讀過上期講堂的朋友已經(jīng)了解了三缸機的振動機理和平衡方案，今天就結(jié)合實際結(jié)構(gòu)和理論分析，帶大家了解一下三缸機的振動平衡原理。另外一個問題，三缸機除了抖的相對厲害，噪聲又是如何產(chǎn)生的？了解了這些，對咱們愛車的日常維護又有什么啟發(fā)呢？

書接上回，在上篇講堂里給大家分析了一下三缸機振動特性差的機理，從受力分析的角度展開了比較詳細的講述，文末提到寶馬等主機廠采用加裝平衡軸的方式取得了比較好的效果。當然，咱們不能只看表象，為了讓各位讀者能夠通過講堂學習到更多的知識，本期講堂，將會帶領大家追本溯源，看看這個平衡軸是怎么實現(xiàn)三缸機的減振？是不是非加不可？還有沒有其他手段去減緩三缸機的振動？

☆平衡軸長啥樣？

在介紹平衡軸機理之前，先看一下平衡軸到底長啥樣？

所謂平衡軸，就是通過這些加裝配重塊的軸和曲軸一起轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)力學平衡。之前一篇文章我們分析了三缸機主要的振動不平衡機理，主要是由旋轉(zhuǎn)慣性力矩、一階往復慣性力矩和二階往復慣性力矩造成的，并且給出了非常清楚的公式表達形式。工程問題通常講究對癥下藥，那么針對旋轉(zhuǎn)慣性力矩和往復慣性力矩，工程師是如何各個擊破的呢？

☆三缸機減振——曲軸設計

對于旋轉(zhuǎn)慣性力矩的不平衡，通常采取的是曲軸平衡機構(gòu)，也就是在曲軸上加裝平衡重來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)慣性力矩的平衡。

圖中的紅色部分即為在曲軸兩端上加的平衡重，需要注意的是，這里的軸是曲軸，而不是平衡軸。加完之后有什么效果呢？

由于兩個平衡重旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力大小相等，方向相反，因此，二者合力為0，并不會對發(fā)動機的剛體產(chǎn)生附加作用力。而這兩部分質(zhì)量產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力矩，除了可以用來平衡原結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)慣性力矩以外，還可以用來平衡始終沿Y方向的一階往復慣性合力矩。到底是什么原理呢？

通過在曲軸上加裝配重塊，就可以將三缸機的旋轉(zhuǎn)慣性力矩和部分一階往復慣性力矩平衡掉，至于平衡多少合適，這要看想要達到什么樣的效果，參照上面的理論公式就可以進行有針對性的改進了。所以，這些看似復雜的理論公式，在指導工程實踐的時候，可以達到事半功倍的效果。當然，在NVH開發(fā)過程中，還有許許多多類似的問題，因此，NVH的正向開發(fā)是需要較深的理論功底，需要結(jié)合理論、仿真以及試驗反復調(diào)校，而不是傳統(tǒng)意義上的修修補補哦。

既然直接對曲軸進行改進就可以了，為什么大多數(shù)廠家選擇加裝平衡軸呢？接下來就給大家講一下，平衡軸是怎么個機理，加裝之后又能達到怎樣的一個效果。

☆三缸機減振——平衡軸設計

目前大部分廠家采用加裝一根平衡軸的方式來解決三缸機的平衡問題，即所謂的一階平衡軸。顧名思義，它主要是用來平衡一階往復慣性力的平衡機構(gòu)。同時還可以消除由于曲軸加配重帶來的附加繞Z向的力矩 。下面咱們分析一下它的原理。

與前面分析分析的方法基本相同，需要注意的是，在設計這根平衡軸時，要保證其運轉(zhuǎn)速度和曲軸的轉(zhuǎn)速相等，也就是說，二者嚙合齒輪傳動比為1。只有這樣，平衡軸上的配重才能隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)按相同周期發(fā)揮作用，進而實現(xiàn)一階慣性力矩的平衡。安裝平衡軸之后，又能達到什么效果呢？采用與前面類似的分析方式，可以得到平衡之后的繞Y軸和Z軸的力矩為：

