El crossplane o crossplane es un diseño de cigüeñal para motores de pistón con un ángulo de 90° (fase en la rotación del cigüeñal) entre los giros del cigüeñal. [1] El cigüeñal crossplane es la configuración más popular utilizada en los automóviles de carretera V8 [ cita requerida ] .
Aparte del V8 ya mencionado, otros ejemplos de configuraciones que utilizan dichas fases de pistón de 90° incluyen motores de 2 cilindros en línea , 4 cilindros en línea , V2 y V4 .
Los cigüeñales crossplane podrían usarse con muchas otras configuraciones de cilindros, pero las ventajas y desventajas que se describen a continuación pueden no aplicarse a ninguna o a todas ellas y deben considerarse caso por caso.
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El cigüeñal crossplane 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. 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 tanto, las muñequillas se encuentran en dos planos cruzados a 90°, de ahí el nombre de plano cruzado . Un cigüeñal V8 crossplane puede tener hasta nueve cojinetes principales en el caso de un diseño de ocho pasos y, por lo general, tiene cinco cojinetes que soportan cuatro tiros, cada uno con un pasador de cigüeñal compartido.
El diseño crossplane fue propuesto por primera vez en 1915 y desarrollado por Cadillac y Peerless , quienes produjeron motores V8 planos antes de introducir el diseño crossplane. Cadillac presentó el primer crossplane en 1923, seguido por Peerless en 1924.
El crossplane V8 fue desarrollado para producir un motor más suave de lo posible con un diseño 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 plano se acumulan y se vuelven perceptibles en 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, dejando solo vibraciones menores debido a la variación en las masas de los componentes durante la fabricación.
Sin embargo, la disposición de 180° de los giros del extremo y del medio del cigüeñal da como resultado un par de balanceo primario (velocidad del cigüeñal), que en el caso de 90° V se puede contrarrestar ponderando adecuadamente el cigüeñal, muy parecido a un V-Twin. [2] Otros ángulos en V generalmente requieren un eje equilibrador para mantener las cosas lo más suaves posible.
Debido a los pesados contrapesos en cada giro de la manivela, la mayoría de los V8 crossplane tienen cigüeñales muy pesados, lo que significa que, en general, no aceleran tan libremente como sus homólogos planos. Los primeros Chrysler Hemi V8 tenían contrapesos pesados, pero las dos posiciones intermedias 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 de punta del cigüeñal), que requieren menos masa adicional para lograr el mismo efecto de equilibrio.
Desafortunadamente, el disparo desigual en cada banco (ver más abajo), así como las fases de 90° del pistón, contribuyen a la torsión en el cigüeñal, que puede ser notable; es por esta razón que los V8 crossplane tienen amortiguadores de masa sintonizados . , normalmente también en el extremo libre del cigüeñal. Coventry Climax descubrió que un motor plano de carrera suficientemente corta era más suave y potente a altas revoluciones, probablemente debido en parte a una relativa ausencia de estas vibraciones torsionales, y cambió a este diseño con su Mk.III FWMV en 1963. BRM fabricó el mismo interruptor aproximadamente al mismo tiempo, y esto se trasladó a su auto P261 F1 de 1964.
Los motores V8 crossplane de cuatro tiempos tienen intervalos de encendido uniformes de 90 grados, pero patrones de encendido espaciados de manera desigual dentro de cada banco de cilindros .
El orden de disparo 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 contando cuatro caracteres a la derecha de cada 'L' o 'R' (4 x 90° = 360°), los cilindros que disparan (y por lo tanto agotan) con 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 del cigüeñal, en varios órdenes según el motor y, por lo general, no en el mismo orden en cada banco. Las combinaciones exactas dependen de la "orientación" del cigüeñal, del sentido de rotación y de cuál de los pares de 360° se enciende primero en el orden.
El "burbujeo" característico de un V8 crossplane 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 "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 agrupando cuidadosamente los impulsos de escape, pero los requisitos de embalaje (espacio) generalmente hacen que esto sea inviable en máquinas de carretera.
Recuerde que incluso los pares de disparo están dispuestos en bancos opuestos, por lo que se necesitan tubos de escape largos y de igual longitud para fusionar estos pares y lograr una evacuación uniforme. [3]
Uno de los primeros ejemplos de un escape afinado 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 obstaculizaban el mantenimiento del motor. , sin embargo.
Muchos motores V8 crossplane de carreras (como el Ford 4.2L DOHC V8 para carreras Indy) tenían puertos de escape en el interior del ángulo en 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. [4] El Ford GT40 hizo famoso el concepto de V8 de producción con una elaborada disposición de largos tubos de escape apodado "Paquete de serpientes". Estos sistemas también se denominan a veces "encabezados de 180 grados", en referencia a los intervalos de 180° recogidos en cada rama, similar a un V8 plano.
Antes de esto, a veces se utilizaban "tubos de chimenea" individuales rectos o "zoomies" (por ejemplo, BRM [5] ) para evitar el impacto negativo de la interferencia desigual del pulso de escape en la recolección, a costa de no beneficiarse de los efectos positivos de la extracción. de fusionarse, como se indicó 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 utilizados en NASCAR y Supercars V8. [6]
A diferencia de un V8, la disposición crossplane en los motores de cuatro en línea da como resultado un patrón de disparo 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 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 la vibración de balanceo que surgen de los desequilibrios planos entre la masa alternativa y la masa giratoria. Consulte el artículo sobre equilibrio del motor para obtener más detalles.
