Коленчатый вал с крестообразным расположением шатунов

Введение

Коленчатый вал с коленчатыми шейками, расположенными в двух плоскостях.

Кроссплейн (или кросс-плейн) – это конструкция коленчатого вала для поршневых двигателей с углом 90° (фаза вращения коленчатого вала) между коленчатыми шейками. Кроссплейн коленчатого вала является наиболее распространенной конфигурацией, используемой в дорожных автомобилях V8. Помимо уже упомянутых V8, другие примеры конфигураций, использующих такие 90° фазы движения поршней, включают рядные 2-цилиндровые, рядные 4-цилиндровые, V2 и V4 двигатели. Кроссплейн коленчатые валы теоретически могут использоваться с множеством других конфигураций цилиндров, но преимущества и недостатки, описанные ниже, могут не относиться ко всем из них и должны рассматриваться в каждом конкретном случае.

Дизайн

Наиболее распространенный крестообразный коленчатый вал для двигателя V8 с углом развала 90° имеет четыре шейки коленвала, каждая из которых обслуживает два цилиндра на противоположных блоках, со смещением на 90° относительно соседних шеек. Первая и последняя из четырех шеек расположены на 180° друг относительно друга, как и вторая и третья, при этом каждая пара смещена на 90° относительно другой, так что при взгляде с торца коленчатый вал образует крест. Таким образом, шейки коленвала расположены в двух плоскостях, пересекающихся под углом 90°, отсюда и название "крестообразный" (crossplane). Крестообразный коленчатый вал V8 может иметь до девяти коренных подшипников в случае конструкции с восемью шатунами, и обычно имеет пять подшипников, поддерживающих по четыре шатуна каждый с общей шейкой коленвала. Конструкция крестообразного коленвала была впервые предложена в 1915 году и разработана компаниями Cadillac и Peerless, обе из которых производили V8 с плоской плоскостью (flatplane) до внедрения крестообразной конструкции. Cadillac представил первый крестообразный коленвал в 1923 году, а Peerless последовала за ней в 1924 году.

Баланс и гладкость

Кросплановый V8 был разработан для создания более плавной работы двигателя, чем это возможно при использовании плоской конструкции. Поскольку четыре поршня одновременно останавливаются и запускаются в одной плоскости на обоих рядах цилиндров, силы второго порядка, присущие плоской конструкции, накапливаются и становятся заметными в двигателях большого рабочего объема. Каждый ряд цилиндров кросспланового двигателя имеет четыре различные фазы движения поршней, которые полностью компенсируют свободные силы второго порядка, оставляя лишь незначительные вибрации, вызванные различиями в массе компонентов при производстве. Однако расположение коленчатых бросков под углом 180° приводит к возникновению первичной (синхронизированной с частотой вращения коленвала) качающейся пары, которую в случае V-образного угла в 90° можно компенсировать соответствующей балансировкой коленчатого вала, подобно V-образному двухцилиндровому двигателю. Другие V-образные углы обычно требуют балансирующего вала для обеспечения плавности работы. Из-за больших противовесов на каждом коленчатом броске большинство кроссплановых V8 имеют очень тяжелые коленчатые валы, что означает, что они, как правило, не так охотно набирают обороты, как их плоские аналоги. Ранние Chrysler Hemi V8 имели тяжелые противовесы, но средние две позиции по обе стороны от центрального коренного подшипника (третий из пяти) не имели противовесов. Поскольку эти позиции расположены близко к центру двигателя, они в меньшей степени способствуют компенсации качающихся движений, поэтому используется внешняя балансировка (например, в шкиве коленчатого вала), требующая меньшей дополнительной массы для достижения того же эффекта балансировки. К сожалению, неравномерное воспламенение в каждом ряду цилиндров (см. ниже), а также сами фазы движения поршней под углом 90°, способствуют возникновению крутильных колебаний в коленчатом валу, которые могут быть ощутимыми. Именно поэтому в кроссплановых V8 устанавливаются демпферы крутильных колебаний, обычно на свободном конце коленчатого вала. Компания Coventry Climax обнаружила, что достаточно короткоходный двигатель с плоской конфигурацией работает более плавно и развивает большую мощность на высоких оборотах, вероятно, отчасти благодаря относительному отсутствию этих крутильных колебаний, и перешла на эту конструкцию со своим Mk. III FWMV в 1963 году. BRM предприняла аналогичный шаг примерно в то же время, и это решение было перенесено на их болид Формулы-1 P261 1964 года.

