El cigüeñal de plano cruzado o cross-plane es un diseño de cigüeñal para motores de pistón con un ángulo de 90° (fase en la rotación del cigüeñal) entre los recorridos del cigüeñal. [1] El cigüeñal de plano cruzado es la configuración más popular utilizada en los automóviles de carretera V8 [ cita requerida ] .
Además del V8 ya mencionado, otros ejemplos de configuraciones que utilizan fases de pistón de 90° incluyen motores de 2 cilindros en línea , de 4 cilindros en línea , V2 y V4 .
Los cigüeñales de plano cruzado se podrían utilizar con muchas otras configuraciones de cilindros, pero las ventajas y desventajas descritas a continuación pueden no aplicarse a ninguna o todas ellas y deben considerarse caso por caso.
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El cigüeñal de plano cruzado más común para un motor V8 de 90° tiene cuatro muñequillas , cada una de las cuales sirve a dos cilindros en bancos opuestos, desplazadas a 90° de las muñequillas adyacentes. La primera y la última de las cuatro muñequillas están a 180° entre sí, al igual que la segunda y la tercera, y cada par está a 90° del otro, de modo que, visto desde el extremo, el cigüeñal forma una cruz.
Por lo tanto, los muñones del cigüeñal se encuentran en dos planos cruzados a 90°, de ahí el nombre de plano cruzado . Un cigüeñal V8 de plano cruzado puede tener hasta nueve cojinetes principales en el caso de un diseño de ocho vueltas, y generalmente tiene cinco cojinetes que sostienen cuatro vueltas, cada uno con un muñón del cigüeñal compartido.
El diseño de plano cruzado se propuso por primera vez en 1915 y fue desarrollado por Cadillac y Peerless , quienes produjeron motores V8 de plano plano antes de introducir el diseño de plano cruzado. Cadillac introdujo el primer diseño de plano cruzado en 1923, seguido por Peerless en 1924.
El V8 de plano cruzado se desarrolló para producir un motor más suave que el que es posible con un diseño de plano 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 de plano plano se acumulan y se vuelven perceptibles en los motores de gran cilindrada. Cada banco del motor de plano cruzado tiene cuatro fases de pistón distintas que cancelan por completo las fuerzas libres de segundo orden, lo que deja solo vibraciones menores debido a la variación en las masas de los componentes durante la fabricación.
Sin embargo, la disposición de 180° de los recorridos del cigüeñal central y final da como resultado un par oscilante primario (velocidad del cigüeñal) , que en el caso del V de 90° se puede contrarrestar ponderando el cigüeñal adecuadamente, de forma muy similar a un V-Twin. [2] Otros ángulos en V generalmente requieren un eje equilibrador para mantener las cosas suaves.
Debido a los contrapesos pesados en cada recorrido del cigüeñal, la mayoría de los V8 de plano cruzado tienen cigüeñales muy pesados, lo que significa que no giran tan libremente en general como sus contrapartes de plano plano. Los primeros Chrysler Hemi V8 tenían contrapesos pesados, pero las dos posiciones centrales a ambos lados del cojinete principal central (el tercero de los 5 cojinetes principales) no tenían ningún contrapeso. Debido a que estas posiciones están ubicadas cerca del centro del motor, contribuyen menos a contrarrestar los movimientos de balanceo; de ahí el uso de contrapesos externos (por ejemplo, en la polea de la punta del cigüeñal), que requieren menos masa adicional para el mismo efecto de equilibrio.
Desafortunadamente, el encendido desigual en cada bancada (ver abajo), así como las propias fases de 90° del pistón, contribuyen a la torsión en el cigüeñal, que puede ser notoria; es por esta razón que los V8 de plano cruzado tienen amortiguadores de masa ajustados instalados en ellos, nuevamente generalmente en el extremo libre del cigüeñal. Coventry Climax descubrió que un motor de plano 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 torsionales, y cambió a este diseño con su Mk.III FWMV en 1963. BRM hizo el mismo cambio aproximadamente al mismo tiempo, y esto se trasladó a su auto F1 P261 de 1964 .
Los motores V8 de cuatro tiempos con plano cruzado tienen intervalos de encendido de 90 grados uniformes, pero patrones de encendido 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 se puede ver al contar cuatro caracteres a la derecha de cada "L" o "R" (4 x 90° = 360°), los cilindros que se encienden (y por lo tanto expulsan) con una diferencia de fase de 360° se encuentran en bancos opuestos en un V8 de plano cruzado.
Los intervalos reales en cada banco son 180-90-180-270 grados del cigüeñal, en distintos órdenes según el motor, y no normalmente en el mismo orden en cada banco. Las combinaciones exactas dependen de la "lateralidad" del cigüeñal, de la dirección de rotación y de cuál de los pares de 360° se enciende primero en el orden.
