​V8发动机的平面曲轴和十字曲轴的区别

V8发动机的平面曲轴和十字曲轴的区别

V8发动机曲轴大致分为两种，一种是十字曲轴，另一种则为平面曲轴，最大的区别就是每两个曲拐之间的夹角是90度而不是180度。平面曲轴V8发动机结构简单，惯性小，有利于高转和发动机响应，震动超级爽…

发动机的机械振动存在两个概念：一次振动（first-order vibration）和二次震动(second-order vibration)

一次振动（first-order vibration）是指频率和曲轴转动速度相同的振动，避免这种振动的方法可以简单地理解为“有一个活塞上去就要有一个活塞下来”

例如三缸机

在曲轴旋转的任意时刻，不仅上下行活塞数量一直不等（没办法，谁叫你就三个肛呢），1缸和3缸的活塞运动方向还总是相反的，造成发动机不仅上下振动，还会前后摆振。想应用在量产车上的话必须装备平衡轴，否则就拿来驱动电动玩具吧。正所谓：三缸一震天地灭。

但是常见的四缸机

看起来两个汽缸向上的同时也有两个汽缸向下运动，这就是一台完美的引擎了吗？

二次震动(second-order vibration) ，即频率相当于曲轴转动速度两倍的振动

拿出四缸机的一半单独分析，不难发现由于曲柄连杆几何构型的特征，上行活塞的速度永远要比下行活塞的速度快，造成发动机以曲轴每旋转180度的时间为周期上下振动。

解决方法？旋转速度是曲轴两倍的平衡轴。可以说在70年代三菱第一次将双平衡轴应用于量产4肛发动机之后，这种发动机形式才真正有了前途。

但是早期的四缸发动机曲轴连配重都没有，加之当时的加工工艺问题，虽然发动机转速比现在柴油机还低，平顺性还是可以用呵呵两字来形容

于是乎在1910年代，凯迪拉克和福特的设计师想通过90度夹角和配重来解决震动问题。（但是理论上平面轴并不需要这个设计）

当时的侧阀V8和简陋的平面曲轴

90°夹角发动机的优势就是可以用曲轴上的平衡配重来抵消另一列汽缸活塞运动产生的振动力矩，而这个原理对无论几对汽缸的90度V型发动机都适用

例如上边的汽缸向上运动的时候，配重向下运动。而假逆时针转动，转过6点钟方向以后配重的速度指向右下方，但是右边向左运动的活塞抵消掉了这个力矩。

但是在1920年代，发动机转速提高了，二次震动问题也越来越明显，于是大部分量产的V8发动机开始装备十字曲轴。

十字曲轴（上）和平面曲轴（下）最大的区别就是每两个曲拐之间的夹角是90度而不是180度。平面曲轴V8会和直4发动机一样产生二次震动问题，而两排汽缸相隔90度的间隔还会让周期为180度的震动叠加。而十字曲轴由于两组间隔180度的曲拐之间的差距是90度而不是180度，二次震动频率只是平面曲轴的一半，振幅也大为降低

由图可见上下行活塞的数量在任意时刻并不都是相等的，会使发动机产生前后摆动。但是还记得90度发动机的优势吗？加上配重之后问题解决

但是问题来了。由于每排汽缸都有两个活塞在以90度间隔达到上止点，导致无论如何排列点火顺序，每排汽缸都会有两个以90度间隔点火，导致严重的排气干涉（也就是一般V8发动机类似农用机械的排气声浪的产生原因）。

于是为了增加低转速情况下的扫气能力，一般的民用V8在排气中段都会设计一个H型或者X型平衡管，用两边排气的压力差来减小排气干涉的影响。

而一些注重性能的V8则使用了更纠结的设计，例如福特GT的排气管吧相邻点火的气缸连接到另一边的排气歧管，更有甚者（丧心病狂的BMW）不惜把排气测放到V型的内侧以便使用更复杂的排气歧管

所以对于高性能发动机来说十字曲轴并不是什么好事。虽然振动小，但是沉重的配重导致发动机内部惯性过大，既不利于灵敏的引擎反应也不利于高转速的实现，轻量化就更别提了。此外排气干涉硬伤也犯了性能发动机的大忌。于是乎欧系高性能V8发动机（莲花、TVR和法拉利家的那些）还在坚持使用平面曲轴。

平面曲轴V8基本上就是把两台直4焊在一起，由于向上和向下运行的活塞总是成对，所以并不会出现一次震动问题，但是加倍的二次振动必须需要更重的平衡轴来应付。加了平衡轴就又增加了质量和转动惯量，于是这些性能发动机就用短冲程设计的活塞和更强的结构这些治标不治本的方法来尽可能减小这些振动。

平面曲轴V8的点火次序很简单，完全不存在十字曲轴V8同排汽缸先后点火的问题。做功的汽缸一直是左-右-左-右-左-右-左-右……，而不像十字轴一样的左-右-左-左-右-左-右-右，因此不存在排气干涉问题，可以使用常规的等长排气歧管来增加高转下的动力。

总结下十字轴和平面轴的优劣势

十字轴

优势：振动小，运转平顺

劣势：重量大，惯性大，排气干涉

平面轴

优势：结构简单，惯性小，有利于高转和发动机反应

劣势：震动感人

此外也有一些摩托车用的直4使用十字曲轴和平衡轴，意在减轻发动机内部惯性对扭矩的波动的影响或者在二冲程发动机上实现均匀点火。