工程师说 | 不要看不起三缸 狠起来要打很多人的脸的

三缸抖动已成为近几年汽车圈最为热门的话题之一。由于它的这一天性，它的发展受到很多用户的质疑。但同时，在对排放更为严格的要求下，各个品牌都在加大三缸发动机的开发力度，并通过不同的方式减少抖动给驾乘舒适性、平顺性带来的影响。

文 | Sleepy Lin

三缸机的振动是个老生常谈的问题，普通人谈虎色变，但对工程师来说，它却是个很好的设计，优缺点就不列举了。

下面先对三缸机的NVH进行一些总结。

要解决三缸机的振动，首先要说清楚三缸机振动的来源。

简单的说，可以归纳成这样：

1、发动机的做功输出，实际上是活塞的往复运动（直线上的来回），通过连杆转换为曲轴的旋转运动。

所以对于发动机内部来说，存在着旋转惯性力，和往复惯性力。

2、从发火均匀性出发，三缸机的一个循环为720°，点火间隔通常就设定为240°，但是四缸机多了一个气缸，点火更密集，每间隔180°点一次，相同的转速下，会比三缸机更平稳。

3、曲轴为什么叫曲轴?

因为它本身是轴，用于把发动机的动力输出到变速器，至于曲，则是因为除了主轴以外，还需要有连杆颈用于装配活塞连杆，确定不同气缸中活塞的相对位置，用以实现需求的发火间隔。

由于曲轴上的连杆大头等部件实际上都是旋转质量，在高速运动过程中为了达到动平衡，就需要设计平衡块与之平衡，并影响曲轴主轴承的负荷，曲轴和曲轴箱的弯曲负荷，总之，旋转惯性力的问题可以使用平衡块解决。

4、活塞和连杆的往复惯性力和力矩，分为一阶和二阶，其中三缸机的一阶、二阶惯性力是平衡的，但一阶、二阶惯性力矩均无法自行平衡，而四缸机仅仅是二阶惯性力不平衡，此处不再解释。

也就是说，三缸机与四缸机相比振动容易过大，主要的问题在于往复惯性力矩。

如下图所示，在同样的情况下，没有对平衡块进行优化设计时，发动机全负荷工作，这个效果在各个转速下可以导致噪声上升3-6dB。

而前面所提到的，三缸机点火频率低带来的扭矩波动，也将进一步加剧整个输出链的振动。

那么，三缸机的NVH目标应该如何设定呢？

既然大家习惯的是四缸机，只要三缸机能达到同级别四缸机的水平，也就足够优异了，而如果真的无法达到，适当的退让也不是不能接受，能差不多接近四缸机也可以，毕竟先天条件有差别。

要解决三缸机的NVH问题，可以从声源、传递和被动衰减三个层面出发。

声源的话……

首先因为往复力矩不平衡这个是三缸机天生的问题，既然无法直接在设计上直接避免，所以只好另生一物与之抵消。

如何抵消？

既然曲轴这么转有问题，有另一根轴反着转，岂不是刚好抵消？

是的，这个东西，就是平衡轴。

但事实上，平衡轴的设计说简单简单，这就是确定的几何运动和力学问题，说复杂也复杂，工程上的问题永远都有取舍，你明明知道完全解决这个问题的途径，可是你偏偏只解决了一半，原因只有一个------为了在其他方面得到更多。

增加平衡轴意味着整个系统的复杂程度上了一个台阶，运动关系、力学关系都是，哪怕是缸体或者机舱都要为此留足空间，而原本其他零件的空间如今被平衡轴霸占，就需要有另外的考虑，问题都是环环相扣的，最后还涉及到成本的上升。

