Крестообразный или крестообразный коленчатый вал — это конструкция коленчатого вала для поршневых двигателей с углом 90° (фаза вращения кривошипа) между его кривошипами. [ 1] Крестообразный коленчатый вал — самая популярная конфигурация, используемая в дорожных автомобилях с двигателем V8 [ требуется ссылка ] .
Помимо уже упомянутого двигателя V8, к другим примерам конфигураций, использующих такие фазы поршня под углом 90°, относятся двигатели типа «ряд-2» , «ряд-4» , двигатели V2 и V4 .
Крестообразные коленчатые валы можно использовать с большим количеством других конфигураций цилиндров, но описанные ниже преимущества и недостатки могут не относиться ни к одной из них и должны рассматриваться в каждом конкретном случае.
.jpg/1280px-Ford_V8_crankshaft_(Autocar_Handbook,_13th_ed,_1935).jpg)
Наиболее распространенный коленчатый вал крестообразной формы для двигателя V8 с углом развала 90° имеет четыре шатунных шейки , каждая из которых обслуживает два цилиндра на противоположных рядах, смещенных на 90° относительно соседних шатунных шейк. Первая и последняя из четырех шатунных шейки расположены под углом 180° друг к другу, как и вторая и третья, каждая пара расположена под углом 90° друг к другу, так что при взгляде с торца коленчатый вал образует крест.
Таким образом, шатунные шейки находятся в двух плоскостях , пересекающихся под углом 90°, отсюда и название «крестообразный» . Коленчатый вал Crossplane V8 может иметь до девяти коренных подшипников в случае восьмирядной конструкции и обычно имеет пять подшипников, поддерживающих четыре подшипника каждый с общей шатунной шейкой.
Конструкция Crossplane была впервые предложена в 1915 году и разработана компаниями Cadillac и Peerless , обе из которых производили двигатели V8 Flatplane до внедрения конструкции Crossplane. Cadillac представила первый Crossplane в 1923 году, а Peerless — в 1924 году.
Crossplane V8 был разработан для создания более плавного двигателя, чем это возможно с конструкцией flatplane. Поскольку четыре поршня останавливаются и начинают работу вместе в одной и той же плоскости в обоих рядах, силы второго порядка, присущие конструкции flatplane, складываются и становятся заметными в двигателях с большим рабочим объемом. Каждый ряд двигателя crossplane имеет четыре отдельные фазы поршня, которые полностью отменяют свободные силы второго порядка, оставляя только незначительные вибрации из-за изменения масс компонентов во время производства.
Однако расположение на 180° крайних и средних кривошипов приводит к возникновению первичной (скорости вращения кривошипа) пары качания , которую в случае V-образного двигателя с углом 90° можно компенсировать, соответствующим образом утяжелив коленчатый вал, как в случае с V-образным двухцилиндровым двигателем. [2] Другие V-образные двигатели обычно требуют использования балансировочного вала для обеспечения такой же плавности.
Из-за тяжелых противовесов на каждом кривошипе большинство двигателей Crossplane V8 имеют очень тяжелые коленчатые валы, что означает, что они не так свободно вращаются, как их аналоги Flatplane. Ранние двигатели Chrysler Hemi V8 имели тяжелые противовесы, но средние два положения по обе стороны от центрального главного подшипника (третий из 5 основных) не имели противовесов. Поскольку эти положения расположены близко к центру двигателя, они в меньшей степени способствуют противодействию любым качательным движениям — отсюда и использование внешних балансировочных грузов (например, в шкиве коленчатого вала), что требует меньшей дополнительной массы для того же эффекта балансировки.
К сожалению, неравномерное сгорание в каждом ряду (см. ниже), а также сами фазы поршня 90° действительно способствуют кручению коленчатого вала, которое может быть заметно - именно по этой причине в двигателях Crossplane V8 установлены настроенные инерционные демпферы , опять же обычно на свободном конце коленчатого вала. Coventry Climax обнаружила, что достаточно короткоходный двигатель Flatplane работает более плавно и более мощно на более высоких оборотах, и то и другое, вероятно, отчасти из-за относительного отсутствия этих крутильных колебаний, и перешла на эту конструкцию со своим Mk.III FWMV в 1963 году. BRM сделала то же самое переключение примерно в то же время, и это перешло в их автомобиль P261 F1 1964 года.
Четырехтактные двигатели V8 с перекрестным расположением цилиндров имеют равномерные интервалы зажигания в 90 градусов, но неравномерно распределенные режимы зажигания в каждом ряду цилиндров .
Порядок зажигания на левом и правом банках обычно L R LL R L RR или R L RR L R LL , при этом каждое зажигание 'L' или 'R' отделено поворотом кривошипа на 90°, что в общей сложности составляет 720° для восьми зажиганий. Как можно увидеть, подсчитав четыре символа справа от каждого 'L' или 'R' (4 x 90° = 360°), цилиндры, которые зажигаются (и, следовательно, выпускают) с разницей фаз в 360°, находятся в противоположных банках в кроссплоскостном V8.
