Techniek: crossplane krukassen
De YZF-R1 van Yamaha is niet ‘zomaar’ een supersport met een viercilinder-lijnmotor. In het blok ligt namelijk een zogeheten crossplane-krukas, waarvan de kruktappen onder hoeken van 90° staan. Het levert een ongewone ontstekingsvolgorde en verbrandingsafstand op met als resultaat een heel bijzonder rijgevoel en geluid. En ook de nieuwe XTZ1200 Super Ténéré heeft dergelijke ‘verzette kruktappen’, tijd dus voor een lesje krukastechniek.We beginnen in 1962. Toen waren de constructietekeningen klaar van Peter Kuhn. De motor die hij ontworpen had, was bedoeld om de zijspancombinatie van Helmut Fath aan te drijven. De mannen in het dorp URSenbach zorgden voor een ommekeer in de motorbouw, want de krukas van de URS-viercilinder had een zeer ongewone vorm: het waren twee tweecilinder krukassen, gekoppeld via een hulpas. Het meest opvallende was echter dat de kruktappen hoeken van 90° met elkaar maken. Van opzij gezien stonden de vier kruktappen dus in een kruisvorm, vandaar de naam ‘crossplane’ die Yamaha jaren later aan zo’n krukasmodel heeft gegeven.Deze krukasvorm zorgt er, samen met de gekozen primaire overbrenging, voor dat de URS-motor hoge toerentallen kan draaien: tot wel 15.000 tpm. En die toerentallen zijn nodig om voldoende vermogen uit de tweekleps-motor te halen. Begin 1963 loopt de eerste motor, in 1967 pas volgt de eerste overwinning en in het jaar daarop wordt Fath wereldkampioen zijspanwegrace met deze eigenbouwmotor met zijn verbrandingsafstand van 90°-180°-270°-180°.De bijzondere motor raakt echter in de vergetelheid tot in 1995. In dat jaar komt Yamaha namelijk met een 850 cc tweecilinder lijnmotor in de TRX850, waarvan de twee kruktappen ook 90° verzet zijn. Precies zoals de linkerkrukas van de URS. Er zijn twee balansassen voor- en achter de krukas geplaatst en er is geen secundaire balansas. Omdat voor de verbrandingsafstand tussen de cilinders 1 en 2 geen 90°, maar 270° gekozen is, spreekt Yamaha van een 270° krukas. Omgekeerd zit tussen de cilinders 2 en 1 dus 450°, samen 720° zoals dat hoort bij een viertakt.Misschien is het meest waarneembare aan de TRX850 het geluid, dat lijkt lijkt op dat van een 90° V-twin zoals die van Moto Guzzi of Ducati. De Yamaha-technici willen met deze motor een aantal eisen en wensen tot een geslaagd compromis brengen. Een tweecilinder in lijn bouwt licht en compact (er is immers maar één cilinderkop en één cilinderblok) en dankzij de 270° krukas reageert de motor snel op gashendelbewegingen (zie kaderstuk) en het geluid is als dat van een V-twin met een 90° V-hoek.Die slimme krukas van de TRX 850 heeft eigenlijk pas dit jaar een waardige opvolger gekregen in de gedaante van de XT1200Z Super Ténére. Het motorontwerp daarvan is vrijwel gelijk gebleven aan dat van die kleinere voorganger en dat zegt veel over de kwaliteit van dat 15 jaar oude idee. Maar de Yamaha-technici hebben ondertussen niet stil gezeten, integendeel. Hun grootste troef is begin 2004 op de racecircuits verschenen: de MotoGP viercilinder-lijnmotor YZR-M1, een machine die ook gebruik makat van de crossplane-krukas, in plaats van een gewone ‘platte’ krukas. De M1 heeft dus ook kruktappen onder een hoek van 90° en langs de baan viel meteen het bijzondere geluid van deze M1 op. Overigens testte Yamaha zeker vier verschillende krukasvormen, elk met niet alleen een eigen geluid, maar ook een eigen rijgedrag. Het