประตู

รูปที่ 12 แสดงลักษณะของรถ Station Wagon แบบ 4 ประตู

5. Pick-ups หรือรถกระบะ ลักษณะรถแบบ Pick-ups ดังแสดงในรูปที่ 13 รถแบบนี้ถูกออกแบบให้ด้านท้าย หรือบริเวณด้านหลังคนขับ เป็นกระบะ ใช้งานสำหรับงานบรรทุก บางรุ่นเพิ่มพื้นที่ด้านหลังคนขับภายในห้องโดยสารให้มีพื้นที่เพิ่มมากขึ้น โดยเราเรียกว่า CAP รถกระบะมีทั้งแบบขับเคลื่อน 2 ล้อ และ 4 ล้อ หรือเราเรียกว่า 4x4 หรือบางครั้งมีการออกแบบให้ขับเคลื่อน 4 ล้อตลอดเวลา

รูปที่ 13 แสดงลักษณะของรถ Pick-ups  แบบ 4 ประตู และแบบ 2 ประตู CAP(ที่มา: แคตาลอก โตโยต้า และเชฟโรเลต)

6. Vans ลักษณะรถแบบ Vans ดังแสดงในรูปที่ 14 รถแบบนี้ออกแบบให้มีหลังคายาวไปถึงท้ายรถยนต์ ด้านหลังคนขับมีพื้นที่ไว้งานได้หลายรูปแบบ เช่น ใช้สำหรับเป็นรถโดยสาร สามารถนั่งได้ถึง 12 คน หรือใช้สำหรับขนส่งสินค้า แล้วแต่การออกแบบเพื่อใช้งาน

รูปที่ 14 แสดงลักษณะของรถ Vans

7. Multipurpose Vehicles หรือ รถอเนกประสงค์ ลักษณะรถแบบ Vans ดังแสดงในรูปที่ 15 ลักษณะรถแบบนี้ออกแบบมาเพื่อให้ใช้ประโยชน์ได้หลายรูปแบบด้วยกัน โดยหลังคายาวคลุมตลอดตัวรถ มีพื้นที่ด้านหลังคนขับไว้ใช้งาน มีแบบทั้ง ขับเคลื่อน 2 ล้อ และ 4 ล้อ หรือ ขับเคลื่อน 4 ล้อตลอดเวลา

รูปที่ 15  แสดงลักษณะของรถ Multipurpose Vehicles

สำหรับในฉบับหน้าติดตามต่อในเรื่องของโครงสร้างรถยนต์และระบบต่าง ๆ ที่สำคัญ แล้วเจอกันครับ