Поперечная плоскость

Крестовина с углом 90° (фаза вращения кривошипа ) или крестовина — коленчатого вала конструкция поршневых двигателей между ходами кривошипа. Коленчатый вал с поперечной плоскостью - самая популярная конфигурация, используемая в дорожных автомобилях с двигателем V8. .

Помимо уже упомянутого двигателя V8, другие примеры конфигураций, использующих такие фазы поршня под углом 90°, включают рядный 2 , рядный 4 , V2 и двигатели V4 .

Коленчатые валы с поперечной плоскостью можно было бы использовать со многими другими конфигурациями цилиндров, но описанные ниже преимущества и недостатки могут не относиться ни к одному из них, ни ко всем и должны рассматриваться в каждом конкретном случае.

3D-модель коленчатого вала в поперечной плоскости, демонстрирующая угол 90 градусов между ходами кривошипа.

Крестовина коленчатого вала V8

Коленчатый вал Форд V8

Дизайн

Наиболее распространенный коленчатый вал с поперечной плоскостью для двигателя V8 с углом поворота 90 ° имеет четыре шатунных шейки , каждая из которых обслуживает два цилиндра на противоположных берегах, смещенных на 90 ° от соседних шатунных шеек. Первая и последняя из четырех шатунных шеек расположены под углом 180° друг к другу, как и вторая и третья, причем каждая пара расположена под углом 90° к другой, так что, если смотреть с конца, коленчатый вал образует крест.

Таким образом, шатуны находятся в двух плоскостях, пересекающихся под углом 90°, отсюда и название «перекрестная плоскость» . Коленчатый вал V8 с поперечной плоскостью может иметь до девяти коренных подшипников в случае восьмиходовой конструкции и обычно имеет пять подшипников, поддерживающих четыре хода каждый с общей шатунной шейкой.

Конструкция поперечной плоскости была впервые предложена в 1915 году и разработана компаниями Cadillac и Peerless , которые производили двигатели V8 с плоской плоскостью, прежде чем представить конструкцию поперечной плоскости. Cadillac представил первый кроссплан в 1923 году, а Peerless последовал за ним в 1924 году.

Баланс и плавность

Крестообразный двигатель V8 был разработан для обеспечения более плавной работы двигателя, чем это возможно при плоской конструкции. Поскольку четыре поршня останавливаются и стартуют одновременно в одной плоскости в обоих рядах, силы второго порядка, присущие плоской конструкции, складываются и становятся заметными в двигателях большого объема. Каждый блок двигателя с поперечной плоскостью имеет четыре отдельные фазы поршня, которые полностью нейтрализуют свободные силы второго порядка, оставляя лишь незначительные вибрации из-за изменения массы компонентов во время производства.

Тем не менее, расположение конечного и среднего хода шатуна на 180° действительно приводит к парному раскачиванию первичной (скорости коленчатого вала) , чему в случае с V-образным углом 90° можно противодействовать путем соответствующего утяжеления коленчатого вала, во многом как у V-образного двухцилиндрового двигателя. Для других V-образных углов обычно требуется балансирный вал , чтобы обеспечить плавность хода.

Из-за тяжелых противовесов на каждом ходу кривошипа большинство двигателей V8 с поперечной плоскостью имеют очень тяжелые коленчатые валы, а это означает, что в целом они не так свободно вращаются, как их плоские аналоги. Ранний Chrysler Hemi V8 имел тяжелые противовесы, но две средние позиции по обе стороны от центрального коренного подшипника (третья из пяти основных) не имели противовеса. Поскольку эти положения расположены близко к центру двигателя, они в меньшей степени способствуют противодействию любым раскачивающим движениям - отсюда и использование внешних балансировочных грузов (например, в переднем шкиве кривошипа), которые требуют меньше дополнительной массы для того же эффекта балансировки.

