【分享】汽機車的曲軸設計

luyun

玩汽車研究的兄弟注意了
  
這絕對是份好資料!
來自台灣的:-P
  
曲軸就是將活塞的垂直運動轉換為圓周運動得機件,
今天這一篇先po有關曲軸設計時所考慮到的平衡曲軸設計時
考慮到以下的四個平衡
  
1.static balancing of the rotating parts
  (轉動部份的靜態平衡)
2.partial balancing of the reciprocating parts
  (活塞運動部份的平衡)
3.dynamic balancing of the reciprocating parts
  (轉動部份的動態平衡)
4.reducing bearing presure
  (減低培林(軸承)(日文發音被ㄚ令故)的壓力)
                         ^^^^^^^^
  
下面的文章中有部份實在不知道怎麼翻譯,所以會出現一些奇怪的名詞,
但是我都附上了原文....有一些翻譯錯了的部份敬請見諒...
  
      1.static balancing of the rotating parts   
  
1.它的意思是指曲軸部份在不轉動的時候達到靜力平衡
  也就是當你將曲軸拿起將其兩端的曲軸端放在架子上
  時,你將其任意轉動至任意位置,它都會固定住,不會因
  為重力的關係而轉動,在多缸車的設計時可以利用其他缸
  的位置將其人工化(contrived)的平衡掉,但對於單缸車
  而言因為其先天上的缺陷(inherent lack of crankshaft
  static balance)所以此時設計上必須多了一個配重(
  counterbalabce weight) 使其能夠達到此平衡,而其配
  重必須均勻的放在曲軸之兩側否則會有couple出現,這將在
  第三點時講到,而其配重重量須為一半得曲軸柄重量
  (rotating mass of crankpin)..這個平
  衡是最重要的,因為當你的重心並非在旋轉的軸線上時
  它的離心力會是速度的平方倍,即當你的轉速為兩倍時
  它所造成的離心力會為四倍,所以對於摩托車這一種低
  扭力高馬力型引擎,因它於行走時必需要將轉速拉的很高
  所以對於曲軸的平衡是相當重視的,如果這一項平衡沒做好
  的話車子騎起來感覺不會很明顯,但是曲軸與曲軸箱之間的
  軸承會很容易壞掉,造成機油外洩出去,普力(傳動箱)珠or電盤(速客達)
  變速箱or電盤(擋車),另外一點當轉速拉太高時會造成曲軸變形
  到時曲軸打到曲軸箱.就好玩了.
  
       2.partial balancing of the reciprocating parts  
  
2.這一個平衡就是將活塞上下的運動所造成的重心偏移利用配重
  (counterbalance weight)將其平衡掉,但是利用配重並無法百
  分之百的將其抵消掉因為直線運動並無法利用旋轉運動將其抵消掉
  因為這兩個它是作用在不同的方式上(because a reciprocating
  mass can never be completely balanced by a rotating mass
  on the crankshaft owing to the resultant forces acting
  along different path)而剩餘的部份將利用另一種機構將其平衡
  這我稍後在po,而這一種配重設計在曲軸上時,且是為單缸車種時
  它會造成過度的矯正對於靜力平衡,但是不夠的矯正對於活塞直線運動
  the counterbalance weights added to the crankshafts of single and
  in line twin-cylinder engines generally over correct for static balance
  and under correct for reciprocating balance.
  對於這一個棘手的問題,設計者(designer)採用了折衷的辦法:使配重
  所產生的力量剛好為一半得活塞最大產生力量,所以直立缸的車較容易
  產生垂直的震動如野狼,巡弋150,由於垂直的震動透過車架經由懸吊
  傳到人身上,所以感覺較大,而水平設計的的引擎其震動會由車架吸收掉
  較不易傳到人身上,故感覺較小,如jog系列,採取完全水平的設計,而dio
  採垂直設計,所以騎乘時感覺騎jog較舒服,因人體感覺震動小,而騎dio較累
  如果有機會可以做一個小實驗,將狀況一樣(最好是一樣好,如果是一樣爛
  多多少少還是看得出來)的dio和jog立起中柱原地給它大灌油門你會發覺
  jog會跳動的很嚴重,但dio卻會在原地維持小震動,因jog引擎震動被車架吸收
  後會在中柱直接消耗掉,而不會傳到懸吊上,而dio會有一部份的震動被
  懸吊吸收掉所以較不會在地板上跳動,看起來水平缸較好,但是它也有缺點
  就是在氣態流體力學,液態流體力學,與空間利用上(維修方面) 氣態流體力學
  就是指油氣部份,在吸入時如果其進氣口做在上方則其化油器最好做成
  FZR的那一顆一樣吸氣直接由上而下吸入,在岐管部份直通而下,
  會有較小得轉折角度,但是這樣其化油器的成本就較高,但是jog考慮成本
  的因素其化油器仍然做水平的,所以岐管整整轉了90度,這對於引擎的
  吸氣效率影響很大,但是如果吸氣口做於左右測那車子做出來又會使得左右兩
  邊加的很寬使得車子成為怪物,而液態流體方面就是指機油,水平引擎較
  容易吃機油,因汽缸與活塞環之間留有一定的間隙而水平缸因重力
  的關係不易將卡在缸壁上的機油刮下,但是如果減小其間隙又容易縮缸
  至於維修空間方面,有拆過jog的引擎和dio引擎的人我想就知道其中的道理
  因為單缸車配置在車上都為前後水平,而前後水平在空間上的利用
  就已經相當的浪費了,所以相關的零組件就必須設計的剛剛好擠的進去車子
  所以目前的國產車都採取較折衷的方式前頃數度的汽缸設計,在搭配懸吊設計
  使車體震動減小,至於多缸車方面,採取水平對臥的引擎又稱拳擊手引擎
  boxer engine 其對於balancing of the reciprocating
  的平衡會利用對向的汽缸將雙方的直線力量抵消掉,使引擎最平順,如摩托車
  bmw車系.像汽車的impezra但是空間方面仍是其最大的問題,有看過civic的直四引擎室
  和impezra的引擎室就會明顯感覺出其間擁擠與簡單的極大差異,
  而另一種折衷的方式就是利用
  v缸,將震動巧妙的利用其他缸將之予以抵消掉.
  