The crossplane V8 was developed to produce a smoother engine than possible with a flatplane design. Because four pistons stop and start together in the same plane in both banks, the second order forces inherent to the flatplane design stack up and become noticeable in large displacement engines. Each bank of the crossplane engine has four distinct piston phases that cancel the second order free forces entirely, leaving only minor vibrations due to variation in masses of components during manufacture. However, the 180° disposition of the end and middle crank throws does result in a primary (crank speed) rocking couple, which in the 90° V case can be countered by weighting the crankshaft appropriately, much like a V Twin. Other V angles generally require a balancer shaft to keep things as smooth. Because of the heavy counterweights on each crank throw, most crossplane V8s have very heavy crankshafts, meaning they are not as free revving in general as their flatplane counterparts. Early Chrysler Hemi V8 had heavy counterweights, but the middle two positions on both sides of the center main bearing (the third of 5 mains) did not have any counterweight. Because these positions are located close to the center of engine, they contribute less to countering any rocking motions hence the use of external balance weights (e. g. in the crank nose pulley), which requires less extra mass for the same balancing effect. Unfortunately, the uneven firing in each bank (see below), as well as the 90° piston phases themselves, do contribute to torsion in the crankshaft which can be noticeable it is for this reason that crossplane V8s have tuned mass dampers fitted to them, again usually on the free end of the crankshaft. Coventry Climax discovered that a sufficiently short stroke flatplane engine was smoother and more powerful at higher rpm, both likely partly due to a relative absence of these torsional vibrations, and switched to this design with their Mk. III FWMV in 1963. BRM made the same switch at about the same time, and this carried over into their 1964 P261 F1 car.

Интервалы между выстрелами

Четырехтактные двигатели V8 с перекрестной плоскостью имеют равномерные 90-градусные интервалы зажигания, но неравномерные последовательности воспламенения в каждом банке цилиндров. Порядок зажигания в левом и правом банках обычно LRLLRLRR или RLRRLRLL, при этом каждое зажигание 'L' или 'R' разделено поворотом коленвала на 90°, что в сумме составляет 720° для восьми зажиганий. Как можно увидеть, подсчитав четыре символа вправо от каждого 'L' или 'R' (4 x 90° = 360°), цилиндры, воспламеняющиеся (и, следовательно, выпускающие отработанные газы) с разностью фаз в 360°, расположены в противоположных банках в двигателе V8 с перекрестной плоскостью. Фактические интервалы в каждом банке составляют 180, 90, 180, 270 градусов поворота коленвала, в различных последовательностях в зависимости от двигателя, и обычно не совпадают в каждом банке. Точные комбинации зависят от "стороны" коленвала, направления вращения и того, какая из пар с разностью фаз 360° воспламеняется первой в последовательности.

Звук

Характерный "булькающий" звук кросспланового V8 возникает из-за конструкции выхлопного коллектора, который обычно объединяет все четыре выхлопных порта в каждом ряду из четырех цилиндров в один выход для упрощения конструкции. Это усиливает описанный выше рисунок, иногда описываемый как "potato-potato" ("картошка-картошка"), имитируя чередующиеся последовательные интервалы и более длинные паузы. Конкретный порядок зажигания двигателя и конфигурация выхлопной системы могут приводить к незначительным вариациям, которые могут быть или не быть заметными для энтузиастов. Другие звуки можно получить, тщательно группируя выхлопные импульсы, но требования к компоновке (пространству) обычно делают это невозможным в серийных автомобилях.

