【视频】(Engine Unbalance) 发动机不平衡三缸机VS四缸机-NVH攻城狮在动力总成的NVH问题中，发动机的平衡是非常重要的一环。但是关于它却有一些误解。本?

【视频】(Engine Unbalance) 发动机不平衡三缸机VS四缸机-NVH攻城狮
在动力总成的NVH问题中，发动机的平衡是非常重要的一环。但是关于它却有一些误解。本文将通过机构的简化，公式的运算及曲线展示，力求厘清一些模棱两可的概念死亡进化。所有讨论基于以下坐标系(平动 Fore/Aft, Lateral and Bounce, 转动Roll, Pitch and Yaw)。

曲柄连杆机构_往复和旋转
我们都熟悉发动机的结构和工作过程，这里放一张GIF再次做一下说明（1吸气2压缩3点火4排气）。首先厘清第一个概念:点火冲程导致的扭矩不恒定，也即扭振。关于这一点，我在文章汽车扭振(Torsional Vibration)已有阐释，可戳链接查看。由于点火造成的扭振和我们下文涉及到的二阶惯性力阶次一致(针对四缸机来说)，所以容易造成混淆。在此特别强调，点火导致的扭振和本文我们所讲的发动机平衡不是一回事！*实际物理上不存在“惯性力”及“离心力”，但使用它们并不影响实际结果，为方便分析本文都采用此称谓*

从动图可以得知，发动机的核心是曲柄连杆结构，动能由活塞的往复式运动转换为曲柄的旋转运动。而此曲柄连杆机构就是发动机不平衡的所有来源。
我们可以看到连杆大头和飞轮连接，做往复运动；连杆小头和活塞连接李尚恩，做直线往复运动；而连杆杆身比较复杂，既有往复直线运动，也有旋转运动。为简化分析，我们一般将连杆的一部分质量视为纯旋转运动，另一部分视为纯直线运动。


旋转运动(Roll)产生的不平衡在本文我们称之为转动不平衡；由直线往复运动(Bounce)产生的不平衡在本文我们称之为往复不平衡。由于不同的发动机类型往复不平衡相差比较大，所以其将是本文的分析重点。往复惯性力_一阶和二阶
为简化分析，我们将活塞-连杆-曲柄结构简化为下图。曲柄旋转中心为O，旋转半径为r，旋转角速度恒为w匈奴大帝，活塞中心到旋转中心长度为x，曲柄旋转角度上止点为0，以逆时针旋转分析，方向O至P为正。

下面进行一些数学运算，我们以P距离O的长度x为计算基础卧底48天 ，依次算出位移x，速度v，加速度a.



在加速度计算公式中，and都太小了，可以直接忽略掉(下文有误差说明)。最终我们得到如下公式：

至此，我们得到了最终的加速度公式（乘以往复质量也即直线往复惯性力）垕怎么读。从中我们可以得到什么呢？明显的一阶惯性力因子cos?以及二阶惯性力因子cos2?.同时我们可以看到惯性力随转速升高而增大(w^2)日晷之梦， 而点火引起的扭振是随转速升高而降低。
n取4，我们将实际加速度帝王蛇蜥，简化得到的加速度以及一阶加速度和二阶加速度用曲线表示如下。

前面我们也说过了，最终的公式我们忽略了几项影响比较小的因子，而简化后的数据和实际的数据误差非常烧伤面积计算小，在工程上我们可以忽略不计。那么简化后的公式中除了一阶惯性力和二阶惯性力之外，其余皆为常数。所以关于发动机的往复惯性力，我们完全可以只分析一阶惯性力和二阶惯性力吴亦凡草粉。四缸机和三缸机
以上是理论分析美味天王，这一节我们看它们如何应用到具体的发动机上。近些年不少主机厂的新车型都采用了三缸机，很多人对三缸机的NVH问题深有疑虑。那么三缸机的NVH挑战到底在哪里？ 下面我们就对传统的直列四缸机和直列三缸机的不平衡做一下对比分析。
首先我们来看四缸发动机，四缸发动机的点火顺序1-3-4-2，平均点火间隔为180度。通过上一节的公式，乌丸莲耶 我们可以得知一阶往复惯性力完全抵消，合力为零。而二阶往复惯性力则得到了增强。具体见下图。



对于三缸机来说，点火顺序为1-3-2，平均点火间隔为240度。同样通过公式计算，我们可得知三缸机的一阶往复惯性力合力为零，同样二阶往复惯性力合力同样为零，是不是有点吃惊呢？那这样是不是就意味着三缸机的平衡性要比四缸机要好呢？并非如此。


上面三缸机的图从主观感觉还是有点“不平衡”，其实是存在惯性力矩。我们看四缸机的一阶惯性力，缸1和缸4惯性力方向相同，缸2和缸3惯性力方向相同。但三缸机就不同了，缸1和缸3惯性力方向相反，这会带来什么问题乌丸莲耶？转动！用图或公式不好演示，直接上视频。

三缸机的一阶，二阶惯性力合力是零，但会产生Pitch转动(如果我们再考虑转动不平衡，还会有Yaw)，这是三缸机天然带来的不平衡。
针对这些不平衡一般有什么措施呢？平衡轴是一个选项。既然四缸发动机存在二阶惯性力，那么我们就增加转速两倍于曲轴的平衡轴。而三缸发动机的平衡轴在上面视频最后有展示，主要来抑制往复不平衡带来的Pitch转动。当然平衡轴会带来额外能量的损耗，所以也有厂家通过飞轮及皮带轮的设计来抑制不平衡。
小结
总结一下，本文关于发动机的平衡着重分析了以下几点：
发动机的核心机构是曲柄滑块机构，我们将其带来的不平衡分为往复不平衡和旋转不平衡。
由于曲柄滑块机构的天然特点，我们将往复不平衡分解为一阶惯性力和二阶惯性力。
不同的发动机型号不平衡特点并不一致，我们以直列三缸机和四缸机为例进行了探讨。只能说各有优劣，在平衡方面，四缸机也并没有必然的绝对优势。
最后变身西装，本文已多次提及发动机的不平衡要和点火引起的扭振区别开，两者不是一回事宋茜昌珉。三缸机从天然的不平衡角度看并没有明显比四缸机差，但是三缸机对比四缸机最主要的问题在于点火间隔角度大（240度VS180度），同转速下三缸机的点火频率要比四缸机小，由此带来的扭振是最需要关注的问题。
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参考文献
1.Tony Foale. Some science of balance.

全文详见：https://6596.org/12751.html

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