doel van deze hele MotoGP-ontwikkeling was om de respons op het gasgeven en dichtdraaien zo beheersbaar mogelijk te maken. Ook het motorkoppel in het midden toerengebied moest zo hoog mogelijk zijn, zonder gemeen te worden, want de achterband had immers al moeite genoeg om die 240 pk over te brengen op het wegdek. En de goede controleerbaarheid van het vermogen was nodig om Rossi goed te kunnen laten driften, als hij voluit accelererend een bocht uitkwam.De ‘crossplane-krukas‘ heeft bij al deze wensen een draagt veel bij aan het verminderen van de problemen van de rijders, al moet worden gezegd dat die tegenwoordig nog meer hulp krijgen van de elektronica in de vorm van een traction controle systeem.De ongewone verbrandingsafstand van de crossplane krukas werkt door tot het achterwiel. Een gewone viercilinder zal bij 8.000 tpm en 160 km/uur 12 positieve pulsen gedurende 22,5° afgeven, steeds gevolgd door een negatieve puls van 7,5°. De 90° verzette kruktappen en het lichte vliegwiel zorgen voor slechts 6 positieve pulsen van 37,5°, gevolgd door een negatieve puls van 22,5°. Volgens de bandentechnici en Rossi zelf is dat een betere verdeling van pulsen dan de gebruikelijke. Dat is bij de M1 echter nog niet alles: de nieuwe racemotor draait ‘achterover’, dus tegengesteld aan de draairichting van de wielen. Daarmee wordt het gyroscopische effect van de wielen tegengewerkt. Dat betekent dat de motor zich makkelijker laat ‘omgooien’ in snelle bochtencombinaties. Alleen moet je dan wel Rossi of Lorenzo heten om daar optimaal mee om te kunnen gaan. Wat verder nog wordt beïnvloed is het omhoogkomen van de voorkant tijdens het accelereren. De ‘wheelies’ blijven beperkter en dat zorgt voor een betere beheersbaarheid van de motor tijdens het uitaccelereren van een bocht.Omdat de elektronica inmiddels zover gevorderd is dat er tijdig wordt ingegrepen als de berijder het te bont maakt, zijn er bij de racemotor van vorig jaar enkele wijzigingen doorgevoerd. Die kreeg 10% meer vliegwielwerking dan bij het 2008-model. Het koppel bij deellast is 10% hoger bij dezelfde lucht-brandstofverhouding. De motor kan armer draaien om het brandstofverbruik te beperken. De zuigervorm van de vierkleppenmotor is gewijzigd met als gevolg dat de hoogste materiaaltemperatuur 30°C lager ligt. Een tweevoudige levensduur is mede daardoor bereikt en dat is nodig omdat de motoren betrouwbaarder moeten worden.Maar terug naar de M1-krukas: het fijne daarvan houdt Yamaha natuurlijk geheim, maar het lag voor de hand dat het succes van de YZR-M1 ook commercieel zou worden benut. Dus verscheen vorig jaar de nieuwe YZF-R1 op de markt, ook voorzien van een crossplane-krukas. En aangezien van deze supersportieve wegmotor wel afbeeldingen van d ekrukas beschikbaar zijn, is precies te zien is hoe de kruktappen zijn geplaatst. Yamaha heeft gekozen voor een ontstekingsvolgorde van 1-3-2-4 met een verbrandingsafstand van 270°-180°-90°-180°.De voordelen van de crossplane-krukas zijn overduidelijk. De gasrespons en het trillingsvrij draaien maken de YZF-R1-motor een heerlijke rijmachine met een hele bijzonder uitlaatgeluid. Er is wel een opvallend verschil met de raceversie: de krukas van de R1 draait gewoon voorover. Dat zorgt er voor dat de motorfiets een normaal gevoel geeft bij bochtenwerk. Bovendien is er een overbrenging minder, de krukas drijft via de meervoudige natte platenkoppeling