Crossplane Crankshaft：十字面曲軸 - 機車

原文：http://ppt.cc/w2GG
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作用：
十字面曲軸顧名思義就是每個曲軸銷(連桿大端與曲軸連接處)配置相隔90度，因此從

曲軸側面來看，會看到兩個垂直的平面，這就是十字面曲軸命名的由來。

這樣設計的目的就是為了將曲軸受到的慣性力矩減至最低。因為，騎士們催油門時感

受到的加速力道主要可以分成兩個部分。分別是燃油爆炸產生的力量即燃燒扭力，與引擎

內各移動、轉動物件(如活塞、連桿、曲軸)所造成的慣性力，這些慣性力就像是"雜訊"一

樣干擾著燃燒扭力，因而影響騎士對油門的掌握度。

就像在聽音樂時，我們絕對不會希望有任何中斷或掉拍，或是其他的外界干擾影響我

們聽音樂，換句話說，我們不會想要音樂裡有任何噪音。所以，我們使用十字面曲軸設計

，這樣就不會有任何的噪音干擾燃燒扭力，使輸出扭力幾乎等於引擎的燃燒扭力。我們就

得到了更佳的油門反應。

早先，十字面曲軸只用在競賽用車輛上。因為十字面曲軸的曲軸形狀複雜與曲軸銷和

其他曲軸零件需要較高的製造技術。而且還因為十字面曲軸需要用上不等間隔爆炸，讓扭

力輸出較不平穩，也使引擎產生的震動較大。這些因素都使這種不對稱的曲軸設計以前從

來都沒用在量產四缸跑車上。所以為了解決這些問題，新的R1曲軸造得都比前幾代還要強

壯。

主要與次要的慣性扭力：
首先，我們介紹甚麼叫做慣性力，當一個物體在加減速時( F=ma。可看出靜者恆靜，

動者恆動) ，表示他一定是受到某種力的作用。所以我們可以在分析物體運動時，可以使

用定在物體加速座標再加上假想力(即慣性力)，便可以將動力問題簡化成靜力問題來分析

物體運動。所以當一個物體在向上加速時，可以想成有一個慣性力將他往下推。而引擎內

的慣性力可以分成主要慣性力與次要慣性力，接下來我們會將曲軸銷的平面圓周運動分成

兩個方向(垂直與平行行程)分別介紹。

主要慣性力
主要慣性力是由活塞銷因曲軸旋轉上下運動(投影在平行行程的直線上)，再經過連桿

拉動活塞上下運動，因活塞質量所產生的。所以，當活塞在上下死點時，活塞加速度最大

，也就是說這時候的慣性力會最大。也可以說這時因為活塞的慣性(靜者恆靜)，讓活塞產

生抵抗連桿將他往下拉的力。

所以可以看出來，並列四缸引擎(不論傳統180度或十字面曲軸) 任何時候都會有相反

運動的活塞，所以任何時候的主要慣性力都會互相抵銷。例如：

180度曲軸：http://ppt.cc/cYMd
當活塞１、４在上死點，活塞２、３會在下死點，反過來也一樣。
你可以看出在同一時間，會有兩組相反運動的活塞，所以可以將慣性力互相抵銷。

十字面曲軸：http://ppt.cc/hpIi
當活塞１在上死點，活塞４會在下死點，反之亦然。
當活塞３在上死點，活塞２會在下死點，反之亦然。
可以看出來雖然這時會有兩對活塞，但是結果還是一樣，活塞的慣性力互相抵消。

次要慣性力
次要慣性力是由活塞銷因曲軸旋轉左右運動(投影在垂直行程的直線上)，再經過連桿

拉動活塞上下運動，因活塞質量所產生的。換而言之，從上死點到曲軸轉90度連桿跟活塞

銷都是運動離行程中心線，而從90度到下死點，連桿跟活塞銷都是向活塞行程中心線運動

。從下死點到上死點的運動同理類推，下死點到270度連桿跟活塞銷往外移，270度到上死

點又往內移回，可以看出，次要慣性力在曲軸銷相差 180度時方向會相同。而次要慣性力

最大則是在曲軸上死點、 90度、270度都會發生。而影響慣性扭力的就是次要慣性力，在

傳統的180度曲軸上，因曲軸銷都相差180度所以次要慣性力大小方向完全一樣，這不僅無

法低消，還造成了兩倍的效果影響非常大，所以十字面曲軸便是工程師用來消除這慣性力

設計。

180度曲軸：http://ppt.cc/;_Ak
一樣可以分成兩組活塞，分別在上下死點，當在上死點的兩個活塞轉到90度時，下死
點的兩個活塞則轉向270度，結果顯示這兩個慣性力大小方向相同。

十字面曲軸：http://ppt.cc/;ktI
十字面曲軸在任何時候，每個活塞都在不同的位置或運動方向。
當活塞１在上死點往 90度運動，活塞４這時會在下死點往270度運動。這時他們兩個
產 生的慣性力都是往上(曲軸銷往外)。同時活塞２的運動會是 270度往上死點，
活塞３是90度往下死點，他們兩個產生的慣性力則是向下(曲軸銷往內)。
這表示活塞１＆４可以看成一組，活塞２＆３看成一組，他們兩組產生的次要慣性力
方向相反、大小相同，所以可以互相抵銷，表示十字面曲軸可以不受到次要慣性力的
影響。

點火順序：
因為新的曲軸配置，讓點火順序也需要重新排列。為了讓引擎能最平順的運轉，所以

新的點火順序為 1-3-2-4 ，間隔為270度180度90度180度。而傳統的點火間隔則都是180

度這也是為什麼被稱為不等間隔點火的原因。
參考影片：http://www.youtube.com/watch?v=nJKkvbsojWI&NR=1

排氣管設計：
點火順序也影響到排氣管的設計。十字面曲軸引擎的排氣波動會更劇烈，氣體最高壓

力也會比傳統設計的引擎還要高。這就表示排氣管需要更"直通"一點。傳統3-室的排氣管

(如先前的R1)會對排氣產生較大的阻力，所以新的R1使用跟賽車一樣的單室排氣管。

改採這樣的設計後，排氣的阻力降低了，引擎的性能也提升了，還有令人興奮的排氣

聲浪。而因為考慮到扭力曲線與引擎調教和配合新的"M1-type" 後懸吊，所以新的R1使用

的輕量化鈦排氣管不同於R6是擺在座位的下方。

結論：
　　所以使用十字面曲軸可以將慣性力減少到趨近於零，不會完全等於零是因為曲軸還是

會因為受力而有小變形，造成慣性力無法完全的抵銷。所以剩下來的幾乎"純"的燃燒扭力

讓騎士對油門的掌握會更加理想，更能直接與後輪的輸出產生連結。



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