Een normale Yamaha R6 heeft een krukas waarbij de zuigers twee aan twee ‘parallel’ bewegen. Ten Kate Racing heeft voor de R6 een ‘crossplane’-krukas ontwikkeld, waarbij de kruktappen 90° van elkaar verdraaid staan. Waarom doen ze dat?
De trappers van je fiets zitten op een hefboom, de zogenaamde ‘crank’. Doordat je de trappers naar beneden duwt, zorgt de hefboom voor een draaiend moment ten opzichte van de trapas. De trappers zitten 180° van elkaar verdraaid. Het zou immers lastig zijn als ze allebei dezelfde kant uitwezen, want hoe krijg je ze dan weer omhoog? Als ze tegenover elkaar staan, komt de ene omhoog als je de andere naar beneden trapt. Logisch en handig. Bij bijna alle viercilindermotoren gaat dat net zo: als twee zuigers naar beneden gaan, gaan de andere twee omhoog. Meestal bewegen de buitenste zuigers tegelijk en doen de binnenste dat samen ook: de binnenste kruktappen staan dan dus 180° verdraaid ten opzichte van de buitenste. Dat is handig, want dan krijg je ook een mooie, evenwichtige ontstekingsvolgorde. Bij een viertaktmotor heeft elke cilinder namelijk elke twee omwentelingen – dus elke 720° – een verbrandingsslag. Met een 180°-krukas kun je de verbrandingsslagen dus mooi evenredig verdelen. Als cilinder 1 op het bovenste dode punt (BDP) heeft gevonkt, staan zuigers 2 en 3 op het onderste dode punt (ODP). 180° later staan ze bovenin, dan laat je cilinder 3 vonken. Cilinder 2 heeft dan net de uitlaatslag gehad. 180° later staat zuiger 4 bovenin, die laat je dan vonken, terwijl cilinder 1 de uitlaatslag net heeft gehad. Cilinder 3 heeft dan zijn inlaatslag gehad en begint aan de compressieslag, dus 180° later staat die bovenin klaar om te vonken. Zo krijg je dus een mooi evenredig ontstekingsinterval van 180° graden.
Techniek MV Agusta 5-cilinder motorconcept: geen V, geen lijn
Mooie balans
De 180°-configuratie heeft nog een voordeel: hij heeft een mooie balans. Of beter: de onbalans van elke zuiger wordt door een andere gecompenseerd. Elke zuiger zorgt namelijk op zichzelf voor onbalans. Dat komt omdat hij in de cilinder op en neer beweegt. Om de bewegingsrichting van de zuiger in het BDP of ODP om te keren, moet de zuiger eerst worden vertraagd tot hij stilstaat. Vandaar de naam ‘dode punt’. Dan wordt hij weer versneld. Daar is een kracht voor nodig, die evenredig is met de versnelling of vertraging en de massa van het voorwerp: F=m.a. Die kracht wordt geleverd door de krukas, via de drijfstang. De krukas moet zich daarvoor ‘afzetten’ tegen de motorbehuizing. De zuiger krijgt in het BDP dus een ‘klap’ naar beneden, het motorblok krijgt daardoor via de krukas een even grote klap omhoog. In het ODP gebeurt hetzelfde, maar dan in omgekeerde richting. Het motorblok zit vast in het frame en geeft de klappen daar weer aan door.
De krukas
Behalve de op en neer gaande beweging van de zuiger – ook wel translerende beweging genoemd – is er nog een beweging die onbalans veroorzaakt: de rotatie van de krukas zelf. De kruktap, waaraan het grote deel van de drijfstang zit (het big-end), zit niet in het hart van de draaibeweging. Logisch, anders zou het geen slagbeweging veroorzaken. Maar omdat het gewicht van deze kruktap niet in het midden zit, veroorzaakt die bij het draaien van de krukas een centrifugaalkracht, die ook als onbalans voelbaar is. Dan speelt ook de drijfstang zelf nog een rol in de onbalans. Het onderste deel van de drijfstang volgt namelijk de roterende beweging van de krukas, terwijl het bovenste deel meedoet met de translerende beweging van de zuiger. Die gewichten moeten dus ook worden meegenomen in het herstel van de balans.
