上期講堂給大家講了汽車的NVH特性到底是怎麼一回事。文中提到了三缸機的NVH特性較差的問題，這一期講堂，就給大家詳細的分析一下，到底是怎樣的原理導致它的NVH特性會比常用的四、六缸發動機差？主機廠又是使出了什麼招數，讓消費者坦然接受的呢？來，咱繼續說！

☆1、三缸機為啥火了起來？

在排放要求日益嚴苛的汽車行業，各大廠商可謂是使出渾身解數。純電動、混動、輕量化設計等手段層出不窮。其中，有一個比較重要的手段是將原來的多缸發動機替換成現有的一點幾升的三缸機。首先就有一個問題，放著好好的四缸機不用，主機廠為什麼開始熱衷於使用三缸機了呢？

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，這會直接減小其加工難度，降低其製造成本，使得整車的價格也會隨之降下來。在各大廠商都在追求降成本的今天，採用三缸發動機無疑是一個很好的選擇。

第二，排放小：從發動機結構來看，經過眾多“攻城獅”們的試驗驗證，對於一般的四缸機而言，0.5L的單缸排量可以保證其具有較好的燃燒效率。三缸發動機的最優單缸排量一般為0.33L-0.5L。因此，目前常用的三缸機主要有1.0T、1.2T、1.3T以及1.5T。相比動輒3.0的V6而言，其排放少、油耗小，且對於小型車型，動力性足以滿足要求。

ZEOD RC 油電混合賽車

第三，重量輕：少了一個缸，整體尺寸變小，其重量自然降低。2014年的勒芒24小時耐力賽上，NISSAN派出了ZEOD RC 油電混合賽車原型機[1]。值得一提的是，其搭載的三缸發動機重量僅為40Kg，最大可輸出400馬力，380牛米的動力。其性能可見一斑！

ZEOD RC上搭載的三缸發動機

而其整體長寬高尺寸僅為0.4m*0.2m*0.5m。這樣的精巧的結構安裝到車上，不僅佔用空間小，而且其重量輕，也非常有利於整車的輕量化設計。

重量僅為40Kg

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

GM Ecotec 三缸機

當然，如果三缸機全是優點，各大主機廠也就一點不用糾結，放心大膽安排上了。但是，大家還是都有一個共同的顧慮。上期講堂也講到過，三缸機振動噪聲特性比較差，其結構特性決定了其較差的NVH特性。如果不進行改進，很難讓消費者欣然接受。那麼，到底是怎樣的結構特性決定了其怎樣的NVH特性呢？可以採用什麼辦法來改善這種狀況呢？

☆2、三缸機NVH特性為什麼比較差？

這首先得從發動機的工作原理說起。

發動機工作原理圖

我們知道，發動機（以內燃機為例進行說明）是將燃油的能量通過燃燒的方式進行釋放，其產生的動力推動活塞運動，活塞通過曲柄連桿機構推動曲軸旋轉，將動力進行輸出。

在發動機運轉的過程中，有活塞的往復運動、曲軸的旋轉運動。這中間需要依靠連桿機構進行力的傳遞。那麼問題來了，振動具體是怎麼產生的呢？為了便於大家的理解，我們先以單缸為例進行說明。

單缸發動機簡化模型

往復慣性力的大小實際上就是往復運動的質量與其加速度的乘積。其方向是與加速度方向相反的。比如，當活塞向下加速運動時（加速度方向向下），其產生的慣性力實際上是向上的。因此，想知道往復慣性力有多大，首先要知道其加速度有多大。那麼，加速度應該怎麼求呢？我們知道，加速度可以由速度求導得到。而速度又可以通過位移求導得到。因此，直接對位移求兩次導，可以直接得到加速度。而在往復運動中，活塞的位移怎麼表示呢？

上述兩部分，就是我們說的一階往復慣性力和二階往復慣性力。那麼，這裡所說的“階”代表的是什麼呢？這裡可以理解為曲軸轉一圈，力的衝擊次數。因此，我們可以看出，一階慣性力在曲軸轉一圈時，其正負號變化一次，即衝擊一次，因此稱為一階往復慣性力。而對應的二階慣性力在曲軸轉一圈時，其正負號變化兩次，即衝擊兩次，即二階往復慣性力。