Настройка

Напомним, что даже пары цилиндров с последовательным зажиганием располагаются на противоположных сторонах блока, поэтому для объединения этих пар и обеспечения равномерного удаления отработавших газов требуются длинные выхлопные трубы одинаковой длины. Одним из первых примеров подобной настроенной выхлопной системы для V8 с кросспланом был двигатель Coventry Climax FWMV Mk. I и Mk. II объемом 1,5 литра начала 1960-х годов, однако они мешали обслуживанию самого двигателя. Многие гоночные двигатели V8 с кросспланом (например, Ford 4.2L DOHC V8 для гонок Indy) имели выхлопные каналы внутри угла V, чтобы уменьшить длину выхлопных труб и упростить их объединение, избежав проблем с компоновкой. Ford GT40 прославил эту концепцию на серийных V8 благодаря сложной системе длинных выхлопных труб, получившей прозвище "Пучок змей". Такие системы также иногда называют "выпускными коллекторами 180 градусов", ссылаясь на 180-градусные интервалы сбора в каждой трубе, аналогично плоскоплановому V8. До этого иногда использовались прямые отдельные выхлопные трубы, или "зумеры" (например, BRM), чтобы избежать негативного влияния неравномерных выхлопных импульсов на процесс удаления отработавших газов, хотя это и лишало преимуществ, связанных с объединением выхлопных потоков. Даже впоследствии во многих случаях признавали снижение производительности и для удобства использовали обычные системы 4-в-1 на каждый банк. Часть этой разницы можно компенсировать с помощью высокопроизводительных выхлопных систем 4-в-2-в-1, или "Tri Y", например, используемых в NASCAR и V8 Supercars.

Колесовой вал с четырьмя поперечными плоскостями

В отличие от V-образных восьмицилиндровых двигателей, кроссплановое расположение в рядных четырехцилиндровых двигателях приводит к неравномерному порядку работы цилиндров, поэтому такая конструкция обычно используется в двигателях с очень высокими оборотами. В таких двигателях преимущество меньшего вторичного дисбаланса перевешивает недостатки нерегулярных интервалов зажигания. Эта конструкция, в которой поршни не расположены под углом 90° друг к другу в отдельных рядах, требует балансирного вала для компенсации колебательных вибраций, возникающих из-за дисбаланса плоскостей в движущихся и вращающихся массах. Подробности смотрите в статье о балансировке двигателей.

2009+ Yamaha YZF-R1

Мотоцикл Yamaha YZF R1 2009 года использует коленчатый вал с крестообразным расположением шатунов, а также вал балансировки для компенсации собственной колебательной вибрации (первичной пары колебаний), описанной выше. Эта конструкция была вдохновлена гоночными мотоциклами Yamaha M1 MotoGP, которые до сих пор используют коленчатые валы с крестообразным расположением шатунов благодаря значительному преимуществу в инерционном крутящем моменте при экстремально высоких оборотах двигателя. Yamaha заявляет, что прогресс в технологиях ковки металла позволил реализовать эту конструкцию в серийном спортивном мотоцикле.

Двигатель URS

Так называемый рядный четырехцилиндровый двигатель Fath Kuhn, с относительным успехом использовавшийся в мотоциклетных и мотогонках с колясками с 1968 года частной гоночной командой URS, также был выполнен по схеме кроссплейн. Его конфигурация отличалась от обычно используемой в V8 или, например, в вышеупомянутой Yamaha: два коренных шейки были переставлены местами, то есть их расположение можно описать как 0, 90, 180 и 270 градусов, в отличие от более распространенных 0, 90, 270, 180. Это приводило к незначительному уменьшению первичной колебательной пары, но вызывало появление пар более высокого порядка, значительно меньшей величины. Отличительная компоновка была выбрана главным образом для снижения влияния инерсионного кручения, возникающего при коренных шейках, расположенных на расстоянии 90° друг от друга, из-за ускорения и замедления поршней. Это особенно важно, поскольку двигатель предназначался для высоких оборотов, а инерционные силы растут пропорционально квадрату частоты вращения коленвала. Уменьшение кручения было достигнуто путем разделения коленвала на две отдельные части, соединенные через промежуточный вал от их середины, с которого мощность передавалась в коробку передач. Вероятно, именно это инерционное кручение внутри коленвала является причиной того, что Yamaha указывает на улучшение технологии ковки коленвала как на фактор, делающий кроссплейн-коленвал пригодным для использования в дорожных мотоциклах. В V8 эта проблема менее выражена, поскольку каждая шейка коленвала используется двумя поршнями, уже смещенными на 90°.

