Plano transversal - Crossplane

El crossplane o crossplane es un cigüeñal de diseño para los motores de pistón con un ángulo de 90 ° (fase en rotación del cigüeñal) entre la manivela lanza. El cigüeñal crossplane es la configuración más popular utilizada en los coches de carretera V8.

Aparte del V8 ya mencionado, otros ejemplos de configuraciones que utilizan tales fases de pistón de 90 ° incluyen motores de 2 , 4 , V2 y V4 en línea recta .

Los cigüeñales de plano transversal podrían usarse de manera factible con muchas otras configuraciones de cilindros, pero las ventajas y desventajas que se describen a continuación pueden no aplicarse a cualquiera de ellos oa todos y deben considerarse caso por caso.

Modelo 3d de un cigüeñal de plano transversal que demuestra el ángulo de 90 grados entre los lanzamientos de la manivela.

Cigüeñal Crossplane V8

Ford V8 cigüeñal

Diseño

El cigüeñal crossplane más común para un motor V8 de 90 ° tiene cuatro manivelas , cada una de las cuales sirve a dos cilindros en bancos opuestos, desplazados a 90 ° de los cigüeñales adyacentes. El primero y el último de los cuatro pasadores del cigüeñal están a 180 ° entre sí, al igual que el segundo y el tercero, con cada par a 90 ° entre sí, de modo que, visto desde el extremo, el cigüeñal forma una cruz.

Por lo tanto, las muñequillas están en dos planos cruzados a 90 °, de ahí el nombre crossplane . Un cigüeñal V8 de plano transversal puede tener hasta nueve cojinetes principales en el caso de un diseño de ocho tiros, y por lo general tiene cinco rodamientos que soportan cuatro tiros cada uno con un pasador de manivela compartido.

El diseño crossplane fue propuesto por primera en 1915, y desarrollado por Cadillac y Peerless , ambos de los cuales produce flatplane V8 antes de introducir el diseño crossplane. Cadillac introdujo el primer crossplane en 1923, seguido de Peerless en 1924.

Equilibrio y suavidad

Toda la motivación para el desarrollo del crossplane V8 fue mejorar la sensación de zumbido del diseño del plano. Debido a que cuatro pistones se detienen y arrancan juntos en el mismo plano en ambos bancos, las fuerzas de segundo orden inherentes al diseño del plano plano se acumulan y se notan en los motores de gran cilindrada. Cada banco del motor crossplane tiene cuatro fases de pistón distintas que cancelan por completo las fuerzas libres de segundo orden, por lo que no hay vibración de este tipo, salvo variaciones en los pesos alternativos debido a los métodos de producción.

Sin embargo, la disposición de 180 ° de los tiros de la manivela del extremo y del medio da como resultado un par de balanceo primario (velocidad de la manivela), que afortunadamente en la caja de 90 ° V se puede contrarrestar fácilmente pesando el cigüeñal de manera adecuada, al igual que un V-Twin. Otros ángulos en V generalmente requieren un eje de equilibrio para mantener las cosas tan suaves.

Debido a los contrapesos pesados en cada lanzamiento de manivela, la mayoría de los motores V8 de plano transversal tienen cigüeñales muy pesados, lo que significa que, en general, no giran con tanta libertad como sus contrapartes de plano plano. Los primeros Chrysler Hemi V8 tenían contrapesos pesados, pero las dos posiciones del medio a ambos lados del cojinete principal central (el tercero de 5 principales) no tenían ningún contrapeso. Debido a que estas posiciones están ubicadas cerca del centro del motor, contribuyen menos a contrarrestar cualquier movimiento de balanceo, de ahí el uso de contrapesos externos (por ejemplo, en la polea del cigüeñal), que requiere menos masa extra para el mismo efecto de balanceo.

