上期講堂給大家講了汽車的NVH特性到底是怎么一回事。文中提到了三缸機(jī)的NVH特性較差的問(wèn)題，這一期講堂，就給大家詳細(xì)的分析一下，到底是怎樣的原理導(dǎo)致它的NVH特性會(huì)比常用的四、六缸發(fā)動(dòng)機(jī)差？主機(jī)廠又是使出了什么招數(shù)，讓消費(fèi)者坦然接受的呢？來(lái)，咱繼續(xù)說(shuō)！

☆1、三缸機(jī)為啥火了起來(lái)？

在排放要求日益嚴(yán)苛的汽車行業(yè)，各大廠商可謂是使出渾身解數(shù)。純電動(dòng)、混動(dòng)、輕量化設(shè)計(jì)等手段層出不窮。其中，有一個(gè)比較重要的手段是將原來(lái)的多缸發(fā)動(dòng)機(jī)替換成現(xiàn)有的一點(diǎn)幾升的三缸機(jī)。首先就有一個(gè)問(wèn)題，放著好好的四缸機(jī)不用，主機(jī)廠為什么開(kāi)始熱衷于使用三缸機(jī)了呢？

第一，成本低：“啊~~三缸，你比四缸少一缸！”大家還真不要小瞧少的這一缸，這會(huì)直接減小其加工難度，降低其制造成本，使得整車的價(jià)格也會(huì)隨之降下來(lái)。在各大廠商都在追求降成本的今天，采用三缸發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)疑是一個(gè)很好的選擇。

第二，排放?。簭陌l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)來(lái)看，經(jīng)過(guò)眾多“攻城獅”們的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于一般的四缸機(jī)而言，0.5L的單缸排量可以保證其具有較好的燃燒效率。三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)單缸排量一般為0.33L-0.5L。因此，目前常用的三缸機(jī)主要有1.0T、1.2T、1.3T以及1.5T。相比動(dòng)輒3.0的V6而言，其排放少、油耗小，且對(duì)于小型車型，動(dòng)力性足以滿足要求。

ZEOD RC 油電混合賽車

第三，重量輕：少了一個(gè)缸，整體尺寸變小，其重量自然降低。2014年的勒芒24小時(shí)耐力賽上，NISSAN派出了ZEOD RC 油電混合賽車原型機(jī)[1]。值得一提的是，其搭載的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)重量?jī)H為40Kg，最大可輸出400馬力，380牛米的動(dòng)力。其性能可見(jiàn)一斑！

ZEOD RC上搭載的三缸發(fā)動(dòng)機(jī)

而其整體長(zhǎng)寬高尺寸僅為0.4m*0.2m*0.5m。這樣的精巧的結(jié)構(gòu)安裝到車上，不僅占用空間小，而且其重量輕，也非常有利于整車的輕量化設(shè)計(jì)。

重量?jī)H為40Kg

第四，效率高：少了一個(gè)缸，使其摩擦損失，泵氣損失和熱損失等都相對(duì)降低，三缸機(jī)整體的效率也得到了一定的提升。如GM新一代Ecotec系列三缸機(jī)在摩擦功損失方面相比四缸機(jī)降低了10%-15%。

GM Ecotec 三缸機(jī)

當(dāng)然，如果三缸機(jī)全是優(yōu)點(diǎn)，各大主機(jī)廠也就一點(diǎn)不用糾結(jié)，放心大膽安排上了。但是，大家還是都有一個(gè)共同的顧慮。上期講堂也講到過(guò)，三缸機(jī)振動(dòng)噪聲特性比較差，其結(jié)構(gòu)特性決定了其較差的NVH特性。如果不進(jìn)行改進(jìn)，很難讓消費(fèi)者欣然接受。那么，到底是怎樣的結(jié)構(gòu)特性決定了其怎樣的NVH特性呢？可以采用什么辦法來(lái)改善這種狀況呢？