Интервалы между выстрелами

Кросплановые коленчатые валы, используемые в четырехтактном, четырехцилиндровом двигателе, приводят к неравномерному зажиганию, поскольку естественный интервал между событиями зажигания составляет (720°/4 =) 180° в таком двигателе (отсюда популярность 180° плоского коленвала). Интервалы зажигания (промежуток между событиями зажигания) для двигателей R1 и URS с кроссплановым коленвалом составляют 90 180 270 180 (градусов поворота коленвала), но возможны и другие интервалы, в том числе обусловленные так называемыми схемами зажигания типа "big bang". Неравномерное зажигание является причиной характерного звука этой конфигурации, который воспринимается как сочетание интервалов 270 450 (90° V-образный двигатель), 180 540 (180° рядный двигатель) и 90 630 ("twingled" V-образный двигатель), при этом доминирующим воспринимаемым интервалом является 270°. Угол разброса в 90° делает кроссплановый коленвал естественным выбором для двухтактного рядного четырехцилиндрового двигателя, обеспечивая преимущества как равномерно распределенного зажигания, так и уменьшения вторичных вибраций, когда повышенные колебания гашения компенсируются балансирным валом.

Двойные прямые коленчатые

Двигатели мотоциклов с двумя цилиндрами, расположенными в ряд (также известные как "параллельные твины" и "вертикальные твины"), исторически существовали двух типов, ни один из которых не был "с крестообразным коленвалом": с коленвалами на 360°, где поршни двигаются согласованно, или с коленвалами на 180°, где поршни двигаются в противоположных фазах. Начиная с Triumph Speed Twin, разработанного Эдвардом Тернером, большинство классических английских четырехтактных родстеров (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield и т.д.) использовали коленвалы на 360°; но в 1960-х годах Honda перешла на коленвалы на 180° для своих четырехтактных параллельных твинов с верхним расположением распредвала (OHC), таких как 450cc "Black Bomber" и CB500T. На мотоциклах с небольшим рабочим объемом качающиеся моменты были приемлемы без балансировочного вала, особенно по сравнению с аналогичным по размеру твином на 360°, также не оснащенным балансировочным валом. Мотоцикл Dream/Hawk CB250/400T заменил четырехцилиндровый CB400F, и для достижения более плавной работы он был оснащен твином на 360° с балансировочным валом – более равномерная работа коленвала на 360° заметно отличалась от неравномерной работы коленвала на 180°. В 1995 году Yamaha установила коленвал на 270° на свою модель TRX850, а в 1996 году – на TDM850 MK2, дополнив это балансировочным валом для компенсации результирующей комбинации свободных сил и качающихся моментов. Коленвал на 270° создает меньшие свободные силы, чем коленвал на 360° (но значительно больше, чем коленвал на 180°), и меньшие качающиеся моменты, чем коленвал на 180° (коленвал на 360° не создает таких моментов). Хотя порядок зажигания был таким же неравномерным, как у V-образного двигателя на 90°, коленвал на 270° был менее неравномерным, чем коленвал на 180°. Конфигурация на 270° оказалась удачным компромиссом и была применена в моделях Honda NC700 и Africa Twin 2016 года, в крейсерах Scrambler и Thunderbird от Hinckley Triumph, в моделях Yamaha MT-07 / FZ-07 и во многих других. Некоторые тюнеры модифицировали британские и Yamaha XS 650 с параллельными твинами, чтобы получить двигатели на 277°, близкие к коленвалам с крестообразным расположением (также известные как смещенный или перефазированный коленвал), и добились успеха в снижении вибрации по сравнению со стандартными вертикальными твинами на 360°. Такие модифицированные двигатели не получили дополнительных систем балансировки, но могут быть оснащены более легкими маховиками, поскольку поршни никогда не останавливаются одновременно, поэтому не требуется накапливать большой запас вращательного момента для компенсации – он просто передается между поршнями напрямую (через коленвал). Это, по-видимому, вдохновлено ранними работами Фила Ирвинга. Это аналогичный принцип, используемый в четырехцилиндровых двигателях Yamaha с крестообразным коленвалом, где два дополнительных цилиндра учитывают несимметричность движения поршней в верхней и нижней частях хода, что приводит к большей минимизации инерционного крутящего момента, вызванного изменением вращательного момента. В двухтактных параллельных твинах конфигурация с коленвалом на 180° была практически универсальной, обеспечивая два рабочих хода за каждый оборот. Примеры включают мотоциклы с достаточно большим рабочим объемом, такие как Scott Squirrel 598cc или Suzuki T500 498cc. Два исключения с коленвалами на 360° – это Yankee и военная версия Jawa 350.

