Crossplane - Crossplane

Den crossplane eller crossplane är en vevaxel design för kolvmotorer med en 90 ° vinkel (fas i vev rotation) mellan veven kast. Tvärplanets vevaxel är den mest populära konfigurationen som används i V8 -bilar.

Bortsett från den redan nämnda V8 inkluderar andra exempel på konfigurationer som använder sådana 90 ° kolvfaser raka 2- , raka 4 , V2 och V4 motorer .

Tvärgående vevaxlar kan möjligen användas med många andra cylinderkonfigurationer, men fördelarna och nackdelarna som beskrivs nedan gäller eventuellt inte alla eller alla och måste beaktas från fall till fall.

3D-modell av en tvärplanvevaxel som visar 90 graders vinkel mellan vevkasten.

Crossplane V8 vevaxel

Ford V8 vevaxel

Design

Den vanligaste tvärplanets vevaxel för en 90 ° V8 -motor har fyra vevstycken , som var och en tjänar två cylindrar på motstående banker, förskjutna 90 ° från de intilliggande vevstiften. Det första och sista av de fyra vevstiften är 180 ° i förhållande till varandra liksom det andra och tredje, med varje par 90 ° mot det andra, så att från änden vevaxeln bildar ett kors.

Vevstiften är därför i två plan korsade i 90 °, därav namnet tvärplan . Ett tvärplan V8 -vevaxel kan ha upp till nio huvudlager vid åttakastdesign, och har vanligtvis fem lager som stöder fyra kast med vardera delad vevstift.

Korsplandesignen föreslogs först 1915 och utvecklades av Cadillac och Peerless , som båda producerade platta V8: er innan de introducerade tvärplandesignen. Cadillac introducerade det första tvärplanet 1923, med Peerless efter 1924.

Balans och jämnhet

Hela motivationen för utvecklingen av tvärplanet V8 var att förbättra den livliga känslan av plattplanets design. Eftersom fyra kolvar stannar och startar tillsammans i samma plan i båda bankerna, staplar de andra ordningens krafter som ingår i plattplanskonstruktionen och blir märkbara i motorer med stora deplacement. Varje bank i tvärplanmotorn har fyra distinkta kolvfaser som helt avbryter andra ordningens fria krafter, så det finns ingen vibration av detta slag, vilket hindrar variationer i fram- och återgående vikter på grund av produktionsmetoder.

Emellertid resulterar 180 ° disposition av änd- och mittvevkast i ett primärt (vevhastighet) gungande par, vilket tack och lov i 90 ° V-fallet lätt kan motverkas genom att vikta vevaxeln på lämpligt sätt, ungefär som en V-Twin. Andra V-vinklar kräver i allmänhet en balansaxel för att hålla saker och ting jämna.

På grund av de tunga motvikterna på varje vevkast har de flesta tvärplan V8: er mycket tunga vevaxlar, vilket innebär att de inte är lika fria varv i allmänhet som sina platta motsvarigheter. Tidig Chrysler Hemi V8 hade tunga motvikter, men de mellersta två positionerna på båda sidor om mittlagret (den tredje av 5 elnät) hade ingen motvikt. Eftersom dessa positioner ligger nära motorns centrum bidrar de mindre till att motverka eventuella gungrörelser - därav användningen av externa balansvikter (t.ex. i vevskivan), vilket kräver mindre extra massa för samma balanseffekt.

Tyvärr bidrar den ojämna avfyrningen i varje bank (se nedan), liksom själva 90 ° -kolvsfaserna till vridning i vevaxeln, vilket kan vara märkbart - det är av denna anledning som tvärplan V8: er har ställt in massdämpare på dem , återigen oftast på den fria änden av vevaxeln. Coventry Climax upptäckte att en tillräckligt kort slagflatmotor var mjukare och kraftfullare vid högre varvtal, båda troligen delvis på grund av en relativ frånvaro av dessa vridvibrationer, och bytte till denna design med sin Mk.III FWMV 1963. BRM gjorde samma omkopplare ungefär samtidigt, och detta överfördes till deras 1964 P261 F1 -bil .

Avfyrningsintervaller

Fyrtaktiga tvärplan V8 -motorer har till och med 90 graders tändningsintervall, men ojämnt fördelade skjutmönster inom varje cylinderbank .

Tändföljden på L eft och höger banker är i allmänhet L R LL R L RR eller R L RR L R LL , där varje 'L' eller 'R' antändning är åtskilda av 90 ° vev rotation under totalt 720 ° för åtta tändningar. Som man kan se genom att räkna fyra tecken till höger om varje 'L' eller 'R' (4 x 90 ° = 360 °), ligger cylindrarna som avfyras (och därmed avgas) vid 360 ° fasskillnad i motsatta banker i en tvärplan V8.

De faktiska intervallen i varje bank är 180-90-180-270 vevaxelgrader, i olika ordningar beroende på motor, och vanligtvis inte i samma ordning i varje bank. De exakta kombinationerna beror på vevaxelns "handhet", rotationsriktningen och vilket av 360 ° -paren som tänds först i ordningen.