К сожалению, неравномерность зажигания в каждом ряду (см. ниже), а также сами фазы поршня 90 ° способствуют заметному скручиванию коленчатого вала - именно по этой причине на перекрестных двигателях V8 установлены массовые демпферы настроенные . , опять же обычно на свободном конце коленчатого вала. Coventry Climax обнаружила, что достаточно короткоходной плоский двигатель работает более плавно и мощно при более высоких оборотах, вероятно, отчасти из-за относительного отсутствия крутильных вибраций, и перешла на эту конструкцию со своим Mk.III FWMV в 1963 году. BRM изготовила этот двигатель. тот же переключатель примерно в то же время, и это перенесено на их автомобиль P261 F1 1964 года.

Интервалы стрельбы

Четырехтактные двигатели V8 с поперечным расположением цилиндров имеют интервалы зажигания даже 90 градусов, но схемы зажигания внутри каждого ряда цилиндров расположены неравномерно .

Порядок зажигания на левом и правом рядах обычно следующий: LR LL R L для RR или RL RR L R LL , при этом каждое зажигание «L» или «R» разделяется поворотом кривошипа на 90°, что в сумме составляет 720° восемь возгораний. Как можно увидеть, посчитав четыре символа справа от каждой буквы «L» или «R» (4 x 90 ° = 360 °), цилиндры, которые срабатывают (и, следовательно, выхлопывают) при разнице фаз 360 °, расположены в противоположных рядах в поперечная плоскость V8.

Реальные интервалы в каждом ряду составляют 180-90-180-270 градусов коленвала, в разном порядке в зависимости от двигателя, а не обычно в одном и том же порядке в каждом ряду. Точные комбинации зависят от «руки» коленчатого вала, направления вращения и того, какая из 360-градусных пар зажигается первой по порядку.

1963 г. БРМ П578 с отдельными выхлопными трубами.

Это современная, менее извилистая уличная версия выхлопной системы кроссовера Ford GT40.

Звук

Характерный «журчание» перекрестного V8 обусловлено конструкцией выпускного коллектора, которая для удобства обычно объединяет все четыре выпускных отверстия на каждом ряду из четырех цилиндров в один выход. Это подчеркивает описанную выше закономерность, иногда описываемую как «картошка-картошка», имитирующую чередующийся последовательный интервал и более длинный промежуток.

Конкретный порядок зажигания двигателя и конфигурация выхлопа могут привести к небольшим изменениям, которые могут быть заметны или незаметны для энтузиастов.

Другие звуки возможны при тщательной группировке импульсов выхлопа, но требования к упаковке (пространству) обычно делают это невозможным в дорожных машинах.

Двигатель NASCAR V8 с выхлопом Tri-Y.

Тюнинг

Напомним, что даже пары зажигания расположены в противоположных берегах, поэтому длинные выхлопные трубы одинаковой длины . для объединения этих пар и достижения равномерной продувки необходимы

Один из самых ранних примеров такой настроенной выхлопной системы для кроссплана V8 был установлен на 1,5-литровые двигатели Coventry Climax FWMV Mk.I и Mk.II в начале 1960-х годов - было известно, что они мешали обслуживать сам двигатель. , однако.

Многие гоночные двигатели V8 с поперечной плоскостью (например, Ford 4.2L DOHC V8 для гонок Indy) имели выпускные каналы на внутренней стороне угла V, чтобы сделать длину выхлопных труб короче и облегчить их слияние, не вызывая проблем с компоновкой. Ford GT40 прославил концепцию серийного двигателя V8 благодаря тщательно продуманному расположению длинных выхлопных труб, получившему прозвище «Пучок змей». Такие системы также иногда называют «180-градусными коллекторами», имея в виду интервалы 180 °, собранные в каждой ветви, подобно плоскому V8.

До этого иногда использовались прямые отдельные «трубы дымохода» или «зумы» (например, BRM ), чтобы избежать негативного влияния неравномерных помех выхлопных импульсов на продувку за счет отсутствия выгоды от положительного эффекта слияния, как указано выше. Даже впоследствии во многих случаях дефицит производительности допускался, и для удобства использовались обычные системы 4-в-1 на каждый банк. Некоторую часть этого разрыва можно восполнить ориентированными на производительность выхлопными системами 4-в-2-в-1, или «Tri-Y», например, теми, которые используются в суперкарах NASCAR и V8.