Balanceren
De roterende en translerende onbalans kun je tegengaan door een extra gewicht op de krukwang aan te brengen, recht tegenover de kruktap zelf. Geven de zuiger en de kruktap een klap omhoog, dan geeft het contragewicht van de krukwang een klap omlaag. En omgekeerd. Zo is er een mooi krachtenevenwicht, zodat de krukas zich niet tegen het motorblok hoeft af te zetten en de trilling in de bewegingsrichting van de zuiger is opgeheven. Helaas beweegt het contragewicht op de krukwang niet alleen omhoog en omlaag, maar ook naar voren en naar achter. Voor het deel van het contragewicht dat het gewicht van de kruktap compenseert, is dat niet erg, want daarvan werken zowel de onbalans van de kruktap als het contragewicht altijd in hetzelfde vlak. Die heffen elkaar dus bij elke stand van de krukas op. Het deel van het contragewicht dat de op en neer gaande beweging van de zuiger compenseert, gaat dat niet op: dat geeft halverwege elke slag een onbalans dwars op de bewegingsrichting van de zuiger. Zou je het gewicht van de zuiger voor de volle 100% met een balansgewicht op de krukas compenseren, dan krijg je daarvoor in de plaats een 100% horizontale onbalans terug.
Balansassen
In de praktijk kun je de onbalans van de zuiger maar voor 50% opheffen met een contragewicht. Daar krijg je dan 50% horizontale onbalans voor terug en dat is comfortabeler dan 100% in één richting. Bij eencilindermotoren kun je de resterende onbalans opheffen met een aparte balansas. Die as heeft dan 50% van het onbalansgewicht en draait tegengesteld aan de krukas. In verticale richting werkt die balansas met het contragewicht van de krukas mee om de onbalans van de zuiger op te heffen. In horizontale richting werkt de balansas het contragewicht tegen en heft zo de horizontale onbalans op.
Bij een viercilinder met 180°-krukas is dat natuurlijk niet nodig. Dus als de middelste twee zuigers samen omhooggaan, gaan de buitenste twee tegelijk naar beneden. Als de middelste twee in het BDP omkeren en zo een stoot aan het motorblok uitdelen, doen de onderste twee zuigers datzelfde in omgekeerde richting in het ODP. Twee even grote krachten in tegengestelde richting heffen elkaar op. Dus is er geen overblijvende kracht, geen onbalans. Datzelfde geldt ook voor de kruktappen, want als de contragewichten van de middelste cilinders naar voren gaan, gaan de gewichten van de buitenste cilinders naar achteren. Dat geeft een mooi evenwicht, temeer daar de cilinders, in de lengterichting van het blok gezien, allemaal symmetrisch ten opzichte van de hartlijn van het blok zitten. Ze geven dus ook geen kantelmoment aan de motor.
Secundaire onbalans
Helaas is er bij een verbrandingsmotor nog een ander fenomeen dat onbalans veroorzaakt, namelijk het feit dat de drijfstang ‘schuin’ of diagonaal gaat staan als de kruktap uit het BDP wegdraait. Daardoor wordt de verticale afstand tussen de zuiger en de kruktap korter, terwijl het omgekeerde gebeurt als de zuiger in de richting van het ODP gaat. En hetzelfde gebeurt nog een keer als de zuiger van het ODP naar het BDP gaat. In elke krukasomwenteling wordt de verticale zuiger-kruktapafstand dus tweemaal korter en weer langer. Dit veroorzaakt dus tweemaal per krukasomwenteling een extra versnelling en vertraging, die een tweede oftewel ‘secundaire’ onbalans oplevert. De grootte daarvan hangt af van de lengte van de drijfstang en de lengte van de kruktap, want die twee maten bepalen hoe schuin de drijfstang gaat staan. Hoe langer de drijfstang, hoe kleiner de secundaire onbalans. De onbalans is relatief klein en veel motorfabrikanten negeren het gewoon. Als je het wil oplossen, moet je een speciale, ‘secundaire’ balansas plaatsen, die twee keer zo snel draait als de krukas.
