交叉平面

交叉平面或交叉平面是用于活塞发动机的曲轴设计，曲柄行程之间具有90°角（曲柄旋转相位）。交叉平面曲轴是V8公路​​车中最常用的配置。除了已经提到的V8，使用这种90°活塞相位的其他配置示例包括直列2、直列4、V2和V4发动机。交叉平面曲轴可以与许多其他气缸配置一起使用，但下面描述的优点和缺点可能不适用于其中的任何一个或全部，必须根据具体情况进行考虑。

用于90°V8发动机的最常见的交叉平面曲轴有四个曲柄销，每个曲柄销为相对的气缸列上的两个气缸提供服务，与相邻的曲柄销成90°偏移。四个曲柄销中的xxx个和最后一个与第二个和第三个曲柄销相互成180°，每对相互成90°，因此从末端看曲轴形成一个十字形。因此，曲柄销位于以90°交叉的两个平面中，因此称为交叉平面。在八行程设计的情况下，交叉平面V8曲轴可能有多达九个主轴承，并且通常有五个轴承支持四个行程，每个都有一个共享的曲柄销。交叉平面设计于1915年首次提出，由凯迪拉克和Peerless开发，他们在引入交叉平面设计之前都生产了平面V8。凯迪拉克于1923年推出了xxx款交叉飞机，1924年Peerless紧随其后。

交叉平面V8的开发旨在产生比平面设计更平稳的发动机。由于两个活塞排中的四个活塞在同一平面上同时停止和启动，因此平面设计固有的二阶力会叠加并在大排量发动机中变得明显。交叉平面发动机的每一排都有四个不同的活塞相位，它们完全抵消了二阶自由力，由于制造过程中部件质量的变化而只留下轻微的振动。然而，末端和中间曲柄行程的180°布置确实会导致主要（曲柄速度）摇摆副，在90°V的情况下，可以通过适当地加重曲轴来抵消，就像V-Twin一样。其他V角通常需要平衡轴来保持平稳。由于每个曲柄上的配重很重，大多数交叉平面V8的曲轴都很重，这意味着它们通常不像平面对应的那样自由旋转。早期的克莱斯勒HemiV8有很重的配重，但中央主轴承两侧的中间两个位置（5个主轴承中的第3个）没有任何配重。因为这些位置靠近发动机中心，它们对抵抗任何摇摆运动的贡献较小-因此使用外部平衡重（例如在曲柄鼻轮中），这需要较少的额外质量来获得相同的平衡效果。不幸的是，每排的不均匀点火（见下文）以及90°活塞相位本身确实会导致曲轴的扭转，这可能是显而易见的-正是由于这个原因，交叉平面V8已调整安装在它们上的质量阻尼器，通常在曲轴的自由端。CoventryClimax发现足够短冲程的平面发动机在更高的转速下更平稳、更强大，这可能部分是由于相对没有这些扭转振动，并在1963年用他们的Mk.IIIFWMV切换到这种设计。BRM制造了大约在同一时间进行了相同的转换，这延续到了他们1964年的P261F1赛车中。

四冲程交叉平面V8发动机甚至具有90度的点火间隔，但每个气缸列内的点火模式不均匀。左排和右排的点火顺序通常为LRLLRLRR或RLRRLRLL，每个“L”或“R”点火由90°曲柄旋转分开，总共720°进行8次点火。通过计算每个“L”或“R”右侧的四个字符（4x90°=360°）可以看出，以360°相位差点火（并因此排气）的气缸位于相对的排中交叉平面V8。每排的实际间隔为180-90-180-270曲轴度数，根据发动机的不同顺序不同，而且通常每排的顺序不同。确切的组合取决于曲轴的旋向性、旋转方向以及360°对中的哪一个按顺序首先被点燃。

交叉平面V8的特征性气泡来自排气歧管设计，该设计通常将每排四个气缸上的所有四个排气口合并到一个出口中，以方便使用。这突出了上面概述的模式，有时被描述为土豆-土豆，模仿交替的连续间隔和更长的间隙。发动机的特定点火顺序和排气配置可能会导致细微的变化，这些变化可能会或可能不会引起发烧友的注意。通过对排气脉冲进行仔细分组，其他声音是可能的，但包装（空间）要求通常使这在公路机器中不可行。

回想一下，即使点火对布置在相对的排中，所以需要长等长的排气管来合并这些对并实现均匀的扫气。在1960年代初期，这种用于交叉平面V8的调谐排气装置的最早示例之一是安装在1.5升考文垂ClimaxFWMVMk.I和Mk.II发动机上——众所周知，这些发动机会妨碍发动机本身的维修，然而。许多赛车交叉平面V8发动机（如用于Indy赛车的福特4.2LDOHCV8）在V角内侧有排气口，以缩短这些排气管长度，并且更容易实现合并而不会导致包装问题。福特GT40使基于量产的V8概念车以精心布置的长排气管（绰号为BundleofSnake）而闻名。此类系统有时也称为180度集管，参考在每个分支中收集的180度间隔，类似于平面V8。在此之前，有时会使用直的单个烟囱管或缩放管（例如BRM）来避免不均匀的排气脉冲干扰对扫气的负面影响，但代价是无法从合并的积极提取效果中受益，如上所述。甚至在之后的许多情况下，性能缺陷都被接受，为方便起见，每家银行都采用了普通的4合1系统。一些差距可以通过以性能为导向的4合2合1或Tri-Y排气来弥补，例如用于NASCAR和V8超级跑车的排气。

