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三缸,想说爱你是不是并不容易的事?

2019年02月22日 17:38:19
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来源:踢车帮



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上期讲堂给大家讲了汽车的NVH特性到底是怎么一回事。文中提到了三缸机的NVH特性较差的问题,这一期讲堂,就给大家详细的分析一下,到底是怎样的原理导致它的NVH特性会比常用的四、六缸发动机差?主机厂又是使出了什么招数,让消费者坦然接受的呢?来,咱继续说!

☆1、三缸机为啥火了起来?

在排放要求日益严苛的汽车行业,各大厂商可谓是使出浑身解数。纯电动、混动、轻量化设计等手段层出不穷。其中,有一个比较重要的手段是将原来的多缸发动机替换成现有的一点几升的三缸机。首先就有一个问题,放着好好的四缸机不用,主机厂为什么开始热衷于使用三缸机了呢?

第一,成本低:“啊~~三缸,你比四缸少一缸!”大家还真不要小瞧少的这一缸,这会直接减小其加工难度,降低其制造成本,使得整车的价格也会随之降下来。在各大厂商都在追求降成本的今天,采用三缸发动机无疑是一个很好的选择。

第二,排放小:从发动机结构来看,经过众多“攻城狮”们的试验验证,对于一般的四缸机而言,0.5L的单缸排量可以保证其具有较好的燃烧效率。三缸发动机的最优单缸排量一般为0.33L-0.5L。因此,目前常用的三缸机主要有1.0T、1.2T、1.3T以及1.5T。相比动辄3.0的V6而言,其排放少、油耗小,且对于小型车型,动力性足以满足要求。

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ZEOD RC 油电混合赛车

第三,重量轻:少了一个缸,整体尺寸变小,其重量自然降低。2014年的勒芒24小时耐力赛上,NISSAN派出了ZEOD RC 油电混合赛车原型机[1]。值得一提的是,其搭载的三缸发动机重量仅为40Kg,最大可输出400马力,380牛米的动力。其性能可见一斑!

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ZEOD RC上搭载的三缸发动机

而其整体长宽高尺寸仅为0.4m*0.2m*0.5m。这样的精巧的结构安装到车上,不仅占用空间小,而且其重量轻,也非常有利于整车的轻量化设计。

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重量仅为40Kg

第四,效率高:少了一个缸,使其摩擦损失,泵气损失和热损失等都相对降低,三缸机整体的效率也得到了一定的提升。如GM新一代Ecotec系列三缸机在摩擦功损失方面相比四缸机降低了10%-15%。

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GM Ecotec 三缸机

当然,如果三缸机全是优点,各大主机厂也就一点不用纠结,放心大胆安排上了。但是,大家还是都有一个共同的顾虑。上期讲堂也讲到过,三缸机振动噪声特性比较差,其结构特性决定了其较差的NVH特性。如果不进行改进,很难让消费者欣然接受。那么,到底是怎样的结构特性决定了其怎样的NVH特性呢?可以采用什么办法来改善这种状况呢?

☆2、三缸机NVH特性为什么比较差?

这首先得从发动机的工作原理说起。

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发动机工作原理图

我们知道,发动机(以内燃机为例进行说明)是将燃油的能量通过燃烧的方式进行释放,其产生的动力推动活塞运动,活塞通过曲柄连杆机构推动曲轴旋转,将动力进行输出。

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在发动机运转的过程中,有活塞的往复运动、曲轴的旋转运动。这中间需要依靠连杆机构进行力的传递。那么问题来了,振动具体是怎么产生的呢?为了便于大家的理解,我们先以单缸为例进行说明。

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单缸发动机简化模型

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往复惯性力的大小实际上就是往复运动的质量与其加速度的乘积。其方向是与加速度方向相反的。比如,当活塞向下加速运动时(加速度方向向下),其产生的惯性力实际上是向上的。因此,想知道往复惯性力有多大,首先要知道其加速度有多大。那么,加速度应该怎么求呢?我们知道,加速度可以由速度求导得到。而速度又可以通过位移求导得到。因此,直接对位移求两次导,可以直接得到加速度。而在往复运动中,活塞的位移怎么表示呢?