☆2、三缸機(jī)NVH特性為什么比較差？

這首先得從發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理說(shuō)起。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

我們知道，發(fā)動(dòng)機(jī)（以內(nèi)燃機(jī)為例進(jìn)行說(shuō)明）是將燃油的能量通過(guò)燃燒的方式進(jìn)行釋放，其產(chǎn)生的動(dòng)力推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，活塞通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)力進(jìn)行輸出。

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，有活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這中間需要依靠連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的傳遞。那么問(wèn)題來(lái)了，振動(dòng)具體是怎么產(chǎn)生的呢？為了便于大家的理解，我們先以單缸為例進(jìn)行說(shuō)明。

單缸發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化模型

往復(fù)慣性力的大小實(shí)際上就是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量與其加速度的乘積。其方向是與加速度方向相反的。比如，當(dāng)活塞向下加速運(yùn)動(dòng)時(shí)（加速度方向向下），其產(chǎn)生的慣性力實(shí)際上是向上的。因此，想知道往復(fù)慣性力有多大，首先要知道其加速度有多大。那么，加速度應(yīng)該怎么求呢？我們知道，加速度可以由速度求導(dǎo)得到。而速度又可以通過(guò)位移求導(dǎo)得到。因此，直接對(duì)位移求兩次導(dǎo)，可以直接得到加速度。而在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，活塞的位移怎么表示呢？

上述兩部分，就是我們說(shuō)的一階往復(fù)慣性力和二階往復(fù)慣性力。那么，這里所說(shuō)的“階”代表的是什么呢？這里可以理解為曲軸轉(zhuǎn)一圈，力的沖擊次數(shù)。因此，我們可以看出，一階慣性力在曲軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)，其正負(fù)號(hào)變化一次，即沖擊一次，因此稱為一階往復(fù)慣性力。而對(duì)應(yīng)的二階慣性力在曲軸轉(zhuǎn)一圈時(shí)，其正負(fù)號(hào)變化兩次，即沖擊兩次，即二階往復(fù)慣性力。

三缸機(jī)結(jié)構(gòu)剖視圖

好了，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)分析講完了，想必理解了單缸機(jī)的激勵(lì)原理，再對(duì)三缸機(jī)的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，就不難理解了。

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)慣性力示意圖，其矢量和為0

為保證均勻點(diǎn)火，三缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄夾角為120度。由于三缸發(fā)動(dòng)機(jī)可看作是由三個(gè)單缸機(jī)組成，但是需要注意的一點(diǎn)就是，各缸之間存在一定的相位差，因此分析其激勵(lì)特性的時(shí)候必須將相位差考慮在內(nèi)。

三缸發(fā)動(dòng)機(jī)往復(fù)慣性力示意圖，其矢量和為0

利用上面的公式，考慮相位關(guān)系，可以計(jì)算得到三缸發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性力矢量和為0，且往復(fù)慣性力矢量和也為0（可帶入公式證明計(jì)算）。那這就意味著三缸發(fā)動(dòng)機(jī)受力平衡了嗎？No。

我們知道，在對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，只有同時(shí)滿足合力為0且合力矩也為0時(shí)，才能判斷這個(gè)結(jié)構(gòu)為受力平衡（感興趣的讀者可以閱讀理論力學(xué)靜力學(xué)部分內(nèi)容）。如果受力平衡，則不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)問(wèn)題。那么，咱就分析分析，三缸機(jī)內(nèi)部是不是力矩也平衡了？

由于各缸之間的存在距離，因此，我們以第三個(gè)缸的曲軸中心處為參考點(diǎn)，則可以得到由往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力引起的慣性力矩。

旋轉(zhuǎn)慣性力（用F表示）及慣性力矩（用M表示）分析圖

經(jīng)過(guò)受力分析可得，雖然旋轉(zhuǎn)慣性力合力為0，但是，由于第一、二缸與第三缸之間在空間上存在距離，因此，其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力矩矢量和并不為0。一系列計(jì)算之后，可以得到其合力矩：