當然，針對二階慣性力矩的平衡，還可以采用加裝兩個平衡軸的方式。具體原理也可以通過上面類似的推導得出，限于篇幅，這兒就不給大家詳細展開了。而且一般來講，二階往復慣性力矩相對于一階往復慣性力矩小得多，且結(jié)構(gòu)越復雜，也就意味著成本越高。如果效果還可以，把旋轉(zhuǎn)慣性力矩和一階往復慣性力矩平衡掉，就基本上可以讓消費者接受了。

由于畢竟是后期改造的，只能盡可能克服其先天不足，因此，與四缸機和六缸機相比，其振動特性還是差了一些。但是還是那句話，如果對于它的振動特性可以接受，就不要過于糾結(jié)了。

當然，平衡軸并非三缸機的專屬，四缸機一樣可以采用平衡軸進行NVH性能改善。比如寶馬530i搭載的B48系列發(fā)動機通過在曲軸兩側(cè)安裝平衡軸來進一步實現(xiàn)減振降噪[1]。

BWM B48 四缸發(fā)動機平衡軸安裝

而528i上采用的四缸機的平衡軸采用上下布置[2]，其中上面一根既可以用來驅(qū)動油泵，又可以驅(qū)動第二根平衡軸，可謂一舉兩得。

BWM N20 四缸發(fā)動機平衡軸安裝形式

☆平衡軸非裝不可？

既然三缸機搭配平衡軸效果還不錯，那么，平衡軸是不是三缸機的標配呢？

并不是。福特采用1.0T三缸發(fā)動機Ecoboost的嘉年華，并沒有采用平衡軸結(jié)構(gòu)，而是用將飛輪設計成非平衡狀態(tài)，相當于替代平衡軸的左右，這就可以保證發(fā)動機體積很小，重量更輕。這還沒完，它同時對發(fā)動機懸置（發(fā)動機基座）進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)了較好的隔振降噪效果，這也減少了發(fā)動機的重量和摩擦損失。此外，它還采用浸油式正時皮帶，發(fā)動機工作時將正時皮帶浸漬在機油中，使其得到更好的冷卻和潤滑，從而進一步降低工作時的振動和噪音，改善發(fā)動機的NVH特性。

Ecoboost 無平衡軸三缸發(fā)動機

也正是憑借上述超前的設計以及優(yōu)異的性能，這款發(fā)動機獲得了2015年沃德十佳發(fā)動機，同時在各大獎項評比現(xiàn)場拿獎拿到手軟。同年入選的三缸機中，另外一臺就是MINI Cooper搭載的1.5T三缸發(fā)動機，而后者是采用平衡軸的結(jié)構(gòu)形式。

除了加裝平衡軸，還有其他解決方案嗎？對于三缸機的振動問題，平衡軸僅僅是一種方案?，F(xiàn)在廣泛使用的雙質(zhì)量飛輪、安裝在曲軸前端的橡膠減振齒輪、靜音鏈條等等，都是可以用來改善發(fā)動機的振動噪聲特性。這些減振降噪措施的原理，后續(xù)的講堂文章會給大家講明白，爭取讓每一位讀者能夠知其然，也知其所以然。

雙質(zhì)量飛輪，減緩發(fā)動機扭矩波動，改善乘坐舒適性[3]

☆發(fā)動機噪聲從何而來？

講到這兒，三缸機的振動原理以及控制措施講完了。除了振動以外，噪聲又是怎么來的呢？

物理學上講，噪聲是發(fā)聲體做無規(guī)則振動時發(fā)出的聲音。也就是說，噪聲主要源自于振動。這兒主要跟大家分析一下，作為汽車的動力源，動力系統(tǒng)的噪聲從何而來?？偨Y(jié)起來，有三個主要的方面：燃燒噪聲、機械噪聲以及空氣動力噪聲。