La motocicleta Yamaha YZF-R1 2009 utiliza un cigüeñal crossplane, empleando 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 a revoluciones extremadamente altas que ven estos motores. Yamaha afirma que los avances en las tecnologías de forjado de metales hicieron de esta una práctica motocicleta deportiva de producción. [7]
El llamado motor de cuatro cilindros en línea Fath -Kuhn, utilizado con relativo éxito en las carreras de motos y sidecars desde 1968 por el equipo de carreras privado URS, también era del tipo crossplane. Era una configuración diferente a la que normalmente se usa en un V8 o incluso en la Yamaha anterior, con dos de los tiros intercambiados; es decir, los tiros pueden describirse como en ángulos absolutos de 0, 90, 180 y 270 grados. versus 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 a los giros del cigüeñal espaciados 90° debido a que los pistones se aceleran (movimiento start-stop), dado que este motor estaba destinado a tener altas revoluciones y fuerzas de inercia escaladas 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 entre sí, desde sus respectivos puntos medios, a través de un contraeje, desde donde se entregaba la potencia a la caja de cambios. [8]
Es probable que esta torsión inercial dentro de la biela sea la razón por la que Yamaha cita las mejoras en el forjado de la biela como una razón para que la biela transversal sea viable en una bicicleta de carretera. Es un problema menor en el V8 porque cada recorrido es compartido por dos pistones ya desplazados 90°.
Los cigüeñales crossplane utilizados en un motor de cuatro cilindros y cuatro tiempos dan como resultado un encendido desigual, ya que la separación natural de los eventos de ignición es (720°/4 =) 180° en dicho motor (de ahí la popularidad del cigüeñal plano 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 del cigüeñal), pero son posibles otros intervalos, incluidos los debidos a las llamadas órdenes de disparo big-bang . El disparo desigual es la causa del sonido distintivo de esta configuración, que superficialmente es una combinación del 270-450 (90° V-Twin), 180-540 (180° twin recto) y 90-630 (" twined " V -Gemelos), siendo el intervalo dominante perceptivamente el de 270°.
La separación de tiro de 90° haría que la manivela transversal sea una opción natural para un motor de dos tiempos y cuatro cilindros en línea, proporcionando las ventajas de un disparo espaciado uniformemente y menos vibración secundaria cuando el aumento de las vibraciones de balanceo se contrarresta con un eje de equilibrio de velocidad del cigüeñal.
Los motores de motocicleta de dos cilindros en línea (también conocidos como "gemelos paralelos" y "gemelos verticales") históricamente existían en dos tipos, ninguno de los cuales era de "plano cruzado": bielas de 360° con sus pistones moviéndose en tándem, o bielas 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.) utilizaban bielas de 360°; pero en la década de 1960, Honda adoptó las bielas de 180° para sus gemelos paralelos OHC de 4 tiempos, como el "Black Bomber" de 450 cc y el CB500T. En una bicicleta de pequeña cilindrada, el par de balanceo era aceptable sin eje de equilibrio, particularmente en comparación con una bicilíndrica de 360° de tamaño similar que tampoco 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 motor gemelo de 360° con un eje de equilibrio: el disparo uniforme de la biela de 360° es notablemente más suave que el de la biela desigual de 180°. [ cita necesaria ]
En 1995, Yamaha instaló un cigüeñal de 270° en su TRX850 y en 1996 en su 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 mayores que la de 180°) y pares de balanceo más pequeños que la manivela de 180° (la manivela de 360° no tiene tal par). Mientras que el disparo era tan desigual como el de un V-Twin de 90°, la manivela de 270° no era tan desigual como la de 180°. La configuración de 270° representa un compromiso exitoso y ha sido adoptada por la NC700 de Honda y la Africa Twin 2016 , la Scrambler y la Thunderbird cruiser de Hinckley Triumph, la MT-07/FZ-07 de Yamaha y muchas otras.
Algunos ingenieros de personalización han modificado motocicletas bicilíndricas paralelas British y Yamaha XS 650 para convertirlas en motores de 277°, cercanos a cigüeñales de plano cruzado (también conocidos como cigüeñales desplazados o cigüeñales refaseados ) con éxito en reducir la vibración de los gemelos verticales originales de 360°. [9] Estos motores modificados no cuentan con sistemas de equilibrio adicionales, pero pueden tener volantes más ligeros ya que los pistones nunca están estacionarios simultáneamente, por lo que no es necesario almacenar tanto impulso de rotación para compensar, simplemente se transfiere entre los pistones. directamente (a través del cigüeñal). Esto aparentemente está inspirado en el trabajo anterior de Phil Irving .
Este es un principio similar al de los motores crossplane de cuatro cilindros de Yamaha, donde los dos cilindros adicionales representan 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 par de inercia causado. por cambios en el momento de rotación.
En los motores bicilíndricos en paralelo de 2 tiempos , la configuración de manivela de 180° se adoptó casi universalmente, dando dos golpes de potencia en cada revolución. Los ejemplos incluyen motos de bastante gran cilindrada como la Scott Squirrel de 598 cc o la Suzuki T500 de 498 cc . [11] Dos excepciones con cigüeñales de 360° son el Yankee y la edición militar del Jawa 350 .
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