1963 BRM P578 med individuella avgasstackar.
Detta är en modern, mindre serpentinversion av crossover -avgaserna på en Ford GT40.

Ljud

Den karakteristiska "burble" för ett tvärplan V8 kommer från avgasgrenrörsdesignen , som vanligtvis slår samman alla fyra avgasportar på varje bank med fyra cylindrar till en utgång för enkelhets skull. Detta accentuerar mönstret som beskrivs ovan, ibland beskrivet som "potatis-potatis", vilket efterliknar det alternerande sekventiella intervallet och längre gap.

Motorns specifika tändordning och avgaskonfiguration kan leda till subtila variationer som kanske inte märks för entusiaster.

Andra ljud är möjliga genom noggrann gruppering av avgasspulserna, men förpackningskraven (utrymme) gör i allmänhet detta omöjligt i väggående maskiner.

En NASCAR V8-motor med Tri-Y-avgaser

Inställning

Kom ihåg att även eldningspar är placerade i motsatta banker, så långa avgasrör med lika lång längd behövs för att slå ihop dessa par och uppnå enhetlig rensning.

Ett av de tidigaste exemplen på en sådan avstämd avgas för en tvärplan V8 var som monterad på 1,5 liters Coventry Climax FWMV Mk.I och Mk.II -motorerna i början av 1960 -talet - dessa var kända för att hindra service på själva motorn , dock.

Många racing cross -plan V8 -motorer (som Ford 4.2L DOHC V8 för Indy racing) hade avgasportar på insidan av V -vinkeln för att göra dessa avgasrörslängder kortare och sammanslagningar lättare att uppnå utan att orsaka förpackningsproblem. Den Ford GT40 gjort koncept på produktionsbaserade V8s känd med en utarbetad arrangemang av långa avgasrör smeknamnet "Bundle of ormar". Sådana system kallas också ibland "180-graders rubriker", med hänvisning till de 180 ° -intervaller som samlats in i varje gren, liknande ett plattplan V8.

Innan detta användes ibland raka individuella "stapelrör" eller "zoomies" (t.ex. BRM) för att undvika den negativa påverkan av ojämn avgaspulsinterferens vid avlägsnande, på bekostnad av att inte dra nytta av de positiva extraktionseffekterna av sammanslagning, som ovan. Även efteråt vid många tillfällen accepterades prestationsunderskottet och vanliga 4-i-1-system per bank användes för enkelhets skull. En del av gapet kan kompenseras med prestationsinriktade 4-in-2-in-1, eller "Tri-Y", avgaser, t.ex. de som används i NASCAR och V8 Supercars.

Inline-fyra tvärplanets vevaxel

Vridkastorientering är upp-vänster-höger-ner i den här ritningen i motsats till flatplanets upp-ned-ner-upp

Till skillnad från i en V8 resulterar tvärplanarrangemang i inline-fyra-motorer i ojämnt fördelat avfyrningsmönster, så användningen tenderar att begränsas till extremt högvarviga motorer. I sådana motorer uppväger fördelen med mindre sekundär obalans den oregelbundna eldningsintervalls nackdelen. Denna konstruktion, som inte har kolvar anordnade vid 90 ° mot varandra i separata banker, kräver en balansaxel för att motverka de gungvibrationsnackdelar som uppstår vid plana obalanser på fram- och återgående massa och roterande massa. Se motorbalans artikel för mer information.

2009+ Yamaha YZF-R1

2009 års Yamaha YZF-R1 motorcykel använder en vevaxel för tvärplan, som använder en balansaxel för vevhastighet för att motverka den inneboende gungvibrationen (primär gungpar) som beskrivs ovan.

Detta inspirerades av Yamahas M1 MotoGP -racermodeller, som fortsätter att använda korsplan -vevar fram till detta datum på grund av deras betydande tröghetsmomentfördel vid den extrema höga varvtal som dessa motorer ser. Yamaha hävdar att framsteg inom metallsmide teknik gjorde detta till en praktisk produktionssportcykel.

URS -motor

Den så kallade Fath -Kuhn straight-four-motorn, som van vid relativ framgång i motorcykel- och sidobilsracing från 1968 av det privata URS-racingteamet, var också en tvärplanstyp. Det var en annan konfiguration än den som normalt används i en V8 eller faktiskt i Yamaha ovan, med två av kasten som byts runt - dvs kasten kan beskrivas som i absoluta vinklar på 0, 90, 180 och 270 grader, kontra de mer vanliga 0, 90, 270, 180. Detta resulterar i ett något reducerat primärt gungande par, men introducerar högre ordningspar av mycket lägre storlek.

Den olika layouten valdes i första hand för att minska påverkan av tröghetsvridningen som är inneboende med vevkast på 90 ° avstånd från varandra på grund av att kolvarna accelereras (start-stopp-rörelse), eftersom denna motor var avsedd att vara hög varvtal och tröghetskrafter skala kvadrat med motorvarvtal. Torsionsminskningen uppnåddes genom att veven delades upp i två separata delar, sammankopplade, från sina respektive mittpunkter, via en motaxel, från vilken kraft levererades till växellådan.