El "burbujeo" característico de un V8 de plano cruzado proviene del diseño del colector de escape , que normalmente fusiona los cuatro puertos de escape de cada banco de cuatro cilindros en una sola salida para mayor comodidad. Esto acentúa el patrón descrito anteriormente, a veces descrito como "patata-patata", que imita el intervalo secuencial alterno y el espacio más largo.
El orden de encendido específico del motor y la configuración del escape pueden generar variaciones sutiles que pueden o no ser perceptibles para los entusiastas.
Son posibles otros sonidos mediante una agrupación cuidadosa de los pulsos de escape, pero los requisitos de espacio generalmente hacen que esto no sea factible en los vehículos de carretera.
Recordemos que incluso los pares de encendido están dispuestos en bancos opuestos, por lo que se necesitan tubos de escape de igual longitud para fusionar estos pares y lograr una limpieza uniforme. [3]
Uno de los primeros ejemplos de un escape modificado de este tipo para un V8 de plano cruzado 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; sin embargo, se sabía que interferían en el mantenimiento del propio motor.
Muchos motores V8 de plano cruzado para carreras (como el Ford 4.2L DOHC V8 para carreras Indy) tenían puertos de escape en el interior del ángulo en V para hacer que estas longitudes de tubo de escape fueran más cortas y las fusiones fueran más fáciles de lograr sin causar problemas de empaquetamiento. [4] El Ford GT40 hizo famoso el concepto de los V8 basados en la producción con una disposición elaborada de tubos de escape largos apodados "Bundle of Snakes". Estos sistemas también se denominan a veces "colectores de 180 grados", en referencia a los intervalos de 180° reunidos en cada rama, similar a un V8 de plano plano.
Antes de esto, a veces se usaban "tuberías de escape" individuales rectas, o "zoomies", (por ejemplo, BRM [5] ) para evitar el impacto negativo de la interferencia de pulsos de escape desiguales en la limpieza, a costa de no beneficiarse de los efectos de extracción positivos de la fusión, como se mencionó anteriormente. Incluso después, en muchas ocasiones se aceptó el déficit de rendimiento y se emplearon sistemas 4 en 1 ordinarios por banco por conveniencia. Parte de la brecha se puede compensar con escapes 4 en 2 en 1 orientados al rendimiento, o "Tri-Y", por ejemplo, los que se usan en NASCAR y V8 Supercars. [6]
A diferencia de un V8, la disposición de planos cruzados en los motores de cuatro cilindros en línea da como resultado un patrón de encendido distribuido de manera desigual, por lo que su uso tiende a limitarse a motores de revoluciones extremadamente altas. En dichos motores, la ventaja de un menor desequilibrio secundario supera la desventaja del intervalo de encendido irregular. Este diseño, al no tener pistones dispuestos a 90° entre sí en bancos separados, requiere un eje de equilibrio para contrarrestar las desventajas de vibración oscilante que surgen de los desequilibrios de los planos en la masa reciprocante y la masa giratoria. Consulte el artículo sobre equilibrio del motor para obtener más detalles.
La motocicleta Yamaha YZF-R1 2009 utiliza un cigüeñal de plano cruzado, que emplea un eje de equilibrio de velocidad del cigüeñal para contrarrestar la vibración de balanceo inherente (par de balanceo primario) descrita anteriormente.
Esta versión se inspiró en los modelos de carreras M1 MotoGP de Yamaha , que siguen utilizando bielas de plano cruzado hasta la fecha debido a su importante ventaja de par inercial en el funcionamiento a altas revoluciones por minuto de estos motores. Yamaha afirma que los avances en las tecnologías de forjado de metales hicieron de esta una motocicleta deportiva de producción práctica. [7]
El llamado motor de cuatro cilindros en línea Fath -Kuhn, que el equipo privado URS utilizó con relativo éxito en las carreras de motos y sidecar a partir de 1968, también era de tipo crossplane. Se trataba de una configuración diferente a la que se utilizaba normalmente en un V8 o, de hecho, en la Yamaha mencionada anteriormente, en la que se intercambiaban dos de los ejes , es decir, los ejes se pueden describir como si estuvieran 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 oscilación 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 a los recorridos del cigüeñal espaciados 90° entre sí debido a la aceleración de los pistones (movimiento de arranque y parada), dado que este motor estaba destinado a funcionar a altas revoluciones y las fuerzas inerciales se escalan en relación con el cuadrado de la velocidad del motor. La reducción de la torsión se logró dividiendo el cigüeñal en dos partes separadas, engranadas entre sí, desde sus respectivos puntos medios, a través de un eje intermedio, desde el cual se entregaba potencia a la caja de cambios. [8]
Es probable que esta torsión inercial dentro del cigüeñal sea la razón por la que Yamaha cita mejoras en el forjado del cigüeñal como una razón para que el cigüeñal de plano cruzado sea viable en una motocicleta de carretera. Es un problema menor en el V8 porque cada recorrido es compartido por dos pistones ya desfasados 90°.
