The Cross-plane Crank：十字面曲軸 - 機車

原文：http://www.ashonbikes.com/cross-plane_crank
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大家應該都知道近幾年的R1都配備了十字曲軸，但他到底能做什麼呢？傳統四缸引擎

的曲軸銷都在同一平面上，也就是說左右最外的曲軸銷與中間兩個曲軸銷相差了180度。

而這種配置就產生了一種叫慣性扭力的東西。這個慣性扭力獨立於引擎爆炸、汽缸壓力，

完全是曲軸布局所造成。


為了讓大家了解慣性扭力，首先假想一個曲軸，沒有活塞、連桿、汽門組件等等，同

時在無摩擦的情況下轉動。因為沒有任何外力讓他加速或減速，所以他會以等速一直轉動

下去。現在，將曲軸連上連桿、活塞，一樣在無摩擦力的情況下運轉，這時候隨著曲軸轉

動，活塞經過連桿的帶動也開始往復運動。在這個情況下，由於沒有爆炸、摩擦力等等外

力介入，所以活塞、連桿、曲軸三個元件所組成的系統在運轉時總能量一直保持定值。


而在系統運轉時，活塞在上下死點速度最小，在行程中點左右時速度最大，因為活塞

速度的改變，活塞本身的動能變化也很大，但是在前一段說過系統的總能量是不變的，所

以活塞動能必定是轉移到連桿或曲軸上了。如果以前面提到的傳統四缸曲軸來看，因為四

個活塞分成兩組且兩組相差 180度，所以當一組活塞在上死點時另一組就在下死點，兩組

都處在動能最小的情況。而當一組在行程中點左右時另一組也一樣在相同位置，這時四個

活塞都在速度最大、動能最大的情況。所以傳統四缸曲軸在轉一圈時，會受到四個活塞的

影響轉速增減兩次。


隨著曲軸轉速這兩次增減，隨之產生的就是正負變化的扭力脈波，可以看到這個扭力

脈波是與引擎燃燒、爆炸沒有關係的。這個隨著曲軸運轉持續不斷的扭力脈波就像背景噪

音影響著整體的扭力輸出，模糊了引擎扭力曲線也影響了騎士對車輛動力輸出的掌控度。

因此在賽車手極限操作下無法對後胎抓地力有最佳化的利用。


而對十字面曲軸來說，這個扭力波動可以完全去除。十字面曲軸如字面的意思，四個

曲軸銷分別在曲軸的四個方位彼此各相差90度。所以當其中一個活塞減速時，必定會有另

一個活塞正在加速，如此四個活塞對曲軸轉動動能的影響就彼此互相抵銷了。這個設計因

此產生了平順穩定的動力輸出。


前面雖然說扭力波動是背景噪音但是請不要誤會，扭力波動的大小是非常大的，所以

消除他之後，在動力鏈中的很多妥協都可以拿掉了。像是在很多離合器背板上可以看到的

金屬彈簧或橡膠襯套，就是為了吸收慣性扭力脈波以保護變速箱。拿掉他可以讓引擎傳到

後輪的力更直接，改善騎乘感。


在這另外提一下大家常常說Ｖ型引擎出彎性能優異，但為什麼呢？現在大家應該馬上

可以聯想到慣性扭力。沒錯，Ｖ型引擎也幾乎沒有慣性扭力。理由如同前述，當一個活塞

加速時，同時也有個活塞在減速，抵銷了對曲軸轉動的影響。這也是為什麼Ducati可以在

出彎性能上贏過更大動力的傳統並列四缸引擎。


儘管YAMAHA從來沒有宣稱09年R1是靠不等間隔點火，就是我們常聽到的--大爆炸效應

(Big Bang Effect)來改善循跡性，但是還是有很多人認為十字曲軸的用意是為了不等間

隔點火。在這裡要重申一下並不是如此，十字曲軸是為了去除高頻(引擎轉速兩倍)的扭力

波動，而不等間隔點火只是副作用而已。


所以到底為什麼說大爆炸效應能改善循跡性呢？背後的原因是由於輪胎與地面的動靜

摩擦力。如果使用不等間隔點火，會讓原本固定的點火間隔有的加長、有的縮短。而加長

的間隔就可以讓輪胎有更長的時間回復輪胎地面間的連結。但是這個理論的問題就是，輪

胎與地面的連結並不是可以二分為動靜摩擦這麼簡單。因此目前也還沒有能證明這個理論

與循跡性間的關係。


延伸閱讀：
關於引擎平衡
http://what-when-how.com/automobile/engine-balance-automobile/

關於點火順序
http://what-when-how.com/automobile/firing-order-of-cylinders-automobile/

慣性扭力實際計算
http://www.ashonbikes.com/inertial_torque

汽缸夾角的物理意義
http://ppt.cc/Q2H7
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