Techniek krukassen
De krukas is het onderdeel dat de verbrandingsdruk op de zuiger via de drijfstang omzet in een draaibeweging; een proces waarbij enorme krachten vrijkomen. Niet alleen maar van de gewenste soort, helaas. Wanneer de zuigers met de energie die in je dure benzine zit op de krukas staan te stampen, ontstaan massakrachten en –momenten. Als die niet worden beteugeld, zou de motor zichzelf binnen een paar kilometer eigenhandig demonteren. Een zuiger van een BMW S1000RR bijvoorbeeld, genereert bij 12.000 toeren een massakracht van meer dan 6000 newton, hetgeen ongeveer overeen komt met een gewicht van 600 kilo. En dat bij elke omwenteling van de krukas twee keer, wanneer de zuiger in het bovenste en onderste dode punt van ongeveer 130 km/uur wordt afgeremd tot nul en meteen weer naar volle snelheid accelereert. Dat gebeurt dus 400 keer per seconde! Het probleem bij dit zeer dynamische proces is dat de enorme massakrachten en -momenten van het kruk-drijfstangmechanisme worden doorgegeven aan het hele blok en vervolgens ook het rijwielgedeelte, hetgeen afhankelijk van cilinderaantal en blokconfiguratie voor meer of minder sterke trillingen zorgt. Ook als de massakrachten door contragewichten aan de krukwangen (zie foto boven) worden gecompenseerd, blijven er nog resttrillingen over, die bij de meeste moderne motoren door balansassen worden ingedamd. Een tweecilinder lijnmotor, meer gangbaar als paralleltwin aangeduid, met een 180° krukas, waarbij de kruktappen dus tegenover elkaar staan, hebben door hun tegengesteld lopende zuigers als geheel weliswaar een gebalanceerde massaverhouding, maar ze kampen wel met flinke massamomenten. De zuigers willen de krukas als het ware voortdurend kantelen in zijn lengterichting, doordat de twee zuigers door hun benodigde tussenruimte de krukas als hevel gebruiken (zie tekening 1). Een ander type motor met tegengesteld lopende zuigers is de boxermotor, waarbij de cilinders tegenover elkaar staan. Door de veel kleinere afstand tussen de kruktappen heeft deze veel minder last van deze massamomenten (tekening 3). Bij vier-in-lijn motoren met een gebruikelijke 180° kruktapverzet worden de massakrachten van de eerste orde, evenals de massamomenten, door de tegengesteld lopende zuigers en drijfstangdelen volledig opgeheven (tekening 4). Dat is niet het geval bij de huidige motor van de Yamaha YZF-R1, waar sinds 2009 een asymmetrische krukas met op 90° verzette kruktappen in ronddraait, waardoor ook de ontstekingsintervallen onregelmatig zijn. Daar is een balansas noodzakelijk om een trillingsarme loop te krijgen. Wat bij zowel één-, twee-, drie- als viercilinder lijnmotoren blijft, zijn vrije massakrachten van de tweede orde. Die worden niet veroorzaakt door de balancering van de massa’s zelf, maar door de geometrie van het kruk-drijfstangmechanisme, waarbij de zuiger in het bovenste dode punt een andere (grotere) versnelling kent dan de tegenlopende zuiger in het onderste dode punt (zie kader ‘Trillingen van de tweede orde’). Hierdoor heffen de twee krachten elkaar niet volledig op, iets dat twee keer per omwenteling gebeurt. De trilling die hierdoor ontstaan kunnen daarom enkel worden opgeheven met een balansas die met het dubbele krukastoerental draait, zoals bijvoorbeeld in het blok van de Kawasaki Z1000 (zie foto pagina ??). Zware draaiende delen in de vorm van dikke krukwangen of zware vliegwielen helpen eveneens om de motor, met name bij lage toerentallen, gelijkmatig en soepel te laten draaien. Daar staat tegenover dat zware draaiende delen op en aan de sneldraaiende krukas de wendbaarheid van de complete machine verslechteren. Door de gyroscopische werking is er meer kracht nodig om de motor snel van de ene in de andere bocht te gooien, of om hem flitsend te laten insturen. Overigens moet bij het bepalen van de benodigde hoeveelheid vliegwiel ook de vermogensafgifte aan het achterwiel in ogenschouw worden genomen. Te weinig vliegwielwerking bevordert het stuiteren van het achterwiel tijdens het remmen, het kan chattering veroorzaken (hoogfrequente trillingen in het voorwiel) en het kan ook teveel slip van de achterband veroorzaken door te aggressieve aandrijfpieken in de vermogensafgifte over een volledige arbeidscyclus. Er moet dus een compromis worden gevonden om zoveel mogelijk wendbaarheid met een voldoende vloeiende motorloop te combineren. Reden waarom ingenieurs in de racerij graag gebruik maken van variabele vliegwielmassa’s in de vorm van verschillende dynamo-rotors of aanschroefbare gewichten. Motortrillingen ontstaan uitsluitend door massakrachten en massamomenten, niet door de verbranding, ofwel de kracht die de zuiger naar beneden duwt. Aangezien de gasdrukken in de verbrandingkamer zich, beginnend bij de bougie, gelijkmatig in alle richtingen verspreiden, heffen deze krachten zich tegen elkaar op. Bij gas geven is het wel zo dat het op de aandrijflijn inwerkende ongelijkmatige koppel van het blok torsietrillingen veroorzaakt. De voelbare vibratie is het gevolg van de koppelpieken over de complete cyclus van twee volledige krukasomwentelingen (bij tweetakten één omwenteling). Dit kan vooral bij één- en tweecilindermotoren voor flinke rukken in de aandrijflijn zorgen. Daarnaast zorgt het snelle op en neer bewegen van de zuigers, al naar gelang de motorconfiguratie, voor zogenaamde pompverliezen. De oorzaak daarvan ligt in de omlaag bewegende zuigers die lucht verplaatsen en comprimeren, vooral een issue bij ééncilinders, paralleltwins en boxermotoren. Een vier-in-lijn met 180° krukas, die onder de zuigers vrije doorgang biedt van de ene naar de andere cilinder, heeft een nagenoeg perfect volume evenwicht. Bij de eerdergenoemde blokconfiguraties, en ook V-motoren met kleine blokhoek, wordt de lucht echter in het carter flink samengeperst, dat kost vermogen en maakt daarom een slimme carterontluchting noodzakelijk. Of je zuigt, zoals KTM doet, met een pomp het lucht-oliemengsel uit het afgesloten carter, zodat onderdruk ontstaat en de pompverliezen drastisch worden verminderd. Ondanks de extra benodigde oliepomp wordt daardoor vermogenswinst geboekt. Om de krachten en buigmomenten te kunnen weerstaan, worden moderne krukassen van hoogwaardig smeedstaal gemaakt. Bij het bewerken van de glijlageroppervlakken van de kruktappen voor de drijfstangen en lagertappen van de hoofdlagers, worden aan de randen grote afrondstralen toegepast, zodat de kerfwerking wordt verminderd en scheurvorming tegengegaan. Dit zou namelijk onder de enorme buig- en torsiekrachten tot een fatale krukasbreuk leiden. Voor een duurzame lagering lopen de huidige krukassen in veruit de meeste gevallen in glijlagers, welke met een oliedruk van twee tot vijf bar rechtstreeks door de oliepomp van smering worden voorzien. De glijlagerschalen bestaan meestal uit twee lagermaterialen die op de stalen schalen worden gespoten (zie foto’s pagina??). Tot in de jaren tachtig werden veel Japanse motoren uitgerust met krukassen in wentellagers. Deze opgebouwde krukassen werden uit losse delen in elkaar geperst, zodat ook tussen de cilinders deze lagers konden worden gemonteerd. Dit waren vaak rollagers in combinatie met minstens één kogellager, die de axiale geleiding op zich nam. Het voordeel: lage wrijving en niet gevoelig voor gebrekkige smering. Nadelen: zeer duur om te maken, rumoerige motorloop, het is zwaarder en het neemt meer ruimte in beslag. Krukassen moeten, ongeacht het aantal cilinders, voor een mooie motorloop optimaal worden gebalanceerd. Deze bewerking wordt gedaan door speciale, dynamische machines, die de gewenste balanceerfactor weergeven. Om de tegenover de kruktappen aan de krukwangen aangebrachte contragewichten op de juiste massa te brengen, worden ze daar waar nodig door boringen lichter gemaakt (zie foto pagina ??). Specialistische bedrijven kunnen ook later krukassen tot op een halve gram nauwkeurig balanceren of uitwegen en dat geeft het beste uitgangspunt voor een mooi trillingsarm lopend motorblok. De krukasvorm bepaalt behalve de slag van de zuiger, ook de ontstekingsintervallen. Bij V-motoren zorgt de hoek tussen de cilinders voor asymmetrische ontstekingsintervallen, in tegenstelling tot de meeste lijnmotoren. Bij de vier-in-lijn is de uitzondering de Yamaha YZF-R1 vanaf 2009, naar het voorbeeld van de YZR-M1 MotoGP-racer vanaf 2004. Deze loopt door de op 90° verzette kruktappen als een 90°-V4 met 180°-krukas (intervallen 180°-90°-180°-270°). Paralleltwins met een 360° krukas, waarbij de zuigers dus gelijk op en neer lopen, kennen een symmetrische ontsteking, namelijk elke 360°, de 180° twins met tegengesteld lopende zuigers daarentegen een asymmetrische (180°-540°). Een uitzondering hierop vormen de tweecilinder lijnmotoren met de kruktappen op 90° (net als bij de R1), zoals Yamaha’s TRX850 en latere TDM-blokken, evenals sommige luchtgekoelde Triumph motoren en de aangepaste BMW F800-aggregaten in de Husqvarna Nuda, deze lopen en klinken als een 90° V-twin (270°-450°). Driecilinders lopen door hun 120° krukas met 240° vonkinterval heel gelijkmatig. Sommige oude Laverda driecilinders echter hadden een goedkope ‘platte’ krukas, waardoor ze ook asymmetrische intervallen hadden (180°-180°-360°). En waarom wordt al deze moeite met ongelijke ontstekingsintervallen gedaan? Eén ding is zeker: het is niet alleen maar gedaan om de YZR-M1 met zijn contraroterende krukas van een fraai uitlaatgeluid te voorzien. Zeker omdat deze constructie ook nog een balansas vereist en de in- en uitlaatgasstromen niet zo gunstig kunnen worden gecombineerd als bij een symmetrische vier-in-lijn. Het kost dus niet alleen meer geld, maar nog vermogen ook. Waarom dan toch? De reden is tweeledig. Enerzijds vanwege de manier waarop de achterband wordt belast door de vermogenspulsen. Het toverwoord hierbij: big-bang. Ruim twintig jaar geleden werd dit principe al op Mick Doohans Honda NSR500 voor het eerst toegepast, tegenwoordig is het in allerlei varianten te vinden. Als je in detail naar de belasting van de achterband kijkt, zie je dat hij niet constant door het volledige motorkoppel wordt aangedreven. Over een volledige cyclus van twee krukasomwentelingen pulseert het koppel vanwege de verbrandingen en compressieslagen. Bij de oorspronkelijke big-bang NSR500 viercilinder tweetakt werden daadwerkelijk twee cilinders tegelijk ontstoken, kort daarna de andere twee en dan een hele tijd niets. Een interval van 68°-292° over één omwenteling, de volledige tweetakt-cyclus. Dit was een echte big-bang-motor, met twee dubbele klappen pal na elkaar. Bij viertakten heb je twee omwentelingen de tijd en dus meer spreidingstijd. Daarbij worden de verbrandingen tegenwoordig liefst niet precies tegelijk gedaan, omdat het ook de aandrijflijn zwaarder belast. Twee verbrandingen worden dus zo dicht mogelijk naar elkaar toegeschoven, zodat een langere enkele puls onstaat zonder dat de piek veel hoger wordt. Bij de R1 en M1 liggen overigens maar twee van de vier verbrandingen echt dicht bij elkaar, dus er is over de hele cyclus van twee omwentelingen één lange puls en twee korte, net als bij een Honda VFR800. Die heeft met zijn 90°-V4 met 180°-krukas dezelfde intervallen. De beroemde RC30 en RC45 hebben een 90°-V4 met 360°-krukas, oftewel de kruktappen in lijn met elkaar. Daardoor hebben die als intervallen 270°-90°-270°-90°, dus twee keer een overlappende 90°-puls. Deze klinkt dan ook laagtoeriger. Het gevolg voor de achterband bij zowel de big-bang als de zogenaamde ‘long-bang’ is dat er kortstondig meer slip ontstaat, waarna er een langere pauze is waarin de band geen aandrijfkracht hoeft over te brengen, waardoor hij thermisch en mechanisch ontlast wordt. Hiermee probeert men enerzijds de achterband te ontzien en anderzijds de drift voor de rijder beter controleerbaar te maken. Ook de elektronische tractiecontrolesystemen hebben het gemakkelijker, doordat er meer tijd tussen de krachtpulsen zit. Er is dus meer tijd om in te grijpen zodra er slip wordt vastgesteld. In het geval van de M1/R1-lijnmotoren met hun ‘crossplane’-krukas, zoals Yamaha het noemt (de vier kruktappen liggen niet in één vlak zoals bij de gewone platte krukas, maar in twee elkaar kruisende vlakken), is er echter nog een ander voordeel ten opzichte van een gewone 180°-krukas. Bij die 180°-krukas staan alle vier de zuigers tegelijk stil; bij de ‘kruisvlak’-krukas slechts twee, terwijl de andere twee op volle snelheid zijn. Daardoor zijn er minder torsietrillingen, draait de motor vloeiender rond en, misschien wel de belangrijkste reden, worden de trillingen van de tweede orde bijzonder sterk verminderd. Hetzelfde voordeel geldt overigens voor een echte V-motor of een drie-in-lijn met 120°-krukas, zoals de Triumph Daytona 675, bij die laatste staat er steeds maar één zuiger stil, terwijl de andere twee bewegen. Van de huidige superbikes loopt behalve de R1 ook de V4 van de Aprilia RSV4 met asymmetrische ontstekingsintervallen, door de blokhoek van 65° en de 180°-krukas zijn die intervallen 180°-115°-180°-245°. ________________________________________ [KASTEN ‘BAUTEILEN KURBELWELLE’ PAGINA 65] DE ONDERDELEN VAN DE KRUKAS 1 Dynamo-rotor/Vliegwiel 2 Startmotorvrijloop 3 Krukashoofdlager 4/1 t/m 4/4 Kruktappen 5 Tandwiel voor de balansas 6 Krukwang/Contragewicht 7 Tandwiel voor nokkenasketting 8 Balanceerboring 9 Oliekanaal 10 Tandwiel primaire aandrijving ________________________________________ [KASTEN UNTERSCHIEDLICHE MOTORKONZEPTE, SEITE 66-67] [ROTE PFEIL] Massakrachten [BLAUER PFEIL] Massamomenten CA = Cilinderafstand 1. 180° PARALLELTWIN Dankzij de tegengestelde beweging van de zuigers heffen de massakrachten van zuigers en drijfstangen elkaar op. Door de onvermijdelijke, relatief grote afstand tussen de cilinders (CA) genereren de afwisselend op- en neergaande zuigers echter een kantelmoment (groene pijlen) om het middelste hoofdlager van de krukas. Om de daardoor veroorzaakte trillingen te elimineren, hebben dit soort blokken tegenwoordig één of twee balansassen of een elastische montage in het frame. 2. 360° PARALLELTWIN De klassieke twin zoals Triumph en Norton die vroeger maakten, ook wel staande twin genoemd. Dit zijn eigenlijk twee ééncilinders naast elkaar en ze veroorzaken enorme trillingen, welke alleen kunnen worden tegengegaan met forse balansassen of een speciale loze drijfstang zoals bij de vroegere Ducati Supermono en de BMW F800-modellen. Daarentegen ontstaan er geen massamomenten. De oude Engelse blokken hadden geen balansassen en Norton ontkoppelde bij de Commando het volledige blok plus achtervork van het frame door grote rubberlagers, het zogenaamde Isolastic-frame. 3. BOXER Hoewel de zuigers gelijktijdig op en neer bewegen, heffen de massakrachten elkaar perfect op. Daar komt bij dat er ook geen massakrachten van de tweede orde ontstaan, omdat de zuigers tegelijk in het onderste en bovenste dode punt omkeren, zodat ze dezelfde versnelling ondergaan. Wat overblijft zijn de kantelbewegingen door het massamoment, maar die zijn door het geringe verzet tussen de cilinders slechts klein. Bij de BMW-boxers ‘ontbreekt’ het middelste krukaslager, waardoor de afstand tussen de kruktappen klein is. Belangrijk is dat zuigers, drijfstangen en krukas goed gebalanceerd zijn. 4. VIER-IN-LIJN Met de kruktappen op 180° heeft de viercilinder lijnmotor een bijna perfecte massabalancering. Ook de massamomenten (waar de 180° twin wel last van heeft) heffen elkaar op, doordat de krukas ten opzichte van het midden gespiegeld is. De hoogfrequente, hinderlijke viercilindertrillingen die vaak lampen, kentekenplaten en soms zelfs spiegels doen sneuvelen, zijn het gevolg van de massakrachten van de tweede orde en moeten worden tegengegaan met een balansas die met een dubbel krukastoerental draait. ________________________________________ [KASTEN SEITE 66UNTEN] MASSAKRACHTEN VAN DE TWEEDE ORDE Deze ontstaan doordat de zuigers in het bovenste dode punt (BDP) sneller accelereren dan die in het onderste dode punt (ODP), waardoor ze verschillende krachten genereren. De oorzaak: de zijdelingse uitslingering van de drijfstang beïnvloedt de afgelegde weg van de zuiger. Hoe langer de drijfstang, hoe kleiner de verschillen in versnelling. Afgelegde weg/slag 45° na BDP Afgelegde weg/slag 45° na ODP ________________________________________ [KASTEN SCREAMER UND BIG-BANG, SEITE 68] Bij een 90° big-bang (rode lijn) zijn de koppelpieken naar boven (arbeidslag) en naar beneden (weerstand door de compressie-, in- en uitlaatslag) groter dan bij de 180° screamer (groen). De screamer (groen) belast de omtrek van de achterband vaker, weliswaar in kleinere pulsen, dan de elkaar overlappende krachtpulsen van een big-bang motor (rood). ________________________________________ [KASTEN ‘TECHNISCHE GRUNDLAGEN’, SEITE 69] TECHNISCHE BASISBEGRIPPEN Balanceerfactor: het kengetal voor het massa-evenwicht. Daarbij wordt de massa van de zuiger en het oscillerende deel van de drijfstang bepaald en daarvan wordt 40 tot 60% als ijkgewicht op de kruktap bevestigd bij het balanceren van de krukas. De balanceerfactor hangt af van de verhouding tussen slag en drijfstanglengte en varieert ook met de hoek van de cilinder(s) en het inzetgebied. Motoren met staande cilinders worden zwaarder gebalanceerd dan motoren met liggende (oude Aermacchi’s en de Ducati Supermono) of gekantelde cilinders (BMW K1300), omdat verticale trillingen sterker voelbaar zijn dan horizontale. Vonkinterval: conventionele viercilinder lijnmotoren, 360° twins en boxermotoren hebben een gelijkmatige vonkinterval, net als drie- en zes-in-lijn aggregaten. Bij V-motoren en 180°-twins ontstaat een ongelijkmatige vonkinterval. ________________________________________ [UNTERSCHRIFTE] [SEITE 68] Lagerschalen (rechtsboven) bestaan uit een stalen kern, een flinterdunne koperlegering en het matgrijze lood/tin/koper-lagermateriaal. Bij oliegebrek of olieverdunning slijt deze relatief zachte laag tot op de koperlaag weg (foto rechtsonder). Het motorblok kondigt dit soort lagerschades aan met een bonkend geluid onder belasting en flinke trillingen. Een 180° twin: de balancering van het kantelmoment wordt gerealiseerd door twee balansassen met forse contragewichten, eentje voor en eentje achter de krukas. [PAGINA 69] De viercilinder lijnmotor van de Kawasaki Z1000, met een enkele, kleine balansas voorin het blok. Deze draait met het dubbele krukastoerental in tegengestelde richting en gaat de massakrachten van de tweede orde tegen, en daarmee de hoogfrequente trillingen. Een kruktap met olieboring en opvallend grote afrondingsstraal bij de overgang naar de krukwang (pijl). Dit vermindert de zogenaamde kerfwerking, die door de grote buig- en torsiekrachten snel tot breuk zou kunnen leiden. Het oppervlak is gehard en daarna geslepen. De contragewichten van de krukas zijn overgedimensioneerd en kunnen zodoende daar waar nodig door balanceerboringen (pijl) nauwkeurig worden uitgewogen. Bij tuning voor racegebruik worden deze contragewichten vaak drastisch verkleind om de totale vliegwielmassa te verkleinen en tevens de luchtweerstand te verminderen.