rechtstreeks de primaire versnellingsbak aan. Omdat het traagheidskoppel lager is dan dat van een viercilinder met een vlakke krukas, reageert de motor beter op het openen en sluiten van de gaskleppen. Een dure secundaire balansas ontbreekt bij de R1, daar staat echter een duurder te fabriceren krukas tegenover. Bij een normale ‘platte’ krukas liggen de vier kruktappen en de krukaslagertappen immers allemaal in één vlak en kan die krukas als het ware in één klap gesmeed worden met een enorme pers. En dat kan bij ene crossplane-krukas dus niet, net als bij een driecilinder liggen de kruktappen immers niet in één het hetzelfde vlak. Foto’s/Tekeningen: Yamaha(eur_det_0009.jpg)Bys1Dit is de beroemde 270° krukas voor een viercilinder, zoals die voor het eerst in een serieproductiemotor is toegepast. We kijken er in rijrichting naar (dus van achteren), de primaire aandrijving zit rechts en cilinder 1 links. De krukas draait in dezelfde richting als de wielen, dus ‘voorover’. De ontstekingsvolgorde is 1-3-2-4 met als verbrandingsafstand 270°-180°-90°-180°.(eur_det_0010.jpg)Bys2Het motorblok van de Yamaha YZF-R1 is heel compact gebouwd. Uit 998 cc wordt 134 kW bij 12.500 tpm gehaald. Het meest bijzondere aan dit motorblok, de ongebruikelijke crossplane-krukas is van buitenaf echter niet te zien.(eur_det_0006.jpg)Bys3Zuiger en drijfstang zijn in verband met de hoge toerentallen zo licht mogelijk uitgevoerd. De 78 mm zuiger is als ‘slipper piston’ geconstrueerd en de slanke drijfstang is gesmeed. (stu_0002.jpg)Bys5Bij de R1 liggen de cilinders 31° voorover. Vergeleken met het vorige model is de motor 12 mm naar voren verplaatst voor meer gewicht op het voorwiel. De achtervork scharniert enkele mm’s lager in het frame. Deze twee maatregelen zorgen ervoor dat er minder neiging tot wheelies is..(fath-benzinemotor-1967.jpg)Bys7De 500 cc URS-motor van Helmuth Fath fungeerde als zijspanvblok waarmee in 1968 het wereldkampioenschap werd behaald. Hoe langer je naar de tekening kijkt, des te meer details er opvallen. Er zijn twee aparte tweecilinder krukassen die links en rechts in een tunnelcarter geschoven zijn. Elke krukas drijft een hulpas aan die met het halve krukastoerental draait. In het midden daarvan zit de kettingaandrijving van de beide nokkenassen.(yamaha_100591_2010.jpg)Bys8Het motorblok van de nieuwe XT1200Z Super Ténéré leunt erg op het ontwrep van de TRX850 uit 1995. De constructie van de 270° krukas en de balansassen (eentje voor en eentje achter de krukas) is nagenoeg gelijk aan die van zijn kleinere voorganger.(yamaha_100593_2010.jpg)Bys9De 270° krukas van de Yamaha Super Ténére toont de fors uitgevallen middelste krukwangen. Die nemen het grootste deel van het totaal aan contragewicht voor hun rekening.[[kasten 1]]Verbrandingskracht en traagheidskrachtEr werken tijdens het ronddraaien van een krukas drie verschillende krachten op de drijfstang van een viertaktmotor. Aangezien de drijfstang de krukas doet draaien, hebben de drie krachten dus ook invloed op het koppelverloop van de krukas. De drie krachten zijn: de gaskracht, de traagheidskracht en de wrijvingskracht. De wrijvingskracht verandert met de zuigersnelheid en hangt af van nog een paar zaken. We hoeven ons over de grootte van de wrijvingskracht niet zo druk te maken, want hij is veel kleiner dan de andere twee krachten.De verbrandingskracht op de drijfstang ontstaat door de gaskracht die