知否，知否，应知三缸肥瘦

读过上期讲堂的朋友已经了解了三缸机的振动机理和平衡方案，今天就结合实际结构和理论分析，带大家了解一下三缸机的振动平衡原理。另外一个问题，三缸机除了抖的相对厉害，噪声又是如何产生的？了解了这些，对咱们爱车的日常维护又有什么启发呢？

书接上回，在上篇讲堂里给大家分析了一下三缸机振动特性差的机理，从受力分析的角度展开了比较详细的讲述，文末提到宝马等主机厂采用加装平衡轴的方式取得了比较好的效果。当然，咱们不能只看表象，为了让各位读者能够通过讲堂学习到更多的知识，本期讲堂，将会带领大家追本溯源，看看这个平衡轴是怎么实现三缸机的减振？是不是非加不可？还有没有其他手段去减缓三缸机的振动？

☆平衡轴长啥样？

在介绍平衡轴机理之前，先看一下平衡轴到底长啥样？

所谓平衡轴，就是通过这些加装配重块的轴和曲轴一起转动，来实现力学平衡。之前一篇文章我们分析了三缸机主要的振动不平衡机理，主要是由旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩造成的，并且给出了非常清楚的公式表达形式。工程问题通常讲究对症下药，那么针对旋转惯性力矩和往复惯性力矩，工程师是如何各个击破的呢？

☆三缸机减振——曲轴设计

对于旋转惯性力矩的不平衡，通常采取的是曲轴平衡机构，也就是在曲轴上加装平衡重来实现旋转惯性力矩的平衡。

图中的红色部分即为在曲轴两端上加的平衡重，需要注意的是，这里的轴是曲轴，而不是平衡轴。加完之后有什么效果呢？

由于两个平衡重旋转产生的惯性力大小相等，方向相反，因此，二者合力为0，并不会对发动机的刚体产生附加作用力。而这两部分质量产生的旋转惯性力矩，除了可以用来平衡原结构的旋转惯性力矩以外，还可以用来平衡始终沿Y方向的一阶往复惯性合力矩。到底是什么原理呢？

通过在曲轴上加装配重块，就可以将三缸机的旋转惯性力矩和部分一阶往复惯性力矩平衡掉，至于平衡多少合适，这要看想要达到什么样的效果，参照上面的理论公式就可以进行有针对性的改进了。所以，这些看似复杂的理论公式，在指导工程实践的时候，可以达到事半功倍的效果。当然，在NVH开发过程中，还有许许多多类似的问题，因此，NVH的正向开发是需要较深的理论功底，需要结合理论、仿真以及试验反复调校，而不是传统意义上的修修补补哦。

既然直接对曲轴进行改进就可以了，为什么大多数厂家选择加装平衡轴呢？接下来就给大家讲一下，平衡轴是怎么个机理，加装之后又能达到怎样的一个效果。

☆三缸机减振——平衡轴设计

目前大部分厂家采用加装一根平衡轴的方式来解决三缸机的平衡问题，即所谓的一阶平衡轴。顾名思义，它主要是用来平衡一阶往复惯性力的平衡机构。同时还可以消除由于曲轴加配重带来的附加绕Z向的力矩。下面咱们分析一下它的原理。

与前面分析分析的方法基本相同，需要注意的是，在设计这根平衡轴时，要保证其运转速度和曲轴的转速相等，也就是说，二者啮合齿轮传动比为1。只有这样，平衡轴上的配重才能随着曲轴的旋转按相同周期发挥作用，进而实现一阶惯性力矩的平衡。安装平衡轴之后，又能达到什么效果呢？采用与前面类似的分析方式，可以得到平衡之后的绕Y轴和Z轴的力矩为：

当然，针对二阶惯性力矩的平衡，还可以采用加装两个平衡轴的方式。具体原理也可以通过上面类似的推导得出，限于篇幅，这儿就不给大家详细展开了。而且一般来讲，二阶往复惯性力矩相对于一阶往复惯性力矩小得多，且结构越复杂，也就意味着成本越高。如果效果还可以，把旋转惯性力矩和一阶往复惯性力矩平衡掉，就基本上可以让消费者接受了。

由于毕竟是后期改造的，只能尽可能克服其先天不足，因此，与四缸机和六缸机相比，其振动特性还是差了一些。但是还是那句话，如果对于它的振动特性可以接受，就不要过于纠结了。

当然，平衡轴并非三缸机的专属，四缸机一样可以采用平衡轴进行NVH性能改善。比如宝马530i搭载的B48系列发动机通过在曲轴两侧安装平衡轴来进一步实现减振降噪[1]。