Straight twin motorcycle engines (a. k. a. "parallel twin" and "vertical twin") historically came in two types, neither of which were "cross plane": 360° cranks with their pistons moving in tandem, or 180° cranks with their pistons moving in opposite phase. Beginning with Edward Turner's Triumph Speed Twin, most classic English 4 stroke roadsters (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield, etc) used the 360° cranks; but in the 1960s, Honda adopted the 180° cranks for its OHC 4 stroke parallel twins, such as the 450cc "Black Bomber" and CB500T. On a small displacement bike, the rocking couple was acceptable without a balance shaft, particularly when compared to a similar sized 360° twin similarly lacking a balance shaft. The 400cc Dream/Hawk CB250/400T replaced the 4 cylinder CB400F, and to obtain smoother running closer, it had a 360° twin with a balance shaft the even firing of the 360° crank noticeably smoother than the uneven 180° crank. In 1995, Yamaha fitted 270° crankshaft to its TRX850 and in 1996 to the TDM850 MK2, plus a balance shaft to counter the resulting combination of free forces and rocking couples. The 270° crank has smaller free forces than the 360° crank (but much larger than the 180° crank) and smaller rocking couples than the 180° crank (the 360° crank has no such couple). Whilst firing was as uneven as a 90° V Twin, the 270° crank was not as uneven as the 180°. The 270° configuration represents a successful compromise and has been adopted for Honda's NC700 and 2016 Africa Twin, Hinckley Triumph's Scrambler and Thunderbird cruiser, Yamaha's MT 07 / FZ 07 and a number of others. Some customising engineers have modified British and Yamaha XS 650 parallel twin motorcycles to become 277° engines, close to cross plane crankshafts (aka offset crankshaft or rephased crankshaft) with success in reducing the vibration from stock 360° vertical twins. Such modified engines have not been given additional balancing systems, but they can have lighter flywheels since the pistons are never simultaneously stationary, so rotational momentum does not need to be stored up as much to compensate, it is simply transferred between the pistons directly (through the crankshaft). This is seemingly inspired by the earlier work of Phil Irving. This is a similar principle to that in Yamaha's crossplane four cylinder engines, where the extra two cylinders account for the non symmetry of piston motion in the upper and lower halves of their strokes, resulting in greater minimisation of the inertial torque caused by changes in rotational momentum. On 2 stroke parallel twin engines, the 180° crank configuration was almost universally adopted, giving two power strokes in each revolution. Examples include quite large capacity bikes such as the 598cc Scott Squirrel or 498cc Suzuki T500. Two exceptions with 360° crankshafts are the Yankee, and the military edition of the Jawa 350.