op de zuiger staat. De gaskracht hangt af van het meer of minder ver opendraaien van het gashendel. Tijdens het comprimeren van het mengsel ondervindt de krukas weerstand. Het kost dan moeite de zuiger omhoog te bewegen. Tijdens de verbranding krijgt de drijfstang een stevige duw die de krukas doet ronddraaien.De traagheidskracht op de drijfstang ontstaat door het bewegen van de zuiger vanuit de dode punten. De krukas draait daardoor niet gelijkmatig rond, maar hij vertraagt en versnelt steeds.Als we de verbrandingskracht en de traagheidskracht bij elkaar optellen, kunnen we het echte koppelverloop aan de krukas uitrekenen. Daarbij moeten we rekening houden met de stand van de drijfstang ten opzichte van de kruktap. Bij ongeveer 80° na het BDP staat de drijfstang loodrecht op de lijn die door het hart van de krukas en de krukpen gaat.Het vliegwiel is nodig om de krukas draaiende te houden bij lage toerentallen. Omdat het koppelverloop per twee omwentelingen (we praten nog steeds over een viertakt) zo onregelmatig is, zal de krukas stoppen zodra de zuiger het mengsel moet comprimeren. Daarom wordt er in het vliegwiel een deel van de energie ‘opgeslagen’ die de krukas tijdens de verbranding toegevoerd krijgt. Grote ééncilinders draaien langzaam en hebben daarom een groot vliegwiel nodig. Bij hoge toerentallen zorgt de krukas zelf voor voldoende vliegwieleffect. Er is dan alleen een klein vliegwiel nodig om de motor rustig stationair te laten draaien.Tweecilinder in lijn motoren zijn meestal uitgevoerd met twee krukastypen: één waarbij de kruktappen in dezelfde stand naast elkaar staan of één waarbij de kruktappen hoog en laag naast elkaar staan. Het eerste type krukas wordt aangeduid als een 360° krukas, het tweede type als een 180° krukas.Yamaha heeft er sinds 1995 nog een nieuw type krukas aan toegevoegd: de 270° krukas. Dat is een krukas waarbij de tweede kruktap 90° verzet staat ten opzichte van de eerste kruktap. De aanduiding 270° komt vanwege de verbrandingsafstand tussen de beide cilinders. Deze bedraagt 270° gevolgd door een afstand van 450°, samen 720° ofwel twee omwentelingen.Uit het door Yamaha uitgerekende koppelverloop voor de drie typen tweecilinder motoren blijkt dat de 270° krukas twee stevige zetten geeft aan het vliegwiel en dat het vliegwiel daarna maar weinig afremt. De krukas van zo’n motor kan daarom met een lichter vliegwiel even mooi rondlopen als een motor met een 360° krukas. Een lichter vliegwiel laat zich makkelijker in toerental variëren dan een zwaarder exemplaar. Met andere woorden: een tweecilinder met een 270° krukas reageert sneller op gasgeven en gasloslaten dan eenzelfde motor met een 360° krukas.KOPPELVERLOOP IN BEELD1. Tijdens de verbranding zorgt de gasdruk op de zuiger dat de krukas wordt rondgedraaid. In het Bovenste Dode Punt (BDP) ontstaat er geen koppel op de krukas omdat de zuiger en de drijfstang in een rechte lijn staan. Tijdens de compressie kost het moeite om de zuiger omhoog te bewegen, vandaar dat de koppellijn dan negatief is.2. Het kost moeite om de zuiger op gang te brengen. Vandaar dat er eerst een negatief koppel ontstaat. Is de zuiger eenmaal op snelheid, dan duwt hij de krukas nog even door. Daartoe ontstaat er een positief koppel. Bij ongeveer 80° staat de drijfstang precies haaks op de kruktap. Dan is de zuigersnelheid maximaal, de zuigerversnelling is daarbij nul.3. Als één krukas twee