BWM B48 四缸发动机平衡轴安装

而528i上采用的四缸机的平衡轴采用上下布置[2]，其中上面一根既可以用来驱动油泵，又可以驱动第二根平衡轴，可谓一举两得。

BWM N20 四缸发动机平衡轴安装形式

☆平衡轴非装不可？

既然三缸机搭配平衡轴效果还不错，那么，平衡轴是不是三缸机的标配呢？

并不是。福特采用1.0T三缸发动机Ecoboost的嘉年华，并没有采用平衡轴结构，而是用将飞轮设计成非平衡状态，相当于替代平衡轴的左右，这就可以保证发动机体积很小，重量更轻。这还没完，它同时对发动机悬置（发动机基座）进行优化设计，实现了较好的隔振降噪效果，这也减少了发动机的重量和摩擦损失。此外，它还采用浸油式正时皮带，发动机工作时将正时皮带浸渍在机油中，使其得到更好的冷却和润滑，从而进一步降低工作时的振动和噪音，改善发动机的NVH特性。

Ecoboost 无平衡轴三缸发动机

也正是凭借上述超前的设计以及优异的性能，这款发动机获得了2015年沃德十佳发动机，同时在各大奖项评比现场拿奖拿到手软。同年入选的三缸机中，另外一台就是MINI Cooper搭载的1.5T三缸发动机，而后者是采用平衡轴的结构形式。

除了加装平衡轴，还有其他解决方案吗？对于三缸机的振动问题，平衡轴仅仅是一种方案。现在广泛使用的双质量飞轮、安装在曲轴前端的橡胶减振齿轮、静音链条等等，都是可以用来改善发动机的振动噪声特性。这些减振降噪措施的原理，后续的讲堂文章会给大家讲明白，争取让每一位读者能够知其然，也知其所以然。

双质量飞轮，减缓发动机扭矩波动，改善乘坐舒适性[3]

☆发动机噪声从何而来？

讲到这儿，三缸机的振动原理以及控制措施讲完了。除了振动以外，噪声又是怎么来的呢？

物理学上讲，噪声是发声体做无规则振动时发出的声音。也就是说，噪声主要源自于振动。这儿主要跟大家分析一下，作为汽车的动力源，动力系统的噪声从何而来。总结起来，有三个主要的方面：燃烧噪声、机械噪声以及空气动力噪声。

所谓燃烧噪声，就是指混合气气缸内剧烈燃烧时，在气缸内的周期性变化会激起发动机内部结构的振动，既然有了振动，就会有噪声产生，这些噪声传递到发动机表面，进而辐射出去形成的空气声，就是燃烧噪声。而废气再循环系统、增压系统再配合先进的电控技术，可以有效的控制燃烧噪声。

机械噪声则是由发动机系统中活塞敲击气缸壁、齿轮啮合噪声、供油系统噪声、正时链、正时皮带噪声、配气机构噪声、机体振动、轴承噪声等。一般在高速运转时，这些噪声更加明显。

空气动力噪声主要是指周期性的进排气，是指空气产生涡流或者压力变化形成扰动和膨胀，进而产生噪声。一般来讲，空气噪声直接向大气辐射，设想一台车不安装消音器，其噪声会有多大。

因此，在整车的NVH开发过程中，尤其是噪声部分，除了驾驶室内的噪声级有要求外，对于车外的通过噪声也有相应的要求。

通过噪声测试试验[4]

去年九月份上海市政府出台相关政策来进一步控制，所以，各位在魔都开跑车炸街的梦想，要克制一下啦~

☆日常维护篇

常开车的读者朋友可能更关心的是自己的车在日常使用中，为啥会有各种各样的异响？其实大家多少都会碰到各种各样的异响问题。比如转向系统的异响：若等速万向节损坏，则易出现“咔哒”声；当液压助力转向的皮带轮打滑时，易出现“尖叫”声；制动系统的异响：由于长期的使用对制动片的磨损或者变形，制动鼓灰尘过多，在制动都可能会出现难以忍受的刺耳“尖叫”声；对于发动机的异响：比较常见的加速尖叫，需要检查辅机系统的皮带轮是否打滑；此外，发动机积碳、活塞间隙变大都会造成出现敲缸声。当然，各位如果碰到上述类似问题，最好是能找专业的维修人员进行维修和保养，否则自己鼓捣半天，可能还会引发更多的问题，谨慎操作！

☆总结篇

写到这儿，关于汽车上最大的振动源的振动机理、控制措施已经全部讲完了，文末这部分内容是为了让各位读者能够在学习理论知识的同时，也能结合一下实践。其实从NVH工程师的角度来讲，大部分精力要负责新车型的NVH前期开发及后期调教，保证当汽车交付到顾客手中时，NVH性能是满足要求的。后期长期的使用过程中出现了振动、异响问题，这就需要各零部件供应商对零部件质量进行把控了。所以，一款经久耐用的好产品的开发绝不是一个部门的工程师所能决定的，需要大家共同努力，也只有这样，咱们自己才能造出越来越多的好车！

注：文中所有gif格式图片来源于网络

参考文献

[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/

本文作者为踢车帮杨仕祥

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