注意，上述是矢量疊加，并且求的結(jié)果是矢量的絕對(duì)值。結(jié)合上面的示意圖，其實(shí)可以觀察的更明了。

同樣，我們前文分析了往復(fù)慣性力之和為0，那么在往復(fù)慣性力的作用下，它們相對(duì)于第三缸的合力矩是多少呢？采用同樣的分析方法即可進(jìn)行計(jì)算，這里直接給出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

又看到了熟悉的一階、二階分量。也就是說(shuō)，這兒的往復(fù)慣性合力矩也是包含一、二階成分的。

好了，寫(xiě)到這兒，三缸機(jī)受力情況已經(jīng)分析明白了?？偨Y(jié)起來(lái)，三缸機(jī)的振動(dòng)主要是由旋轉(zhuǎn)慣性力矩、一階往復(fù)慣性力矩以及二階往復(fù)慣性力矩引起的。（上期講堂中，關(guān)于NVH問(wèn)題的主題帖中給自己挖的坑，現(xiàn)在填上了……）

事情到這兒還沒(méi)完，我們講到，三缸機(jī)天生的結(jié)構(gòu)特性，決定了其NVH特性相較于四、六缸機(jī)較差，工程師講究個(gè)研究，我們得拿數(shù)據(jù)說(shuō)話啊。為什么差？差在哪兒？

采用上述同樣的方法進(jìn)行分析，我們可以對(duì)三、四、六缸機(jī)的受力特性進(jìn)行分析，具體過(guò)程就省去了，咱們直接看對(duì)比結(jié)果：

來(lái)，咱們拿數(shù)據(jù)說(shuō)話。對(duì)比三、四、六缸機(jī)受到的不平衡力和力矩可知，三缸機(jī)受到的不平衡力矩相較于四、六缸機(jī)而言，大得多。四缸機(jī)只受二階往復(fù)不平衡力。而六缸機(jī)則既不受往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力，又不受與之對(duì)應(yīng)的力矩。因此，其NVH特性最好。

So，這也就從理論上合理的解釋了三缸機(jī)的NVH特性這么差的原因。

☆3、有沒(méi)有好的解決方案？

好了，問(wèn)題原因也找到了，廠家也知道其NVH特性差，但是廠家又抵不住三缸機(jī)的優(yōu)勢(shì)的誘惑。怎么辦？問(wèn)題還是得解決，以迎合消費(fèi)者的高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求啊。就目前市場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，通用的英朗、寶馬X1、本田思域、標(biāo)致308、以及?？怂沟燃娂姴捎昧巳讬C(jī)作為動(dòng)力源。

從他們性能表現(xiàn)來(lái)看，基本都在消費(fèi)者可接受范圍內(nèi)，想必他們一定在三缸機(jī)的NVH調(diào)教問(wèn)題上，下了一番功夫！其中，常用的三缸機(jī)NVH改善手段就是增加平衡軸的方式（當(dāng)然，還有其他很多解決NVH的手段，后續(xù)的文章會(huì)繼續(xù)給大家講?。?/p>

平衡前

平衡后

是不是很神奇？簡(jiǎn)單增加一根軸就達(dá)到了很好的效果！當(dāng)然，這根軸也不是隨便加的，放幾根軸？軸要設(shè)計(jì)成什么樣？怎么去平衡？這都是要經(jīng)過(guò)計(jì)算分析的，想要解決這些問(wèn)題，必須要從問(wèn)題的根源出發(fā)，找到的解決方案。那么其具體的原理是什么呢？針對(duì)動(dòng)力總成引起的振動(dòng)，其他的解決方案又是什么呢？咱們下期講堂，不見(jiàn)不散！

參考文獻(xiàn)

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Nissan_ZEOD_RC

本文作者為踢車幫 楊仕祥