Фактические интервалы в каждом банке составляют 180-90-180-270 градусов коленчатого вала, в разном порядке в зависимости от двигателя, и обычно не в том же порядке в каждом банке. Точные комбинации зависят от "рукопожатия" коленчатого вала, направления вращения и того, какая из пар 360° зажигается первой в порядке.
Характерный "бурчащий" звук кросспланового V8 исходит от конструкции выпускного коллектора, который обычно объединяет все четыре выпускных порта на каждом блоке из четырех цилиндров в один выход для удобства. Это подчеркивает схему, описанную выше, иногда описываемую как "картошка-картошка", имитирующую чередующийся последовательный интервал и более длинный зазор.
Конкретный порядок работы двигателя и конфигурация выхлопной системы могут привести к небольшим изменениям, которые могут быть заметны или незаметны для энтузиастов.
Другие звуки возможны при тщательной группировке импульсов выхлопных газов, но требования к компоновке (пространству) обычно делают это неосуществимым в дорожных машинах.
Напомним, что даже пары сгорания расположены в противоположных рядах, поэтому для объединения этих пар и достижения равномерной продувки необходимы длинные выхлопные трубы одинаковой длины . [3]
Одним из самых ранних примеров такой настроенной выхлопной системы для двигателя V8 с перекрестным расположением цилиндров был двигатель Coventry Climax FWMV Mk.I и Mk.II объемом 1,5 литра, установленный в начале 1960-х годов. Однако было известно, что это затрудняло обслуживание самого двигателя.
Многие гоночные двигатели Crossplane V8 (например, Ford 4.2L DOHC V8 для гонок Indy) имели выпускные отверстия на внутренней стороне угла V, чтобы сделать эти выхлопные трубы короче и слияния проще для достижения без проблем с упаковкой. [4] Ford GT40 сделал концепцию на основе серийных V8 знаменитой сложной компоновкой длинных выхлопных труб, прозванных «Bundle of Snakes». Такие системы также иногда называют «180-градусными коллекторами», ссылаясь на интервалы 180°, собранные в каждой ветви, подобно плоскому V8.
До этого иногда использовались прямые отдельные «стопочные трубы» или «зуми» (например, BRM [5] ), чтобы избежать негативного влияния неравномерной интерференции выхлопных импульсов на продувку, за счет отсутствия выгоды от положительных эффектов извлечения при слиянии, как указано выше. Даже впоследствии во многих случаях дефицит производительности был принят, и для удобства использовались обычные системы 4-в-1 на банк. Часть разрыва можно восполнить ориентированными на производительность 4-в-2-в-1 или «Tri-Y» выхлопами, например, теми, которые используются в NASCAR и V8 Supercars. [6]
В отличие от V8, расположение крестообразной плоскости в рядных четырехцилиндровых двигателях приводит к неравномерно распределенному шаблону зажигания, поэтому использование, как правило, ограничивается двигателями с чрезвычайно высокими оборотами. В таких двигателях преимущество меньшего вторичного дисбаланса перевешивает недостаток нерегулярного интервала зажигания. Такая конструкция, не имеющая поршней, расположенных под углом 90° друг к другу в отдельных банках, требует балансировочного вала для противодействия недостаткам качательной вибрации, возникающим из-за дисбаланса плоскости на возвратно-поступательной массе и вращающейся массе. Подробности см. в статье о балансе двигателя .
Мотоцикл Yamaha YZF-R1 2009 года выпуска оснащен коленчатым валом с крестообразным расположением коленчатого вала, в котором для противодействия внутренним колебаниям (первичная пара качания) используется балансировочный вал с кривошипно-шатунным механизмом.
Это было вдохновлено гоночными моделями Yamaha M1 MotoGP , которые продолжают использовать кривошипы Crossplane по сей день из-за их значительного преимущества инерционного крутящего момента при работе на экстремально высоких оборотах, которые эти двигатели видят. Yamaha утверждает, что достижения в технологиях ковки металла сделали этот практичный серийный спортбайк. [7]
Так называемый двигатель Fath -Kuhn с четырьмя рядами цилиндров, который с относительным успехом использовался в гонках на мотоциклах и колясках с 1968 года частной гоночной командой URS, также был кросспланного типа. Это была другая конфигурация, нежели та, что обычно используется в V8 или, конечно, в Yamaha выше, с двумя гребнями, поменянными местами - т. е. гребни 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 уменьшенной первичной паре качания, но вводит пары более высокого порядка гораздо меньшей величины.
Другая компоновка была в первую очередь выбрана для уменьшения воздействия инерционного кручения, присущего кривошипным ходам, разнесенным на 90° из-за ускорения поршней (старт-стопное движение), учитывая, что этот двигатель должен был работать на высоких оборотах, а инерционные силы масштабировались как квадрат скорости двигателя. Уменьшение кручения было достигнуто путем разделения кривошипа на две отдельные части, соединенные вместе, от их соответствующих средних точек, через встречный вал, от которого мощность передавалась на коробку передач. [8]
Вероятно, это инерционное кручение внутри кривошипа является причиной того, что Yamaha ссылается на улучшения ковки кривошипа как на причину жизнеспособности кривошипа с крестообразной плоскостью в дорожном мотоцикле. Это не такая уж проблема в V8, поскольку каждый ход делится между двумя поршнями, уже смещенными на 90°.