Det är troligt att denna tröghetsvridning i veven är orsaken till Yamaha som hänvisar till förbättringar av vevsmeden som en orsak till att tvärplanets vev är livskraftig i en cykel. Det är mindre problem i V8 eftersom varje kast delas av två kolvar som redan är förskjutna med 90 °.

Avfyrningsintervaller

Crossplane vevaxlar som används i en fyrtakts, fyrcylindrig motor resulterar i ojämn eldning, eftersom den naturliga separationen av tändningshändelser är (720 °/4 =) 180 ° i en sådan motor (därav populariteten för 180 ° platt-vev ). Avfyrningsintervallen (avståndet mellan tändningshändelser) för crossplan R1- och URS-motorerna är 90-180-270-180 (vevgrader), men andra intervall är möjliga inklusive de på grund av så kallade big-bang-avlossningsorder . Den ojämna avfyrningen är orsaken till det speciella ljudet i denna konfiguration, som ytligt sett är en kombination av 270-450 (90 ° V-Twin), 180-540 (180 ° straight twin) och 90-630 (" twingled " V -Twin) -intervaller, varvid det dominerande intervallet perceptuellt är 270 °.

90 ° kastseparationen skulle göra tvärplanets vev till ett naturligt val för en tvåtakts rak fyra, vilket ger fördelarna med både jämnt fördelad eldning och mindre sekundär vibration när de ökade gungvibrationerna motverkas med en vevhastighetsbalansaxel.

Raka tvillingvevar

Rak-tvilling motorcykelmotorer (aka "parallell-tvilling" och "vertikal tvilling") kom historiskt i två typer, varav ingen var "tvärplan": 360 ° vevar med kolvarna i rörelse i tandem eller 180 ° vev med kolvarna rör sig i motsatt fas.

Börjar med Edward Turner 's Triumph Speed Twin , de flesta klassiska engelska 4-taktsroadsters (Triumph, BSA, Norton, Kungliga Enfield, etc) används de 360 ° vevar; men på 1960-talet antog Honda 180 ° vevarna för sina OHC 4-takts parallella tvillingar, till exempel 450cc "Black Bomber" och CB500T. På en liten deplacementcykel var gungparet acceptabelt utan balansaxel, särskilt jämfört med en liknande storlek 360 ° tvilling saknade likaledes en balansaxel. 400cc Dream/Hawk CB250/400T ersatte den 4 -cylindriga CB400F, och för att få en smidigare löpning närmare hade den en 360 ° tvilling med en balansaxel - den jämna avfyrningen av 360 ° -veven märkbart mjukare än den ojämna vevet på 180 °.

1995 monterade Yamaha 270 ° vevaxel på sin TRX850 och 1996 på TDM850 MK2, plus en balansaxel för att motverka den resulterande kombinationen av fria krafter och gungande par. 270 ° vev har mindre fria krafter än vevet 360 ° (men mycket större än vevet 180 °) och mindre gungpar än 180 ° vev (360 ° vev har inget sådant par). Medan avfyrningen var lika ojämn som en 90 ° V-Twin, var 270 ° veven inte lika ojämn som 180 °. 270 ° -konfigurationen representerar en lyckad kompromiss och har antagits för Hondas NC700 och 2016 Africa Twin , Hinckley Triumph's Scrambler och Thunderbird cruiser, Yamahas MT-07 / FZ-07 och ett antal andra.

Vissa anpassade ingenjörer har modifierat brittiska och Yamaha XS 650 parallella tvillingmotorcyklar för att bli 277 ° -motorer, nära tvärplan-vevaxlar (aka förskjuten vevaxel eller omformad vevaxel ) med framgång för att minska vibrationerna från lager 360 ° vertikala tvillingar. Sådana modifierade motorer har inte fått ytterligare balanseringssystem, men de kan ha lättare svänghjul eftersom kolvarna aldrig är stationära samtidigt, så rotationsmomentet behöver inte lagras så mycket för att kompensera, det överförs helt enkelt mellan kolvarna direkt (genom vevaxeln). Detta är till synes inspirerat av det tidigare arbetet av Phil Irving .

Detta är en liknande princip som i Yamahas fyrcylindriga motorer med tvärplan, där de två extra cylindrarna svarar för den icke-symmetri kolvrörelsen i de övre och nedre halvorna av deras slag, vilket resulterar i större minimering av tröghetsmomentet som orsakas av förändringar i rotationsmoment.

På 2-takts parallelltvillingmotorer antogs 180 ° vevkonfiguration nästan universellt, vilket gav två slaglängder i varje varv. Exempel inkluderar cyklar med ganska stor kapacitet som 598cc Scott Squirrel eller 498cc Suzuki T500 . Två undantag med 360 ° vevaxlar är Yankee och den militära upplagan av Jawa 350 .

Se även

Referenser

externa länkar