zuigers op en neer moet bewegen, heeft de stand van de kruktappen veel invloed op het koppelverloop. De 360° krukas is precies tweemaal een ééncilinder, want de zuigers gaan tegelijk op en neer. Bij een 180° krukas lopen de zuigers ongelijk op en neer. Als er één uit het BDP vertrekt, vertrekt de andere uit het ODP. Bij een 270° krukas zoals die van de Yamaha TRX 850 moeten we in de gaten houden dat de kruktap zelf 270° is verdraaid ten opzichte van die van de eerste cilinder. Uit het samengestelde koppelverloop blijkt dat het minder moeite kost om de krukas rond te draaien dan bij de beide andere krukassen.4. Als we het verbrandingskoppel en het traagheidskoppel van de beide cilinders samenstellen, krijgen we als resultaat het echte koppelverloop aan de krukas tijdens twee omwentelingen. Kijk eerst naar de 360° krukas. Daarbij is te zien dat de verbrandingen elkaar na 360 krukgraden opvolgen. Het samengesteld of resulterend koppelverloop is heel grillig. Bij de 180° krukas komen de verbrandingen met tussenpozen van 180° en 540°. Dat geeft een merkwaardig koppelverloop, met een sterk golvend verloop tijdens de twee slagen zonder verbranding.Bij de 270° krukas komen de twee verbrandingen goed tot hun recht, er ontstaat een groot positief koppel. Het negatief koppel is kleiner dan bij de andere twee krukastypen. Een 90° V-motor met twee drijfstangen op één kruktap (Guzzi en Ducati bijvoorbeeld) hebben hetzelfde koppelverloop.[[kasten 2]]TRILLINGSVRIJ DRAAIENTijdens het draaien van de krukas ontstaan er twee soorten onbalans: primaire en secundaire. Met primaire (eerste) onbalans worden trillingen bedoeld die met het motortoerental variëren. De secundaire (tweede) onbalans varieert met het tweevoudige motortoerental.Beide soorten onbalans zijn het gevolg van onvolkomenheden van het kruk-drijfstangmechanisme. De zuiger gaat immers heen en weer terwijl de krukas ronddraait. Het is niet mogelijk om zonder bijzondere voorzieningen een ééncilinder motor trillingsvrij te laten draaien. Er is een balansas nodig die met krukastoerental draait en er is een balansas nodig die met het dubbele toerental draait. Eigenlijk zijn er zelfs vier balansassen nodig. Twee die tegen elkaar in draaien met krukastoerental en twee die eveneens tegen elkaar in draaien, maar dan met het dubbele krukastoerental.Bij tweecilinder lijnmotoren met een 360° krukas is de balancering gelijk aan die van twee ééncilinders bij elkaar opgeteld. Dat geldt zowel voor de primaire als voor de secundaire onbalans.Als het om een 180° krukas gaat, is de primaire balancering weliswaar voor elkaar, maar de secundaire nog niet. De secundaire onbalans is echter zo groot als die van de twee cilinders samen. Bovendien is er een balansas nodig om het kantelmoment op te heffen dat door de ongelijke stand van de contragewichten ontstaat. De balansas draait met krukastoerental in tegengestelde richting.Bij de door Yamaha gebruikte 270° krukas is de secundaire onbalans niet meer aanwezig, maar er blijven nog een primaire onbalans en een kantelmoment over.De Yamaha-technici gebruiken voor de 270° krukas twee balansassen die voor en achter de krukas liggen en met krukastoerental draaien. Op elke balansas zitten twee gewichten die elk 25% van het contragewicht voor hun rekening nemen. Het contragewicht van de krukas zelf doet met 50% mee om de primaire onbalans op te heffen. Er blijft dus een kantelmoment over.