与V8不同，直列四缸发动机中的交叉平面布置会导致点火模式分布不均匀，因此其使用往往仅限于极高转速的发动机。在这样的发动机中，较少二次不平衡的优点超过了不规则点火间隔的缺点。这种设计没有将活塞以90°布置在单独的排中，因此需要平衡轴来抵消由往复质量和旋转质量上的平面不平衡引起的摇摆振动缺点。有关详细信息，请参阅发动机平衡文章。

2009款雅马哈YZF-R1摩托车使用交叉平面曲轴，采用曲柄速度平衡轴来抵消上述固有的摇摆振动（初级摇摆偶）。这是受到Yamaha的M1MotoGP赛车模型的启发，该模型至今仍在使用交叉曲柄，因为它们在这些发动机所见的极高转速下具有显着的惯性扭矩优势。雅马哈声称金属锻造技术的进步使其成为一款实用的量产运动自行车。

所谓的Fath-Kuhn直列四缸发动机，自1968年起由私人URS赛车队用于在摩托车和边车比赛中取得相对成功，也是一种交叉飞机类型。它与通常在V8或实际上在上述Yamaha中使用的配置不同，其中两个投掷被交换-即投掷可以被描述为绝对角度为0、90、180和270度，与更常见的0、90、270、180相比。这导致初级摇摆偶数略有减少，但会引入数量级低得多的高阶偶数。选择不同的布局主要是为了减少由于活塞加速（启动-停止运动）而产生的曲柄行程间隔90°所固有的惯性扭转的影响，因为该发动机是为了高转速和惯性力规模发动机转速的平方。扭力的减少是通过将曲柄分成两个独立的部分来实现的，这些部分从它们各自的中点通过一个副轴齿轮传动在一起，从该副轴将动力传递到变速箱。曲柄内的这种惯性扭转很可能是雅马哈引用曲柄锻造改进作为交叉平面曲柄在公路自行车中可行的原因的原因。在V8中这不是一个问题，因为每次投掷都由已经偏移90°的两个活塞共享。

四冲程四缸发动机中使用的交叉平面曲轴会导致点火不均匀，因为在这种发动机中点火事件的自然分离是(720°/4=)180°（因此180°平面曲柄很受欢迎））。CrossplaneR1和URS发动机的点火间隔（点火事件之间的间隔）为90-180-270-180（曲柄度），但其他间隔也是可能的，包括所谓的大爆炸点火顺序。不均匀的发声是这种配置发出独特声音的原因，它表面上是270-450（90°V-Twin）、180-540（180°直双）和90-630（双绞V-Twin）的组合)间隔，感知上的主要间隔是270°间隔。90°间距分离将使交叉平面曲柄成为二冲程直列四缸发动机的自然选择，当增加的摇摆振动与曲柄速度平衡轴相抵消时，提供均匀间隔点火和较少二次振动的优点。

直列双缸摩托车发动机（又名平行双缸和垂直双缸）在历史上分为两种类型，它们都不是横切面的：360°曲柄，其活塞串联移动，或180°曲柄，活塞反向移动。从EdwardTurner的TriumphSpeedTwin开始，大多数经典的英式4冲程跑车（Triumph、BSA、Norton、RoyalEnfield等）都使用360°曲柄；但在1960年代，本田为其OHC4冲程平行双胞胎采用了180°曲柄，例如450ccBlackBomber和CB500T。在小排量自行车上，没有平衡轴的摇摆车是可以接受的，特别是与同样没有平衡轴的类似尺寸的360°双胞胎相比。400ccDream/HawkCB250/400T取代了4缸CB400F，为了获得更平稳的运行，它有一个带有平衡轴的360°双胞胎-360°曲柄的均匀点火明显比不均匀的180°曲柄更平滑。1995年，雅马哈在其TRX850上安装了270°曲轴，并在1996年在TDM850MK2上安装了一个平衡轴，以抵消由此产生的自由力和摇摆力偶的组合。270°曲柄比360°曲柄具有更小的自由力（但比180°曲柄大得多），并且比180°曲柄具有更小的摇摆力偶（360°曲柄没有这种力偶）。虽然点火与90°V-Twin一样不均匀，但270°曲柄并不像180°那样不均匀。270°配置代表了一种成功的折衷方案，并已被本田的NC700和2016年非洲双胞胎、欣克利凯旋的Scrambler和雷鸟巡洋舰、雅马哈的MT-07/FZ-07和许多其他车型采用。一些定制工程师已将英国和雅马哈XS650平行双缸摩托车改装成277°发动机，接近交叉平面曲轴（又称偏置曲轴或重新定相曲轴），并成功减少了库存360°垂直双缸的振动。这种改进的发动机没有额外的平衡系统，但它们可以有更轻的飞轮，因为活塞不会同时静止，所以旋转动量不需要储存太多来补偿，它只是在活塞之间直接传递（通过曲轴）。这似乎是受到菲尔欧文早期作品的启发。这与雅马哈的交叉平面四缸发动机的原理相似，额外的两个气缸在其冲程的上半部分和下半部分解释了活塞运动的非对称性，从而更大程度地减少了因行程变化引起的惯性扭矩。转动动量。在2冲程平行双缸发动机上，几乎普遍采用180°曲柄配置，每转提供两个动力冲程。