三缸機結構剖視圖

好了，單缸發動機的力學分析講完了，想必理解了單缸機的激勵原理，再對三缸機的振動特性進行分析，就不難理解了。

三缸發動機曲軸旋轉慣性力示意圖，其矢量和為0

為保證均勻點火，三缸發動機曲柄夾角為120度。由於三缸發動機可看作是由三個單缸機組成，但是需要注意的一點就是，各缸之間存在一定的相位差，因此分析其激勵特性的時候必須將相位差考慮在內。

三缸發動機往復慣性力示意圖，其矢量和為0

利用上面的公式，考慮相位關係，可以計算得到三缸發動機的旋轉慣性力矢量和為0，且往復慣性力矢量和也為0（可帶入公式證明計算）。那這就意味著三缸發動機受力平衡了嗎？No。

我們知道，在對機構進行靜力學分析時，只有同時滿足合力為0且合力矩也為0時，才能判斷這個結構為受力平衡（感興趣的讀者可以閱讀理論力學靜力學部分內容）。如果受力平衡，則不會產生相應的振動問題。那麼，咱就分析分析，三缸機內部是不是力矩也平衡了？

由於各缸之間的存在距離，因此，我們以第三個缸的曲軸中心處為參考點，則可以得到由往復慣性力和旋轉慣性力引起的慣性力矩。

旋轉慣性力（用F表示）及慣性力矩（用M表示）分析圖

經過受力分析可得，雖然旋轉慣性力合力為0，但是，由於第一、二缸與第三缸之間在空間上存在距離，因此，其產生的旋轉慣性力矩矢量和並不為0。一系列計算之後，可以得到其合力矩：

注意，上述是矢量疊加，並且求的結果是矢量的絕對值。結合上面的示意圖，其實可以觀察的更明瞭。

同樣，我們前文分析了往復慣性力之和為0，那麼在往復慣性力的作用下，它們相對於第三缸的合力矩是多少呢？採用同樣的分析方法即可進行計算，這裡直接給出相應的計算結果。

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

好了，寫到這兒，三缸機受力情況已經分析明白了。總結起來，三缸機的振動主要是由旋轉慣性力矩、一階往復慣性力矩以及二階往復慣性力矩引起的。（上期講堂中，關於NVH問題的主題帖中給自己挖的坑，現在填上了……）

事情到這兒還沒完，我們講到，三缸機天生的結構特性，決定了其NVH特性相較於四、六缸機較差，工程師講究個研究，我們得拿數據說話啊。為什麼差？差在哪兒？

採用上述同樣的方法進行分析，我們可以對三、四、六缸機的受力特性進行分析，具體過程就省去了，咱們直接看對比結果：

來，咱們拿數據說話。對比三、四、六缸機受到的不平衡力和力矩可知，三缸機受到的不平衡力矩相較於四、六缸機而言，大得多。四缸機只受二階往復不平衡力。而六缸機則既不受往復慣性力和旋轉慣性力，又不受與之對應的力矩。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的NVH特性這麼差的原因。

☆3、有沒有好的解決方案？

好了，問題原因也找到了，廠家也知道其NVH特性差，但是廠家又抵不住三缸機的優勢的誘惑。怎麼辦？問題還是得解決，以迎合消費者的高標準，嚴要求啊。就目前市場應用情況來看，通用的英朗、寶馬X1、本田思域、標緻308、以及福克斯等紛紛採用了三缸機作為動力源。

從他們性能表現來看，基本都在消費者可接受範圍內，想必他們一定在三缸機的NVH調教問題上，下了一番功夫！其中，常用的三缸機NVH改善手段就是增加平衡軸的方式（當然，還有其他很多解決NVH的手段，後續的文章會繼續給大家講！）

平衡前

平衡後

是不是很神奇？簡單增加一根軸就達到了很好的效果！當然，這根軸也不是隨便加的，放幾根軸？軸要設計成什麼樣？怎麼去平衡？這都是要經過計算分析的，想要解決這些問題，必須要從問題的根源出發，找到的解決方案。那麼其具體的原理是什麼呢？針對動力總成引起的振動，其他的解決方案又是什麼呢？咱們下期講堂，不見不散！

參考文獻

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

本文作者為踢車幫 楊仕祥