Crossplane
Een viercilindermotor met conventionele 180°-krukas heeft last van secundaire onbalanskrachten. Deze krachten zijn bij elke cilinder op BDP en ODP tegelijkertijd maximaal. Zijn ze dezelfde kant op gericht, dan heffen ze elkaar niet op, maar versterken ze elkaar, wat fijne trillingen kan opleveren in bijvoorbeeld handvatten en voetsteunen. Dat probleem heeft de door Ten Kate ontwikkelde ‘crossplane’-krukas niet. Bij dit concept, dat Yamaha zelf een paar jaar geleden ook voor de R1 ontwikkelde, zijn de kruktappen elk 90° ten opzichte van elkaar verdraaid. Daardoor bewegen de zuigers niet netjes twee aan twee en dat heeft nogal wat gevolgen. Bijvoorbeeld voor de primaire onbalans. We zien dan dat cilinders 1 en 4 180° ten opzichte van elkaar verdraaid zijn, als in een 180°-twin. De primaire onbalans van die twee cilinders heft elkaar dus op, net als die van cilinders 2 en 3. Kijken we naar de secundaire onbalans, dan zien we dat cilinders 1 en 2 respectievelijk 3 en 4 90° ten opzichte van elkaar verschoven zijn. Dat betekent dat deze cilinderparen elkaars secundaire onbalans opheffen. Restonbalans: nihil. Daar staat tegenover dat de ontstekingsvolgorde zeer onregelmatig is geworden: 270°-180°-90°-180°, vergelijkbaar met een 90° V4.
Techniek Desmodromische klepbediening: uniek anders
Ten Kate
Is de crossplane-krukas dan de ideale oplossing? “Bij een 180°-krukas draait de krukas elke keer dat de zuigers stilstaan een beetje sneller, waardoor de beweging van de krukas niet eenparig is, hij versnelt en vertraagt steeds een beetje. Bij de crossplane heb je dat veel minder, want er zijn altijd nog twee zuigers in beweging. Dat geeft een gelijkmatigere kracht op het achterwiel en daardoor een betere grip de bocht uit,” aldus Rutger Belt, manager van Ten Kate Racing Products. Toch is er geen voordeel zonder nadeel: “Bij een viercilinder met 180° of ‘flat plane’-krukas geven de onbalanskrachten van de zuigers een buigend moment op de krukas. Als de twee buitenste een klap omhoog geven, geven de binnenste een klap omlaag. Dat heeft verder geen consequenties. Bij de crossplane geeft steeds één cilinder een klap omhoog en één een klap omlaag, de andere twee zijn halverwege hun slag. Dat betekent dat de primaire onbalanskrachten van de zuigers een kantelmoment genereren in de lengterichting van het blok. Dus moet je eigenlijk weer een balansas toepassen om dat tegen te gaan. Maar die mogelijkheid heeft het R6-blok niet. We hebben daarom trillingsanalyses gedaan en geëxperimenteerd met extra balansgewichten van wolfraam in de krukwangen om uiteindelijk tot een trillingsniveau te komen dat de componenten niet beschadigt en dat voor de rijder comfortabel genoeg is,” aldus Rutger. Verder moest Ten Kate natuurlijk andere nokkenassen ontwikkelen, want als de zuigers op een ander moment omhoog- en omlaaggaan, moeten ook de kleppen op andere momenten openen en sluiten. Ook de ontstekings- en injectievolgorde en timing moeten anders, daarvoor werd de standaard GYTR-ECU geherprogrammeerd.
Geen productie
Uiteindelijk levert het Crossplane-R6-blok 128 pk bij 14.200 tpm, 10 pk meer dan standaard. Het koppel is van 61,7 Nm bij 10.500 toegenomen tot 65 Nm. Voor Ten Kate zijn de voordelen niet groot genoeg om het blok in productie te nemen. De grootste winst voor Ten Kate Racing Products is het leerproces en de kennis die hiermee is vergaard.
Foto’s: Peter Aansorgh