Крестообразные коленчатые валы, используемые в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе, приводят к неравномерному срабатыванию, поскольку естественное разделение событий зажигания составляет (720°/4 =) 180° в таком двигателе (отсюда популярность 180° плоского коленчатого вала). Интервалы зажигания (пространство между событиями зажигания) для крестообразных двигателей R1 и URS составляют 90-180-270-180 (градусов поворота коленчатого вала), но возможны и другие интервалы, в том числе обусловленные так называемыми порядками зажигания big-bang . Неравномерное срабатывание является причиной характерного звука этой конфигурации, которая внешне является комбинацией интервалов 270-450 (90° V-Twin), 180-540 (180° прямой твин) и 90-630 (« twingled » V-Twin), причем доминирующим воспринимаемым интервалом является интервал 270°.
Разделение хода на 90° делает крестообразный коленчатый вал естественным выбором для двухтактного рядного четырехцилиндрового двигателя, обеспечивая преимущества как равномерного зажигания, так и меньшей вторичной вибрации, когда повышенные колебания компенсируются балансировочным валом с частотой вращения коленчатого вала.
Рядовые двухцилиндровые двигатели мотоциклов (также известные как «параллельные двухцилиндровые» и «вертикальные двухцилиндровые») исторически существовали в двух типах, ни один из которых не был «перекрестно-плоскостным»: с кривошипами на 360°, поршни которых двигались в тандеме, или с кривошипами на 180°, поршни которых двигались в противофазе.
Начиная с Triumph Speed Twin Эдварда Тернера , большинство классических английских 4-тактных родстеров (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield и т. д.) использовали шатуны 360°; но в 1960-х годах Honda приняла шатуны 180° для своих 4-тактных параллельных твинов OHC , таких как 450-кубовый "Black Bomber" и CB500T. На мотоцикле с небольшим рабочим объемом пара качания была приемлема без балансировочного вала, особенно по сравнению с аналогичным по размеру 360-градусным твином, также не имевшим балансировочного вала. 400-кубовый Dream/Hawk CB250/400T заменил 4-цилиндровый CB400F, и для достижения более плавного хода он имел 360-градусный твин с балансировочным валом - равномерное срабатывание 360-градусного шатуна заметно более плавное, чем неравномерное 180-градусное срабатывание. [ требуется ссылка ]
В 1995 году Yamaha установила коленчатый вал 270° на свой TRX850 , а в 1996 году на TDM850 MK2, а также балансировочный вал для противодействия результирующей комбинации свободных сил и пар качания. У коленчатого вала 270° свободные силы меньше, чем у коленчатого вала 360° (но намного больше, чем у коленчатого вала 180°) и меньшие пары качания, чем у коленчатого вала 180° (у коленчатого вала 360° такой пары нет). В то время как срабатывание было таким же неравномерным, как у 90° V-Twin, коленчатый вал 270° не был таким неравномерным, как у 180°. Конфигурация 270° представляет собой удачный компромисс и была принята на моделях Honda NC700 и Africa Twin 2016 года, Scrambler и Thunderbird Cruiser от Hinckley Triumph , Yamaha MT-07 / FZ-07 и ряде других.
Некоторые инженеры-настройщики модифицировали мотоциклы British и Yamaha XS 650 с параллельными твинами, чтобы они стали двигателями с углом развала 277°, близкими к коленчатым валам с перекрестными плоскостями (также известными как смещенный коленчатый вал или рефазированный коленчатый вал ), что позволило успешно снизить вибрацию по сравнению со стандартными вертикальными твинами с углом развала 360°. [9] Такие модифицированные двигатели не получили дополнительных систем балансировки, но они могут иметь более легкие маховики, поскольку поршни никогда не бывают одновременно неподвижны, поэтому вращательный момент не нужно накапливать так много для компенсации, он просто передается между поршнями напрямую (через коленчатый вал). Это, по-видимому, вдохновлено более ранней работой Фила Ирвинга .
Этот принцип аналогичен принципу, применяемому в четырехцилиндровых двигателях Yamaha с крестообразным расположением цилиндров, где два дополнительных цилиндра обеспечивают асимметрию движения поршня в верхней и нижней половине его хода [10] , что приводит к большей минимизации инерционного крутящего момента, вызванного изменениями вращательного момента.
На двухтактных параллельных двухцилиндровых двигателях конфигурация коленчатого вала 180° была принята почти повсеместно, давая два рабочих такта за каждый оборот. Примерами служат мотоциклы довольно большой емкости, такие как 598cc Scott Squirrel или 498cc Suzuki T500 . [11] Два исключения с коленчатым валом 360° — это Yankee и военная версия Jawa 350 .
{{cite web}}: |last=имеет общее название ( помощь )CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )