Plano cruzado

El cigüeñal de plano cruzado más común para un motor V8 de 90° tiene cuatro muñequillas , cada una de las cuales acciona dos cilindros en bancadas opuestas, desfasadas 90° con respecto a 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° con respecto al 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 cigüeñal de plano cruzado . Un cigüeñal V8 de plano cruzado puede tener hasta nueve cojinetes principales en el caso de un diseño de ocho muñequillas, y normalmente tiene cinco cojinetes que soportan cuatro muñequillas, cada una con un muñón de cigüeñal compartido.

El diseño de cigüeñal de plano cruzado se propuso por primera vez en 1915 y fue desarrollado por Cadillac y Peerless , empresas que fabricaban motores V8 de plano plano antes de introducir este diseño. Cadillac presentó el primer motor de plano cruzado en 1923, seguido por Peerless en 1924.

El motor V8 de plano cruzado se desarrolló para producir un funcionamiento más suave que el que se logra con un diseño de plano plano. Debido a que los cuatro pistones se detienen y arrancan simultáneamente en el mismo plano en ambas bancadas, las fuerzas de segundo orden inherentes al diseño de plano plano se acumulan y se hacen perceptibles en motores de gran cilindrada. Cada bancada del motor de plano cruzado tiene cuatro fases de pistón distintas que anulan por completo las fuerzas libres de segundo orden, dejando solo vibraciones menores debidas a la variación en las masas de los componentes durante la fabricación.

Sin embargo, la disposición de 180° de las bielas final y central produce un par de balanceo primario (velocidad de la biela) , que en el caso de la V de 90° se puede contrarrestar lastrando el cigüeñal adecuadamente, de forma similar a un motor bicilíndrico en V. ^{[ 2 ]} Otros ángulos en V generalmente requieren un eje de equilibrado para mantener la misma suavidad.

Debido a los pesados ​​contrapesos en cada muñequilla del cigüeñal, la mayoría de los motores V8 de plano cruzado tienen cigüeñales muy pesados, lo que significa que, en general, no alcanzan las mismas revoluciones que sus homólogos de plano plano. Los primeros motores Hemi V8 de Chrysler tenían contrapesos pesados, pero las dos posiciones centrales a ambos lados del cojinete principal central (el tercero de los cinco) no tenían contrapeso. Dado que estas posiciones se encuentran 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 del cigüeñal), que requieren menos masa adicional para lograr el mismo efecto de equilibrio.

Sin embargo, la combustión desigual en cada bancada (véase más abajo), así como las propias fases de pistón de 90°, contribuyen a la torsión del cigüeñal, que puede ser perceptible. Es por este motivo que los motores V8 de plano cruzado llevan amortiguadores de masa sintonizados , normalmente en el extremo libre del cigüeñal.

Años después, los fabricantes de motores de coches de carreras se fijaron en el gran potencial de altas revoluciones de los V8 con cigüeñal plano. El primer motor de cigüeñal plano de altas RPM fue desarrollado en Novi, Michigan, por Bud Winfield, y compitió en las 500 Millas de Indianápolis de 1941 como el Winfield Special. Este motor, posteriormente conocido como el Motor Novi, compitió en Indianápolis hasta 1962. En la Fórmula 1, en 1962, Coventry Climax adoptó el motor de cigüeñal plano de altas revoluciones con su Mk.III FWMV en 1963. BRM hizo el mismo cambio casi al mismo tiempo, y esto se mantuvo en su coche de F1 P261 de 1964.

Los motores V8 de cuatro tiempos con plano cruzado tienen intervalos de encendido uniformes de 90 grados, pero patrones de encendido espaciados de forma desigual dentro de cada bancada de cilindros .

El orden de encendido en los bancos izquierdo y derecho es generalmente LRLLRLRR o RLRRLRLL, con cada encendido 'L' o 'R' separado por 90° de rotación del cigüeñal para un total de 720° en ocho encendidos. Como se puede observar 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 los gases) con una diferencia de fase de 360° se encuentran en bancos opuestos en un motor V8 de plano cruzado.

Los intervalos reales en cada bancada son de 180-90-180-270 grados de cigüeñal, en distintos órdenes según el motor, y no siempre en el mismo orden en todas las bancadas. Las combinaciones exactas dependen de la orientación del cigüeñal, el sentido de giro y cuál de los pares de 360° se enciende primero.

Sonido

El característico "gorgoteo" de un motor V8 de plano cruzado proviene del diseño del colector de escape , que normalmente une los cuatro puertos de escape de cada bancada de cuatro cilindros en una sola salida para mayor comodidad. Esto acentúa el patrón descrito anteriormente, a veces denominado "patata-patata", que imita el intervalo secuencial alterno y la mayor separación entre válvulas.

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 aficionados.

Es posible obtener otros sonidos mediante la agrupación cuidadosa de los pulsos de escape, pero los requisitos de espacio generalmente hacen que esto sea inviable en máquinas de carretera.

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

Esto se inspiró en los modelos de competición M1 de Yamaha para MotoGP , que siguen utilizando cigüeñales de plano cruzado hasta la fecha debido a su importante ventaja de par inercial a las altas revoluciones a las que operan estos motores. Yamaha afirma que los avances en las tecnologías de forjado de metales hicieron posible la producción en serie de esta motocicleta deportiva. ^{[ 7 ]}

El motor de cuatro cilindros en línea Fath -Kuhn, utilizado con relativo éxito en carreras de motocicletas y sidecares desde 1968 por el equipo privado URS, también era de tipo plano cruzado. Su configuración era diferente a la que se usa normalmente en un V8 o en la Yamaha mencionada anteriormente, ya que dos de las bielas estaban intercambiadas; es decir, las bielas se pueden describir como con ángulos absolutos de 0, 90, 180 y 270 grados, en lugar de los más habituales 0, 90, 270 y 180. Esto resulta en un par de torsión primario ligeramente reducido, pero introduce pares de orden superior de mucha menor magnitud.

La disposición diferente se eligió principalmente para reducir el impacto de la torsión inercial inherente a las bielas separadas 90° debido a la aceleración de los pistones (movimiento de arranque y parada), dado que este motor estaba diseñado para alcanzar altas revoluciones y las fuerzas inerciales aumentan con el cuadrado de la velocidad del motor. La reducción de la torsión se logró dividiendo la biela en dos partes separadas, unidas mediante engranajes desde sus respectivos puntos medios, a través de un eje intermedio, desde el cual se transmitía la potencia a la caja de cambios. ^{[ 8 ]}

Es probable que esta torsión inercial dentro del cigüeñal sea la razón por la que Yamaha menciona las mejoras en el forjado del cigüeñal como motivo para que el cigüeñal de plano cruzado sea viable en una motocicleta de carretera. En el motor V8, esto representa un problema menor, ya que cada carrera es compartida por dos pistones que ya están desfasados ​​90°.

Los cigüeñales de plano cruzado utilizados en un motor de cuatro tiempos y cuatro cilindros dan como resultado un encendido irregular, ya que la separación natural de los eventos de encendido es (720°/4 =) 180° en dicho motor (de ahí la popularidad del cigüeñal de plano plano de 180°). Los intervalos de encendido (el espacio entre eventos de encendido) para los motores de plano cruzado R1 y URS son 90-180-270-180 (grados de cigüeñal), pero son posibles otros intervalos, incluidos los debidos a los llamados órdenes de encendido de "big bang" . El encendido irregular 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° entre las bielas haría que el cigüeñal de plano cruzado fuera una opción natural para un motor de cuatro cilindros en línea de dos tiempos, proporcionando las ventajas de una combustión uniformemente espaciada y una menor vibración secundaria cuando las mayores vibraciones de balanceo se contrarrestan con un eje de equilibrado de velocidad del cigüeñal.