一根平衡轴还无法完全解决三缸机的问题，一组平衡轴可能会在其他地方遇到问题，那么，只解决掉70%或者80%的振动，其他的部分另行考虑可好？

其他的部分是什么呢？

好了……我啰嗦了1200字终于回到了这个主题，但你们已经明白这个思路是怎么样的了。

其他还有什么办法？

从源头上灭掉这个振动，可以在曲轴的设计上下功夫，比如平衡重多预留一些余量，多包含的质量可以变形认为也是一根平衡轴。相反的，活塞连杆是不是可以做减重呢？

在曲轴活塞以外，还可以使用减震皮带轮。这种带轮一般分为内外两个金属层，以及中间的橡胶层。

应用上很好理解，曲轴的动力传输到内圈，内圈通过橡胶层减震后再把动力传输给外层，从而过滤掉一部分振动，当外层继续将动力传递到水泵、压缩机等附件上时，就会好得多。

再就还有双质量飞轮。从发动机到变速器的输出，从刚性变成了柔性，其实和减震皮带轮有点类似，飞轮也分成两块，但中间依靠的是弹簧。

一般弹簧分成软、硬两级。

一级飞轮旋转时，旋转力开始压缩弹簧，压缩到一定程度时，弹簧把力传递给二级飞轮，不同的扭矩波动，弹簧就以不同的压缩量来应对，特别是在工况切换的瞬态过程，抖动的发生可以被柔性的弹簧吃掉。

其他零部件的优化还有很多，NVH的性能和零部件需求总是一步步往下分解的，比如轴瓦、主轴承盖等等零部件的改善，可以相应的减小各个部位的噪声。

但这个总体来说是共性的，不仅仅是三缸机在使用的降噪技术，在四缸机上也很常见，可是减震皮带轮、双质量飞轮和平衡轴，对三缸机来说意义更大一些。

至于声音的传递路径，在整车上，发动机是主要声源，通过悬置将振动传递给车身，悬置就起到一个扩音器（发生共振），或者是消音器（隔振）的作用。

要设计一个好的悬置，需要能够在各个阶次的模态上避开发动机的共振区间。

可以这么说，能够引起你共鸣的不可能只有一首歌，可能是几十首，但这几十首有大众的有小众的，我们常说的共振，实际上是你最容易听到的那首歌而已。

一个物体的共振频率其实有很多，遇到每个特定的频率时，它会被激励出不同的运动形态，也是如此。

在设计悬置时，我们考虑的是，尽可能避开影响最大的那几个频率。

理论上四缸机也有相同的情况，但这里有两个问题：

一个是功率实际上与扭矩转速成正比，三缸机天生缺一缸，为了达到相同的功率，额定转速可能要比四缸机略高一些，比如四缸机额定转速是5500rpm的话，三缸机可能就要到6500rpm。

二是前面提到的相同转速下，点火频率不同的问题，三缸机在这里的设计上有其特殊性，另外一位知友也已经提到了。

当然，关于模态，悬置只是比较典型的一个零件，包括其他种种结构件，比如形形色色的支架、车身，都可以作为传递路径存在，那么都有这个优化过程。

再还有标定上的优化，一个是发动机本体的标定，比如适当推迟点火提前角，降低缸内爆发压力，从而减小燃烧噪声，但是这个策略的后果是性能的变化和油耗的升高，需要在三者之间得到折中。

还有就是整车上的匹配标定。比如下图是一台三缸机+CVT的整车匹配标定map，APS是指油门传感器，优化后booming可以有7-8db的降低。和前面一样，四缸机也一样有这些过程，但三缸机有其特殊性。

最后是一些被动性的，让声音衰减的方法。也就是，实在无法从源头上消灭的，就掩耳盗铃吧！这就很好理解了，发动机的装饰罩盖啊，车门上的密封条啊啥的……大家都懂的了。

什么？常见的三缸机有啥？都用了啥？还要我举几个例子？

好好……

比较常听的一般是福特ecoboost1.0TGDI，宝马1.5T，还有标致PSA 1.2THP，就以PSA1.2T为例，除了平衡轴外，也用到了前面提到的双质量飞轮、减震皮带轮，其他的还有浸油式皮带（正时皮带经过机油润滑冷却后可静音）+集成排气歧管（可降低排气系噪音）+非圆正时齿轮（可降低正时系统振动），等等。

三缸机用于改善NVH的技术海了去了，当然就是和前面提到的一样，其实这些技术在四缸机上一样也用，只是三缸机有其特殊性，要求更高就是了，不要看三缸机少了一个缸省成本，基于当前的市场需求，三缸机的优势注定其在未来三五年内，只会多不会少，而要在NVH上达到和四缸机一样的效果，需要投入更多的技术来解决，并不是所谓的廉价方案。

总结一下，不要看不起三缸机，狠起来它要打很多人的脸的。