Desafortunadamente, el disparo desigual en cada banco (ver más abajo), así como las fases del pistón de 90 ° en sí mismas, contribuyen a la torsión en el cigüeñal que puede ser notable; es por esta razón que los V8 de crossplane tienen amortiguadores de masa ajustados instalados en ellos. , normalmente en el extremo libre del cigüeñal. Coventry Climax descubrió que un motor plano de carrera suficientemente corta era más suave y más potente a mayores rpm, probablemente debido en parte a una ausencia relativa de estas vibraciones de torsión, y cambió a este diseño con su Mk.III FWMV en 1963. BRM hizo el mismo interruptor casi al mismo tiempo, y esto se trasladó a su coche 1964 P261 F1.

Intervalos de cocción

Los motores V8 crossplane de cuatro tiempos tienen incluso intervalos de encendido de 90 grados, pero patrones de disparo espaciados de manera desigual dentro de cada banco de cilindros .

El orden de encendido en los bancos izquierdo y derecho es generalmente L R LL R L RR o R L RR L R LL , con cada encendido 'L' o 'R' separado por una rotación de manivela de 90 ° para un total de 720 ° para ocho encendidos. Como puede verse contando cuatro caracteres a la derecha de cada 'L' o 'R' (4 x 90 ° = 360 °), los cilindros que disparan (y por lo tanto agotan) a una diferencia de fase de 360 ​​° residen en bancos opuestos en un crossplane V8.

Los intervalos reales en cada banco son 180-90-180-270 grados de cigüeñal, en varios órdenes dependiendo del motor, y no generalmente en el mismo orden en cada banco. Las combinaciones exactas dependen de la "mano derecha" del cigüeñal, la dirección de rotación y cuál de los pares de 360 ​​° se enciende primero en el orden.

1963 BRM P578 con tubos de escape individuales.
Esta es una versión de calle moderna y menos serpenteante del escape cruzado en un Ford GT40.

Sonido

El característico "murmullo" de un V8 crossplane proviene del diseño del colector de escape , que normalmente fusiona los cuatro puertos de escape en cada banco de cuatro cilindros en una salida para mayor comodidad. Esto acentúa el patrón descrito anteriormente, a veces descrito como "papa-papa", imitando el intervalo secuencial alterno y el espacio más largo.

El orden de encendido específico del motor y la configuración del escape pueden dar lugar a variaciones sutiles que pueden o no ser perceptibles para los entusiastas.

Otros sonidos son posibles mediante la agrupación cuidadosa de los pulsos de escape, pero los requisitos de embalaje (espacio) generalmente hacen que esto sea inviable en las máquinas de carretera.

Un motor NASCAR V8 con escape Tri-Y

Afinación

Recuerde que incluso los pares de disparo están dispuestos en bancos opuestos, por lo que se necesitan tubos de escape largos de igual longitud para fusionar estos pares y lograr un barrido uniforme.

Uno de los primeros ejemplos de este tipo de escape sintonizado para un V8 crossplane fue el que se instaló en los motores Coventry Climax FWMV Mk.I y Mk.II de 1.5 litros a principios de la década de 1960; se sabía que estos se interponían en el camino del servicio del motor en sí. , sin emabargo.

Muchos motores V8 de crossplane de carreras (como Ford 4.2L DOHC V8 para carreras de Indy) tenían puertos de escape en el interior del ángulo V para acortar la longitud de estos tubos de escape y hacer que las fusiones sean más fáciles de lograr sin causar problemas de empaque. El Ford GT40 hizo famoso el concepto de motores V8 de producción con una elaborada disposición de largos tubos de escape apodados "Paquete de serpientes". Estos sistemas también se denominan a veces "encabezados de 180 grados", haciendo referencia a los intervalos de 180 ° recogidos en cada rama, similar a un V8 plano.

Antes de esto, a veces se utilizaban "tubos de apilado" o "zoomies" individuales rectos (por ejemplo, BRM) para evitar el impacto negativo de la interferencia desigual del pulso de escape en la limpieza, a costa de no beneficiarse de los efectos positivos de extracción de la fusión. como anteriormente. Incluso después, en muchas ocasiones, se aceptó el déficit de rendimiento y se emplearon sistemas ordinarios 4 en 1 por banco por conveniencia. Parte de la brecha se puede compensar con escapes 4-en-2-en-1, o "Tri-Y", orientados al rendimiento, por ejemplo, los usados ​​en NASCAR y V8 Supercars.