        3.dynamic balancing of the reciprocating parts  
  
3.這一個平衡做主要是考慮到couple的力量,當汽缸設計已經達到靜力的平衡
  時其質心在軸線上,但是當其轉動的時候會產生另一種力量couple(ㄟ..不知
  怎麼翻譯..或者叫做偶力吧..)偶力會使得曲軸做8字行運動,而造成
  曲軸運轉的不順,相同的在多缸車可以利用汽缸的排列將偶力完全抵消
  掉,如直列四缸,其將汽缸曲軸排列成為上(1)下(2)下(3)上(4)是因為
  這樣1和2and1和3產生了三倍向內的偶力,而3和4and2和4產
  生了三倍向外的偶力,這兩個互相抵消而平衡,
  如果曲軸排列成為上下上下則分別產生了向內5倍和下外1倍的偶力,如此一樣無法
  抵消,還是留有4倍向內的偶力,曲軸仍然會做8字形的運動,
  所以直列四缸必須如此設計才能平衡,所以多缸車可利用汽缸本身的設計
  將其抵消掉,但是單缸和並列雙缸就必須多加平衡軸來抵消掉這一個力
  由於單缸車在考慮靜力平衡時就已經有加裝配重了,現在配重和曲軸柄
  的排列為上下上,產生的偶力為內,外,所以剛好可以抵消掉,而並列雙缸
  由於兩個曲軸柄必須在相對的位置,所以其配重只能加在相對的兩邊,(
  因考慮到靜力平衡),所以會產生下上下上的曲軸位置,此時必須將兩塊
  配重和兩塊配重間的位置做一個適當的設計使其剛好可以抵消掉,而這一個
  平衡如沒做好影響的層面就又更小了,因為曲軸與曲軸箱之間的軸承可以
  適時的吸收掉這一個力量,但是仍會減斷其壽命(耐用度),而當動力平衡時
  靜力必定平衡,但是當靜力平衡時動力不一定平衡.所以設計時必須小心
  考慮,
  
  ps:偶力,還是力偶..不太清楚,反正就是couple它的產生是有於一對大小相等
     方向相反,但作用在不同一直線上的力(force)時所產生的旋轉現象,   
     couple 須考慮到每一根crankpin(曲軸柄)之間的力量,
                    ^^^^^
  
        4.reducing bearing presure   
  
4.這一項設計是為了減少花費在機械材料上的費用,而其考慮到的部份是
  bend的力量,當曲軸達到靜力與動力平衡後因其內部產生的couple必須由
  曲軸本身的材質傳遞並且在曲軸上消除,所以必須要有一定的剛性,以直列
  四缸為例,它在設計上已經達到相當完美的靜力與動力平衡,它已經無須
  噌加配重來使其平衡,但是由於其couple的抵消均集中在中間的曲軸部份
  所以在中間的部份很可能會被偶力反覆的施以bend的力量到最後會從
  正中央折斷而現在則是在其正中央與最旁邊的部份加上配重,使其bend的力
  量分散到曲軸的個個部位,(因為現在產生了多餘的偶力,而其分布在較
  平均的地方不會使其集中於正中央),所以對曲軸的材料要求就不會那
  麼的高了,即使剛性沒那麼強一樣可以承受負荷,但是這也有一個缺點,
  就是當汽缸為較長的排列方式時如六缸,當增加其配重(counterbalance
  weight)時會降低其對torsional vibration的抵抗能力.
  
        版權所有....   
  
而設計配重時必須將上面的四個平衡都考慮進去這樣設計出來的曲軸才會
耐用而且又使引擎跑的平順,當引擎可以平順運行時期轉速才可以拉的很高
而轉速又直接影響到馬力的輸出,所以曲軸設計這一環相當重要,如果有騎擋
車或開過車的就知道,引擎轉速到達一定值時會將其劃上紅紅的,那個紅線區
就是曲軸負荷的上限值,當然產商會將其提早個1~2000轉(摩托車)500~1000轉
(汽車)以作為安全指標(F.S.=factor of safty),但是千萬不要有事沒事拉到紅線
區,這樣曲軸很容易掛的,到時候曲軸跑成橢圓形,或伸出汽缸來當"怪手"就不要哭..ccc....
  
而廠方有些也會做出一些防範措施,那就是"限速"它限的是轉速,當你
的轉速到達一定值時它就用控制點火或者是斷油的方式來降低引擎轉速
以保護引擎,
  
    以上這些是我辛辛苦苦寫出來的請要轉貼的人記得附上原作者...
    以上資料部份參考專題教授劉崇富所給予的資料.當初是要研究v缸與直缸
    的差異性...所得到的報告...還有一些資料..我再陸續po出來..
    寫的有點簡單...我會再改進....或是有錯誤的地方請提出指正...
    大家再討論討論......
  
                        中山汽研現任顧問    king....
  
--
        *****中山汽研社*****

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