Рядный четырехцилиндровый коленчатый вал

На этом чертеже ориентация хода рукоятки вверх-влево-вправо-вниз в отличие от плоской плоскости вверх-вниз-вниз-вверх.

В отличие от V8, расположение поперечных плоскостей в рядных четырехцилиндровых двигателях приводит к неравномерному распределению схемы воспламенения, поэтому использование, как правило, ограничивается двигателями с чрезвычайно высокими оборотами. В таких двигателях преимущество меньшего вторичного дисбаланса перевешивает недостаток нерегулярного интервала зажигания. Эта конструкция, не имеющая поршней, расположенных под углом 90° друг к другу в отдельных блоках, требует уравновешивающего вала для устранения недостатков качающейся вибрации, возникающих из-за плоского дисбаланса возвратно-поступательной массы и вращающейся массы. Подробную информацию см. в статье о балансировке двигателя .

2009+ Ямаха YZF-R1

2009 года В мотоцикле Yamaha YZF-R1 используется крестообразный коленчатый вал, а также вал балансировки скорости вращения коленчатого вала для противодействия внутренней качающейся вибрации (первичная качающаяся пара), описанной выше.

Это было вдохновлено гоночными моделями Yamaha M1 MotoGP , в которых до сих пор продолжают использоваться крестообразные шатуны из-за их значительного преимущества в инерционном крутящем моменте при работе на экстремально высоких оборотах, которые наблюдают эти двигатели. Yamaha утверждает, что достижения в области технологий ковки металла сделали этот спортивный мотоцикл практичным для серийного производства.

двигатель УРС

Так называемый рядный четырехцилиндровый двигатель Фатха -Куна, который с 1968 года использовался частной гоночной командой URS для относительного успеха в гонках на мотоциклах и колясках, также был кросспланным типом. Это была конфигурация, отличная от той, которая обычно использовалась в V8 или даже в описанной выше Yamaha, с двумя бросками, которые менялись местами - т.е. броски можно описать как находящиеся под абсолютными углами 0, 90, 180 и 270 градусов. по сравнению с более обычными 0, 90, 270, 180. Это приводит к немного уменьшению первичной пары качания, но вводит пары более высокого порядка с гораздо меньшей величиной.

Другая компоновка была в первую очередь выбрана для уменьшения воздействия инерционного скручивания, свойственного ходам кривошипа, разнесенным на 90 ° друг от друга из-за ускорения поршней (движение старт-стоп), учитывая, что этот двигатель должен был иметь высокие обороты, а силы инерции масштабировались относительно квадрат оборотов двигателя. Уменьшение крутящего момента было достигнуто за счет разделения кривошипа на две отдельные части, соединенные вместе в своих средних точках через промежуточный вал, от которого мощность передавалась на коробку передач.

Вполне вероятно, что это инерционное кручение внутри шатуна является причиной того, что Yamaha ссылается на улучшения в ковке шатуна как на причину того, что кривошип в поперечной плоскости является жизнеспособным на шоссейном велосипеде. В V8 это не такая уж большая проблема, потому что каждый ход распределяется между двумя поршнями, уже смещенными на 90°.

Интервалы стрельбы

Коленчатые валы с перекрестной плоскостью, используемые в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе, приводят к неравномерному воспламенению, поскольку естественное разделение воспламенений в таком двигателе составляет (720 ° / 4 =) 180 ° (отсюда и популярность кривошипа с плоской плоскостью 180 °). ). Интервалы зажигания (промежутки между событиями воспламенения) для кроссплоскостных двигателей R1 и URS составляют 90-180-270-180 (градусов кривошипа), но возможны и другие интервалы, в том числе из-за так называемых порядков зажигания большого взрыва . Неравномерность стрельбы является причиной характерного звука этой конфигурации, которая на первый взгляд представляет собой комбинацию 270-450 (90° V-Twin), 180-540 (180° прямой сдвоенный двигатель) и 90-630 (" свитый " V- образный двигатель). -Twin) интервалы, причем доминирующим интервалом восприятия является интервал 270°.