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上述两部分,就是我们说的一阶往复惯性力和二阶往复惯性力。那么,这里所说的“阶”代表的是什么呢?这里可以理解为曲轴转一圈,力的冲击次数。因此,我们可以看出,一阶惯性力在曲轴转一圈时,其正负号变化一次,即冲击一次,因此称为一阶往复惯性力。而对应的二阶惯性力在曲轴转一圈时,其正负号变化两次,即冲击两次,即二阶往复惯性力。

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三缸机结构剖视图

好了,单缸发动机的力学分析讲完了,想必理解了单缸机的激励原理,再对三缸机的振动特性进行分析,就不难理解了。

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三缸发动机曲轴旋转惯性力示意图,其矢量和为0

为保证均匀点火,三缸发动机曲柄夹角为120度。由于三缸发动机可看作是由三个单缸机组成,但是需要注意的一点就是,各缸之间存在一定的相位差,因此分析其激励特性的时候必须将相位差考虑在内。

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三缸发动机往复惯性力示意图,其矢量和为0

利用上面的公式,考虑相位关系,可以计算得到三缸发动机的旋转惯性力矢量和为0,且往复惯性力矢量和也为0(可带入公式证明计算)。那这就意味着三缸发动机受力平衡了吗?No。

我们知道,在对机构进行静力学分析时,只有同时满足合力为0且合力矩也为0时,才能判断这个结构为受力平衡(感兴趣的读者可以阅读理论力学静力学部分内容)。如果受力平衡,则不会产生相应的振动问题。那么,咱就分析分析,三缸机内部是不是力矩也平衡了?

由于各缸之间的存在距离,因此,我们以第三个缸的曲轴中心处为参考点,则可以得到由往复惯性力和旋转惯性力引起的惯性力矩。

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旋转惯性力(用F表示)及惯性力矩(用M表示)分析图

经过受力分析可得,虽然旋转惯性力合力为0,但是,由于第一、二缸与第三缸之间在空间上存在距离,因此,其产生的旋转惯性力矩矢量和并不为0。一系列计算之后,可以得到其合力矩:

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注意,上述是矢量叠加,并且求的结果是矢量的绝对值。结合上面的示意图,其实可以观察的更明了。

同样,我们前文分析了往复惯性力之和为0,那么在往复惯性力的作用下,它们相对于第三缸的合力矩是多少呢?采用同样的分析方法即可进行计算,这里直接给出相应的计算结果。

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又看到了熟悉的一阶、二阶分量。也就是说,这儿的往复惯性合力矩也是包含一、二阶成分的。

好了,写到这儿,三缸机受力情况已经分析明白了。总结起来,三缸机的振动主要是由旋转惯性力矩、一阶往复惯性力矩以及二阶往复惯性力矩引起的。(上期讲堂中,关于NVH问题的主题帖中给自己挖的坑,现在填上了……)

事情到这儿还没完,我们讲到,三缸机天生的结构特性,决定了其NVH特性相较于四、六缸机较差,工程师讲究个研究,我们得拿数据说话啊。为什么差?差在哪儿?

采用上述同样的方法进行分析,我们可以对三、四、六缸机的受力特性进行分析,具体过程就省去了,咱们直接看对比结果:

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来,咱们拿数据说话。对比三、四、六缸机受到的不平衡力和力矩可知,三缸机受到的不平衡力矩相较于四、六缸机而言,大得多。四缸机只受二阶往复不平衡力。而六缸机则既不受往复惯性力和旋转惯性力,又不受与之对应的力矩。因此,其NVH特性最好。

So,这也就从理论上合理的解释了三缸机的NVH特性这么差的原因。

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☆3、有没有好的解决方案?

好了,问题原因也找到了,厂家也知道其NVH特性差,但是厂家又抵不住三缸机的优势的诱惑。怎么办?问题还是得解决,以迎合消费者的高标准,严要求啊。就目前市场应用情况来看,通用的英朗、宝马X1本田思域标致308、以及福克斯等纷纷采用了三缸机作为动力源。

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从他们性能表现来看,基本都在消费者可接受范围内,想必他们一定在三缸机的NVH调教问题上,下了一番功夫!其中,常用的三缸机NVH改善手段就是增加平衡轴的方式(当然,还有其他很多解决NVH的手段,后续的文章会继续给大家讲!)

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平衡前

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平衡后

是不是很神奇?简单增加一根轴就达到了很好的效果!当然,这根轴也不是随便加的,放几根轴?轴要设计成什么样?怎么去平衡?这都是要经过计算分析的,想要解决这些问题,必须要从问题的根源出发,找到的解决方案。那么其具体的原理是什么呢?针对动力总成引起的振动,其他的解决方案又是什么呢?咱们下期讲堂,不见不散!

参考文献

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

本文作者为踢车帮 杨仕祥

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