Los cigüeñales de plano cruzado 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 ignición es (720°/4 =) 180° en un motor de este tipo (de ahí la popularidad del cigüeñal de plano plano de 180°). Los intervalos de encendido (el espacio entre los eventos de ignición) para los motores de plano cruzado R1 y URS son 90-180-270-180 (grados del cigüeñal), pero son posibles otros intervalos, incluidos los debidos a los llamados órdenes de encendido big-bang . El encendido desigual es la causa del sonido distintivo de esta configuración, que superficialmente es una combinación de los intervalos 270-450 (V-Twin de 90°), 180-540 (V-Twin recto de 180°) y 90-630 (V-Twin " twingled "), siendo el intervalo dominante perceptualmente el de 270°.
La separación de 90° del eje del cigüeñal haría que el cigüeñal de plano cruzado fuera una opción natural para un motor de cuatro cilindros en línea de dos tiempos, brindando las ventajas de un encendido espaciado uniformemente y menos vibración secundaria cuando las mayores vibraciones de balanceo se contrarrestan con un eje de equilibrio de velocidad del cigüeñal.
Los motores de motocicletas bicilíndricos en línea (también conocidos como "bicilíndricos paralelos" y "bicilíndricos verticales") históricamente venían en dos tipos, ninguno de los cuales era "de plano cruzado": cigüeñales de 360° con sus pistones moviéndose en tándem, o cigüeñales de 180° con sus pistones moviéndose en fase opuesta.
A partir de la Triumph Speed Twin de Edward Turner , la mayoría de las roadsters clásicas inglesas de 4 tiempos (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield, etc.) usaban bielas de 360°; pero en la década de 1960, Honda adoptó las bielas de 180° para sus bicilíndricos paralelos de 4 tiempos OHC , como la "Black Bomber" de 450 cc y la CB500T. En una moto de pequeña cilindrada, el par oscilante era aceptable sin un eje de equilibrio, particularmente cuando se comparaba con un bicilíndrico de 360° de tamaño similar que también carecía de eje de equilibrio. La Dream/Hawk CB250/400T de 400 cc reemplazó a la CB400F de 4 cilindros y, para obtener un funcionamiento más suave y cercano, tenía un bicilíndrico de 360° con un eje de equilibrio: el encendido uniforme del cigüeñal de 360° era notablemente más suave que el cigüeñal irregular de 180°. [ cita requerida ]
En 1995, Yamaha instaló un cigüeñal de 270° en su TRX850 y en 1996 en la TDM850 MK2, además de un eje de equilibrio para contrarrestar la combinación resultante de fuerzas libres y pares de balanceo. El cigüeñal de 270° tiene fuerzas libres menores que el cigüeñal de 360° (pero mucho mayores que el de 180°) y pares de balanceo menores que el de 180° (el de 360° no tiene dicho par). Si bien el encendido era tan desigual como el de un V-Twin de 90°, el cigüeñal de 270° no era tan desigual como el de 180°. La configuración de 270° representa un compromiso exitoso y se ha adoptado para la NC700 y la Africa Twin de 2016 de Honda, la Scrambler y la cruiser Thunderbird de Hinckley Triumph , la MT-07 / FZ-07 de Yamaha y varias otras.
Algunos ingenieros de personalización han modificado motocicletas bicilíndricas paralelas British y Yamaha XS 650 para convertirlas en motores de 277°, con cigüeñales de plano cruzado (también conocidos como cigüeñal desplazado o cigüeñal reprogramado ) con éxito en la reducción de la vibración de los bicilíndricos verticales de 360° de serie. [9] A estos motores modificados no se les han dado sistemas de equilibrio adicionales, pero pueden tener volantes más ligeros ya que los pistones nunca están estacionarios simultáneamente, por lo que el momento de rotación no necesita almacenarse tanto para compensar, simplemente se transfiere directamente entre los pistones (a través del cigüeñal). Esto aparentemente está inspirado en el trabajo anterior de Phil Irving .
Este es un principio similar al de los motores de cuatro cilindros de plano cruzado de Yamaha, donde los dos cilindros adicionales explican la no simetría del movimiento del pistón en las mitades superior e inferior de sus carreras, [10] lo que resulta en una mayor minimización del torque inercial causado por cambios en el momento rotacional.
En los motores bicilíndricos en paralelo de dos tiempos , la configuración del cigüeñal a 180° se adoptó casi universalmente, lo que proporciona dos tiempos de potencia en cada revolución. Los ejemplos incluyen motos de cilindrada bastante grande, como la Scott Squirrel de 598 cc o la Suzuki T500 de 498 cc . [11] Dos excepciones con cigüeñales de 360° son la Yankee y la edición militar de la Jawa 350 .
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