Разделение хода на 90° сделало бы кривошип в поперечной плоскости естественным выбором для двухтактного рядного четырехцилиндрового двигателя, обеспечивая преимущества как равномерного зажигания, так и меньшей вторичной вибрации, когда повышенным качательным вибрациям противодействует балансирный вал с кривошипной скоростью.

Прямо-двойные шатуны

Рядные двухцилиндровые мотоциклетные двигатели (также известные как «параллельные сдвоенные» и «вертикальные сдвоенные») исторически существовали в двух типах, ни один из которых не был «перекрестной плоскостью»: кривошипы на 360 ° с поршнями, движущимися в тандеме, или кривошипы на 180 ° с поршнями. движется в противофазе.

Начиная с Эдварда Тернера , Triumph Speed ​​Twin большинство классических английских 4-тактных родстеров (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield и т. д.) использовали шатуны на 360°; но в 1960-х годах Honda приняла шатуны с углом поворота 180 ° для своих 4-тактных параллельных близнецов с верхним расположением цилиндров , таких как «Black Bomber» объемом 450 куб. См и CB500T. На велосипеде с небольшим объемом двигателя качающаяся пара была приемлема без балансирного вала, особенно по сравнению с двухцилиндровым двигателем аналогичного размера с поворотом на 360 °, у которого также не было балансирного вала. 400-кубовый Dream/Hawk CB250/400T заменил 4-цилиндровый CB400F, и для более плавного хода у него был двухцилиндровый двигатель с поворотом на 360° и уравновешивающим валом - равномерное вращение кривошипа на 360° было заметно более плавным, чем при неравномерном повороте на 180°.

В 1995 году Yamaha установила коленчатый вал с углом поворота 270° на свой TRX850 , а в 1996 году на TDM850 MK2, а также уравновешивающий вал для противодействия возникающей комбинации свободных сил и качающихся пар. Кривошип на 270° имеет меньшие свободные силы, чем кривошип на 360° (но намного больше, чем на кривошип на 180°) и меньшие пары качаний, чем на кривошип на 180° (у кривошипа на 360° такой пары нет). Хотя стрельба была такой же неравномерной, как у V-Twin с углом поворота 90°, кривошип с поворотом на 270° был не таким неравномерным, как с поворотом на 180°. Конфигурация 270° представляет собой удачный компромисс и была принята для Honda NC700 и Africa Twin Cruiser от Hinckley Triumph 2016 года, Scrambler и Thunderbird от Yamaha , MT-07/FZ-07 и ряда других.

Некоторые инженеры по настройке модифицировали мотоциклы British и Yamaha XS 650 с параллельными сдвоенными двигателями, превратив их в двигатели с углом поворота 277°, близкие к коленчатым валам с поперечной плоскостью (также известные как смещенный коленчатый вал или перефазированный коленчатый вал ), с успехом снижая вибрацию по сравнению со стандартными вертикальными сдвоенными двигателями с поворотом на 360°. Такие модифицированные двигатели не имеют дополнительных систем балансировки, но они могут иметь более легкие маховики, поскольку поршни никогда не находятся в неподвижном состоянии одновременно, поэтому вращательный момент не нужно накапливать в таком большом количестве для компенсации, он просто передается между поршнями напрямую (через коленчатый вал). Похоже, это вдохновлено более ранней работой Фила Ирвинга .

Этот принцип аналогичен принципу в четырехцилиндровых двигателях Yamaha с перекрестной плоскостью, где дополнительные два цилиндра отвечают за несимметрию движения поршня в верхней и нижней половинах их хода. что приводит к большей минимизации инерционного момента, вызванного изменениями момента вращения.

В двухтактных двухцилиндровых двигателях практически повсеместно была принята конфигурация кривошипа с углом поворота коленчатого вала 180°, что давало два рабочих такта за каждый оборот. Примеры включают велосипеды довольно большой вместимости, такие как Scott Squirrel объемом 598 куб.см или Suzuki T500 объемом 498 куб.см. Двумя исключениями с коленчатыми валами на 360° являются Yankee и военная версия Jawa 350 .

См. также

• Двигатель Кадиллак V8
• Плоский кривошип

Внешние ссылки

• Двигатели V8
• Прогрев кросспланерной коляски УРС с коляской (видео на YouTube)