Cigüeñal de cuatro planos cruzados en línea

La orientación de la manivela es arriba-izquierda-derecha-abajo en este dibujo en contraste con el plano de arriba-abajo-abajo-arriba

A diferencia de un V8, la disposición de plano cruzado en motores de cuatro en línea da como resultado un patrón de encendido distribuido de manera desigual, por lo que el uso tiende a limitarse a motores de revoluciones extremadamente altas. En tales motores, la ventaja de un menor desequilibrio secundario supera la desventaja del intervalo de disparo irregular. Este diseño, que no tiene pistones dispuestos a 90 ° entre sí en bancos separados, requiere un eje de equilibrio para contrarrestar las desventajas de la vibración oscilante que surgen de los desequilibrios planos en la masa en movimiento alternativo y en la masa giratoria. Consulte el artículo sobre el equilibrio del motor para obtener más detalles.

2009+ Yamaha YZF-R1

La motocicleta Yamaha YZF-R1 2009 utiliza un cigüeñal de plano transversal, que emplea un eje de equilibrio de velocidad del cigüeñal para contrarrestar la vibración de balanceo inherente (par de balanceo primario) descrita anteriormente.

Esto se inspiró en los modelos de carreras M1 MotoGP de Yamaha , que continúan usando bielas crossplane hasta la fecha debido a su importante ventaja de par inercial en el funcionamiento de rpm extremadamente alto que ven estos motores. Yamaha afirma que los avances en las tecnologías de forjado de metales hicieron de esta una práctica moto deportiva de producción.

Motor URS

El llamado motor de cuatro cilindros en línea Fath- Kuhn, utilizado con relativo éxito en las carreras de motocicletas y sidecar desde 1968 por el equipo de carreras privado URS, también era del tipo crossplane. Era una configuración diferente a la que se usa normalmente en un V8 o de hecho en la Yamaha anterior, con dos de los lanzamientos intercambiados, es decir, los lanzamientos pueden describirse como en ángulos absolutos de 0, 90, 180 y 270 grados, frente a los más habituales 0, 90, 270, 180. Esto da como resultado un par de balanceo primario ligeramente reducido, pero introduce pares de orden superior de magnitud mucho menor.

El diseño diferente se eligió principalmente para reducir el impacto de la torsión inercial inherente con los tiros de manivela separados 90 ° debido a la aceleración de los pistones (movimiento de arranque-parada), dado que este motor estaba destinado a altas revoluciones y escala de fuerzas de inercia en cuanto a el cuadrado de la velocidad del motor. La reducción de la torsión se logró dividiendo la manivela en dos partes separadas, engranadas juntas, desde sus respectivos puntos medios, a través de un contraeje, desde el cual se entregaba energía a la caja de cambios.

Es probable que esta torsión inercial dentro de la manivela sea la razón por la que Yamaha cite las mejoras en la forja de la manivela como una razón para que la manivela transversal sea viable en una bicicleta de carretera. Es un problema menor en el V8 porque cada tiro es compartido por dos pistones ya desplazados 90 °.

Intervalos de cocción

Los cigüeñales crossplane utilizados en un motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros dan como resultado un encendido desigual, ya que la separación natural de los eventos de encendido es (720 ° / 4 =) 180 ° en dicho motor (de ahí la popularidad de la manivela plana de 180 ° ). Los intervalos de encendido (el espacio entre los eventos de encendido) para los motores crossplane R1 y URS son 90-180-270-180 (grados de manivela), pero son posibles otros intervalos, incluidos los debidos a las llamadas órdenes de encendido del Big-Bang . El disparo desigual es la causa del sonido distintivo de esta configuración, que superficialmente es una combinación de 270-450 (90 ° V-Twin), 180-540 (180 ° straight twin) y 90-630 (" twingled " V -Gemelo), siendo el intervalo dominante perceptualmente el de 270 °.

