「心动系列2」爱必深爱：大众VR机型深度解析@Zme梦儿

VR6
大众最著名的引擎之一
无数人的心头好
也是「动力总成CAE工程师，小姐姐Zme梦儿」的心头好
而VR6究竟好在哪
让我们跟着她的步伐
一点点去剖析
著名的VR6
Author / Zme梦儿
大众的VR发动机（V代表气缸间有夹角，R是德语”直列“的首字母），是一款有着空间优势巨大但极小V角的发动机。
这也是一个有信仰加成的机型，虽然不是大众先有，但是大众将其推到了神机的高度，引得无数车迷尽折腰，其中，尤以VR6为最，它让一辆A级小车拥有六缸成为了现实，而高尔夫就是这个代表。
我们知道，R系列在大众车型中是性能车的代名词，也是大众运动部门的作品，当年打响R标的，是高尔夫R32，后面的32，代表3.2升排量。
虽然不是第一辆用VR6的车型，也不是第一辆用VR6的高尔夫车型，但是是第一辆真正意义上搭载VR6的高性能版高尔夫车型。
目前，高尔夫R是最高级别的高尔夫车型，不过已经绝版的高尔夫R32，才是很多车迷心中高尔夫的精神图腾。
之后出来的帕萨特R36（3.6升排量，以欧版命名为主），在国内的叫法更是被省掉了车型名字，很多人直接用R36来代替，可见R标VR6的信仰值之高。
旅行版更是莫名火过了三厢版，估计还是因为三厢太像国内的迈腾了，不够独特，国内很多人对旅行车的情怀可能也是从R36开始的。
网上已经有不少文章去介绍这个VR机型，但有些问题讲的比较笼统或是有误，所以今天就让我从VR发动机的结构中，给大家读取一些并不广为人知的信息。
文章很长，分上下两篇，大家可以带着下面的问题来看这篇文章：
1、VR这种特殊的结构，优缺点有哪些？除了网上说的一些外，还有什么隐藏在结构中的秘密吗？

2、都说VR有着一些V和L的优点，但是到底是谁的优点？有说平顺性比V差的，有说平顺性跟L一样的，到底真相如何？
 一、尺寸 
下面这张图本身是对比VR5和L5，假设以此两机为基础做下单缸缸径不变的拓展，我们可直观的看到VR机型相比直列多缸机来说，在曲轴方向空间上的优势是非常明显的：
VR5与L4相当，VR6比L5更短，但是会比L4长点，当然在横向比短，国内被打趴在地上的L3表示要站起来吃个鸡，什么鸡？你们都是辣鸡……
所以当小排量发动机与涡轮搭配日益成熟，排放要求日益苛刻，VR机型在动力输出和空间上相比更少缸数的直列发动机已经优势不在，自然在B级车以下的市场就被L4挤走了。
 二、进化潜力 
不过VR机型的巅峰并不是其本身，而是它继续进化成了W8、W12和W16，这就是第二个被广泛提到的优点。
让大众独占了地表最大缸数车用发动机，想当年汽车电影还盛行的时候，非常人贩2里面那辆奥迪A8 W12还是给我幼小的心灵留下了惊艳的身影，怎么让一辆外形极其低调的D级车去吸引年轻客户，不得不说以前的汽车广告是又烧钱又强大。
而用了W16的布加迪也在顶级豪车的世界中占稳了地位，大部分国人都不知道布加迪之前是干嘛的，只知道布加迪是大众旗下最高价格的跑车，大众不需要宣传布加迪被收购前是怎样的豪门，而是让所有人知道了，背靠大众的布加迪就是真豪门。
本身W型发动机我就不多做展开了，就讲一个有意思的点，在VR结构的W12出现前，也是有W12存在的，那这个W12是啥样子的呢？
这三张图就是在VR结构出来之前的W12结构样子，每列四缸，曲轴结构跟L4类似，曲柄间180度夹角，一个曲柄销上面连三个连杆，如图所示有两个V角，分别为60度和65度，3列一共12缸。
一直到大众的W12出来前，70年间都没有再真正意义上出现过W12，曾经有人建议F1用，但是没有变成事实，这么多年的空缺，原因应该还是老结构太大了。
而上面这个，就是由两个VR6组成，中间大V角为72度的W12，再来感受下下图中W16的大小。
 三、成本 
第三个优势，是成本。
这里说的是材料成本，而不是研发成本，而且这个节省成本也是相对来说的，相比V6，VR6只用一个缸盖，一套进排气凸轮轴，一套进/排气歧管等，与直列类似。
比如下面这个设计，一根凸轮轴控制两排气缸，非常巧妙：
 四、平顺性 
第四个优势，就是说搭载VR车型的平顺性了（主要指VR6）。
发动机本身没有“平顺性”这个概念，所以如果形容的是行驶舒适性，那这个平顺性是评价整车的，不等同于评价发动机，当然，发动机是影响其较大的一项。
接下来，我们来分析下VR发动机的本身的结构对振动的影响。
这个“平顺”，是与V6和L6来比较，根据之前我写的介绍阿尔法罗密欧四叶草专用的V6T发动机可知，V6本身结构会带来一些振动问题。
点击下图阅读上期内容

大家印象里觉得V6稳，行驶平顺可能只是因为很多V6发动机用在一些舒适向的豪华车上，这些车的整车NVH表现的非常好，就让大家误以为V6本身应该就很“平顺”。
所以，说VR6表现的“平顺”的话，不是因为跟V6像，而是因为偏向L6的原因。
上一篇文已讲到过，L6惯性力和力矩全平衡，其点火均匀，点火间隔120度，点火阶次比较高，其结构在抑制振动方面的确比较完美，那VR6也这么完美吗？
还是从惯性力/力矩和点火两个方面分开来分析。
首先，惯性力/力矩，VR机型多的那个小V角，虽然小，但依旧带来了惯性力/力矩的不平衡，对VR6来说，其有残留的一阶/二阶惯性力矩不平衡。
而VR5，更是从力到力矩的一/二阶都不平衡，这里再提一个之前没有说明确的点，一阶力/力矩包含旋转惯性力/力矩（主要由曲轴曲柄、曲柄销、连杆大头组成）和往复惯性力/力矩（主要由活塞总成、连杆小头组成），二阶只有往复惯性力/力矩。
我们来看下面这个表格，为了标准化方便对比，表格里的数值代表单位排量的惯性力/力矩大小：
表格数据对比了VR5/6和L4/5还有点火均匀的V6-90度的惯性力/力矩，可见，相比V6来说，VR6的一/二阶惯性力矩的确小一些。
而VR5，因为又是奇数缸，又有V角，所以相比L5来说，除了惯性力矩，惯性力也有不平衡出现。这么一看，这VR机型在这块的表现没什么太好的嘛，根据我目前看到的信息和拆解图片，VR5和VR6在优化不平衡力/力矩上都没有使用平衡轴的方法。
也就是说，现有的不平衡力或力矩，可能没有哪个是被完全消除掉的。
看到这里，先别急着否定，在上一篇文章中，我没有讲这点，平衡轴可以针对某一阶不平衡力/力矩作完全抵消，但是很多时候，因为成本、空间、性能等等原因，其实车企不太会去大量用平衡轴。
下面我们就以VR机型为例，来看下除了平衡轴，发动机本身的主体结构设计中还有什么方法可以去减弱这些不平衡力/力矩的影响。
1、对VR机型来说，减小V角
明显跟L6越相近，就越能减小不平衡力/力矩。最老的VR的V角都是15度，现在都是10度左右，也有这方面的考虑在。
2、选择合理的点火顺序
缸数越多，点火顺序的选择也会越多，点火顺序也会影响不平衡力/力矩的大小（计算惯性力/力矩时不同的点火顺序会影响各缸曲柄夹角的确定），所以确定点火顺序也需要考虑这块因素。
3、减小旋转/往复零件质量
如字面意思，不多加解释。
4、增加曲轴平衡块质量
这个几乎是所有有一阶不平衡惯性力矩的发动机都能用的一种方法，也是大部分车企的惯用手法，这个方法能抵消一阶中的旋转惯性力/力矩，但是一阶残余的往复惯性力矩就只能转移，不能消除，而且只对一阶能用，二阶没法用。
因为二阶是曲轴的两倍转速，这个多余的质量是加在曲轴上，只能跟曲轴转的一样，没法比曲轴转的快一倍，去削弱二阶的不平衡力/力矩。
所以，有二阶不平衡力/力矩的，曲轴设计上没法顾及了，要消除只能加平衡轴，在上面这个表格中可见，L4在二阶的不平衡惯性力数值上相比其他几个还是挺大的。
在具体讲这个方法到底怎么用之前，我们再来补充一点概念，我在网上看到了一张讲飞机姿态的图，发现发动机也能用，我把飞机替换成了发动机，来看下：
英语中飞机这些pitch/yaw/roll力矩与发动机一样，中文翻译会有些差异，飞机上一般称为：俯仰/偏航/滚转力矩，发动机上一般称为：俯仰/偏摇/倾覆力矩。
这些力矩是发动机的气体压力和惯性力引起的，只关注不平衡惯性力/力矩影响的话，就聚焦pitch俯仰和yaw偏摇力矩。
我们看图中蓝色箭头的力，这个就是往复惯性力的方向，其组成的力矩主要就是pitch力矩，这个力矩会让发动机有竖直方向的振动，是需要消除或优化的，这个时候，曲轴平衡块就可以用上了。
曲轴平衡块在消除掉旋转惯性力/力矩后，继续增加质量，去减小蓝色的这个往复惯性力/力矩，但是，这个方法是不能消除一阶往复惯性力/力矩的，只能转移，也就是减小了蓝色的力/力矩，但会增加绿色的力/力矩，把pitch力矩转移成yaw力矩，还是拿上次的文章里的动图来解释下：
曲轴平衡块跟着曲轴旋转，同时产生竖直和水平的分量，往复运动只是竖直的量，也就是用旋转的力/力矩去优化竖直方向的/力矩，虽然竖直方向的可以减小或消除，但是水平方向的会等值增加，相当于是把竖直方向的力/力矩平移到了水平方向。
yaw力矩会引起水平的振动，但是水平方向上底盘和悬架要比竖直方向刚度大，所以把pitch力矩转移成yaw力矩可以有效减少振动抱怨。
这个，就是曲轴加平衡块优化一阶力/力矩法，基于我目前得知的有限的信息，国外大部分车企使用这个方法比用平衡轴的概率大得多，为什么只说国外？因为毕竟国内四缸就是大排量了嘛，而且四缸不平衡力出现在二阶，没机会用，也只有三缸能用用。
但是国内客户对三缸敏感到神经质的状态，所以国内有些车企的有些产品即使自己评估已经觉得振动可以接受，但为了整车的NVH水平做到甚至超过某些四缸车型，平衡轴也是一定会加上的。
所以不爱用平衡轴估计还是基于空间、成本、性能等的考虑，而且，去100%转移pitch力矩的，也是不多的，这样会使得平衡块比较大，在成本、重量、空间等方面也会有取舍。
也就是说，有些机型即使结构优化完了依旧会有残余的一阶不平衡力矩。
那有多少发动机可能会用这个方法呢？
我们就来列一下：L3/L5/V6/VR5/VR6/V8十字曲轴/V10，是的，你没看错，这些发动机都有一阶不平衡往复力矩，VR机型组成的W12和W16我没有计算验证过，但根据VR机型的结构特点，估摸也是有的。
VR发动机是否可以均匀点火呢？明天我们再来接着说。
To be continued...
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