所謂燃燒噪聲，就是指混合氣氣缸內(nèi)劇烈燃燒時，在氣缸內(nèi)的周期性變化會激起發(fā)動機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的振動，既然有了振動，就會有噪聲產(chǎn)生，這些噪聲傳遞到發(fā)動機表面，進而輻射出去形成的空氣聲，就是燃燒噪聲。而廢氣再循環(huán)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)再配合先進的電控技術(shù)，可以有效的控制燃燒噪聲。

機械噪聲則是由發(fā)動機系統(tǒng)中活塞敲擊氣缸壁、齒輪嚙合噪聲、供油系統(tǒng)噪聲、正時鏈、正時皮帶噪聲、配氣機構(gòu)噪聲、機體振動、軸承噪聲等。一般在高速運轉(zhuǎn)時，這些噪聲更加明顯。

空氣動力噪聲主要是指周期性的進排氣，是指空氣產(chǎn)生渦流或者壓力變化形成擾動和膨脹，進而產(chǎn)生噪聲。一般來講，空氣噪聲直接向大氣輻射，設想一臺車不安裝消音器，其噪聲會有多大。

因此，在整車的NVH開發(fā)過程中，尤其是噪聲部分，除了駕駛室內(nèi)的噪聲級有要求外，對于車外的通過噪聲也有相應的要求。

通過噪聲測試試驗[4]

去年九月份上海市政府出臺相關(guān)政策來進一步控制，所以，各位在魔都開跑車炸街的夢想，要克制一下啦~

☆日常維護篇

常開車的讀者朋友可能更關(guān)心的是自己的車在日常使用中，為啥會有各種各樣的異響？其實大家多少都會碰到各種各樣的異響問題。比如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的異響：若等速萬向節(jié)損壞，則易出現(xiàn)“咔噠”聲；當液壓助力轉(zhuǎn)向的皮帶輪打滑時，易出現(xiàn)“尖叫”聲；制動系統(tǒng)的異響：由于長期的使用對制動片的磨損或者變形，制動鼓灰塵過多，在制動都可能會出現(xiàn)難以忍受的刺耳“尖叫”聲；對于發(fā)動機的異響： 比較常見的加速尖叫，需要檢查輔機系統(tǒng)的皮帶輪是否打滑；此外，發(fā)動機積碳、活塞間隙變大都會造成出現(xiàn)敲缸聲。當然，各位如果碰到上述類似問題，最好是能找專業(yè)的維修人員進行維修和保養(yǎng)，否則自己鼓搗半天，可能還會引發(fā)更多的問題，謹慎操作！

☆總結(jié)篇

寫到這兒，關(guān)于汽車上最大的振動源的振動機理、控制措施已經(jīng)全部講完了，文末這部分內(nèi)容是為了讓各位讀者能夠在學習理論知識的同時，也能結(jié)合一下實踐。其實從NVH工程師的角度來講，大部分精力要負責新車型的NVH前期開發(fā)及后期調(diào)教，保證當汽車交付到顧客手中時，NVH性能是滿足要求的。后期長期的使用過程中出現(xiàn)了振動、異響問題，這就需要各零部件供應商對零部件質(zhì)量進行把控了。所以，一款經(jīng)久耐用的好產(chǎn)品的開發(fā)絕不是一個部門的工程師所能決定的，需要大家共同努力，也只有這樣，咱們自己才能造出越來越多的好車！

注：文中所有g(shù)if格式圖片來源于網(wǎng)絡

參考文獻

[1]http://youwheel.com/home/2016/10/21/technical-analysis-the-all-new-2017-bmw-5-series-g30/

[2]https://www.bmwpassion.com/bmw-serie-5-g30-vs-bmw-serie-5-f10-cosi-vicine-cosi-lontane/

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Dual-mass_flywheel

[4]https://www.flatout.com.br/pneus-serao-testados-e-etiquetados-de-acordo-com-eficiencia-pelo-inmetro/

本文作者為踢車幫 楊仕祥