La separación de tiro de 90 ° haría que la manivela de plano transversal sea una opción natural para un cuatro en línea de dos tiempos, brindando las ventajas de disparos espaciados uniformemente y menos vibración secundaria cuando las vibraciones de balanceo aumentadas se contrarrestan con un eje de equilibrio de velocidad de manivela.

Bielas gemelas rectas

Históricamente, los motores de motocicleta de dos cilindros en línea (también conocidos como "gemelos en paralelo" y "gemelos verticales") venían históricamente en dos tipos, ninguno de los cuales era de "plano transversal": manivelas de 360 ​​° con sus pistones moviéndose en tándem, o manivelas de 180 ° con sus pistones moviéndose en fase opuesta.

Comenzando con la Triumph Speed ​​Twin de Edward Turner , la mayoría de los roadsters ingleses clásicos de 4 tiempos (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield, etc.) usaban las bielas de 360 ​​°; pero en la década de 1960, Honda adoptó las bielas de 180 ° para sus gemelos en paralelo OHC de 4 tiempos, como el "Black Bomber" de 450 cc y el CB500T. En una bicicleta de pequeño desplazamiento, la pareja oscilante era aceptable sin un eje de equilibrio, particularmente en comparación con un gemelo de 360 ​​° de tamaño similar que carecía de un eje de equilibrio. El Dream / Hawk CB250 / 400T de 400 cc reemplazó al CB400F de 4 cilindros y, para obtener un funcionamiento más suave, tenía un gemelo de 360 ​​° con un eje de equilibrio: el disparo uniforme de la manivela de 360 ​​° era notablemente más suave que la manivela desigual de 180 °.

En 1995, Yamaha instaló un cigüeñal de 270 ° en su TRX850 y en 1996 en el TDM850 MK2, además de un eje de equilibrio para contrarrestar la combinación resultante de fuerzas libres y pares oscilantes. La manivela de 270 ° tiene fuerzas libres más pequeñas que la manivela de 360 ​​° (pero mucho más grande que la manivela de 180 °) y pares oscilantes más pequeños que la manivela de 180 ° (la manivela de 360 ​​° no tiene ese par). Si bien el disparo fue tan desigual como un V-Twin de 90 °, la manivela de 270 ° no fue tan desigual como la de 180 °. La configuración de 270 ° representa un compromiso exitoso y ha sido adoptada para la Honda NC700 y la Africa Twin 2016 , la Scrambler y Thunderbird cruiser de Hinckley Triumph , la MT-07 / FZ-07 de Yamaha y muchas otras.

Algunos ingenieros de personalización han modificado las motocicletas bicilíndricas en paralelo británicas y Yamaha XS 650 para convertirlas en motores de 277 °, cerca de los cigüeñales de plano transversal (también conocido como cigüeñal descentrado o cigüeñal modificado ) con éxito en la reducción de la vibración de los gemelos verticales de 360 ​​° originales. Dichos motores modificados no han recibido sistemas de equilibrio adicionales, pero pueden tener volantes más ligeros ya que los pistones nunca están simultáneamente estacionarios, por lo que el momento de rotación no necesita almacenarse tanto para compensar, simplemente se transfiere directamente entre los pistones (a través de el cigüeñal). Esto aparentemente está inspirado en el trabajo anterior de Phil Irving .

Este es un principio similar al de los motores de cuatro cilindros crossplane de Yamaha, donde los dos cilindros adicionales explican la falta de simetría del movimiento del pistón en las mitades superior e inferior de sus carreras, lo que resulta en una mayor minimización del par de inercia causado por cambios en impulso de rotación.

En los motores bicilíndricos en paralelo de 2 tiempos , la configuración de cigüeñal de 180 ° se adoptó casi universalmente, dando dos golpes de potencia en cada revolución. Los ejemplos incluyen bicicletas de gran capacidad como la Scott Squirrel de 598 cc o la Suzuki T500 de 498 cc . Dos excepciones con cigüeñales de 360 ​​° son el Yankee y la edición militar del Jawa 350 .

Ver también

Referencias

enlaces externos