De meeste moderne motoren zijn viercilinders en dat heeft zo zijn reden. Viercilinders lopen mooi regelmatig omdat er elke 180° een verbrandingsklap plaatsvindt. Maar het komt ook door de mooie primaire balans van zo’n motor. Bij de meeste viercilinders bewegen de middelste twee zuigers en de buitenste twee zuigers parallel. Dus als de middelste twee zuigers samen omhoog gaan, gaan de buitenste twee tegelijk naar beneden. Als de middelste twee in het bovenste dode punt omkeren en zo een stoot aan het motorblok uitdelen, doen de onderste twee zuigers datzelfde in omgekeerde richting in het onderste dode punt. Twee even grote krachten in tegengestelde richting heffen elkaar op. Dus is er geen overblijvende kracht, geen onbalans. Datzelfde geldt voor de kruktappen, want als de contragewichten van de middelste cilinder naar voren gaan, gaan de gewichten van de buitenste cilinder naar achteren. Dat geeft een mooi evenwicht, temeer daar de cilinders allemaal symmetrisch ten opzichte van de hartlijn zitten. Ze geven dus ook geen kantelmoment aan de motor.
Secundaire onbalans.
Vanuit primair oogpunt gezien is de viercilinder dus een volmaakt concept. Helaas gaat dat niet op voor de secundaire onbalans. Zoals je in het artikel over eencilinders hebt kunnen lezen, is secundaire onbalans de trilling die ontstaat doordat de drijfstang bij het verdraaien van de krukas schuin gaat staan en dan weer recht, tweemaal per krukasomwenteling. Die scheefstand zorgt dat de verticale afstand tussen de zuiger en de kruktap tweemaal per omwenteling korter en weer langer wordt. Er vindt dus tweemaal per omwenteling een extra versnelling en vertraging plaats. Voor versnellingen en vertragingen zijn krachten nodig. Helaas zijn die krachten van elke cilinder op het bovenste dode punt (BDP) en het ondertse dode punt (ODP) tegelijkertijd maximaal en zijn ze dezelfde kant op gericht, dus heffen ze elkaar niet op, ze versterken elkaar. Dat geeft hele fijne trillingen, die je vaak in de handvatten en in de voetsteunen voelt. Wil je dat opheffen, dan heb je een balansas nodig die tweemaal zo snel ronddraait als de krukas. Nog mooier is twee balansassen met elk het balanceergewicht, op gelijke afstand aan weerszijden van de krukas. Dan ontstaan er ook geen kantelmomenten.
Centre of Percussion
In 1998 kwam Yamaha met de Fazer 600. Die had geen secundaire balansas, maar het blok was dusdanig opgehangen dat de trillingen allemaal gecentreerd werden in een denkbeeldig punt onder het zadel: het zogenaamde ‘centre of percussion’. Aangezien je daar zelf niet zat, voelde je ze niet. Natuurlijk is een andere mogelijkheid om het motorblok in rubber te hangen. Dat gaat echter ten koste van de stijfheid van het rijwielgedeelte en van de directe gasreactie.
Crossplane
Er is nog een andere, mooiere manier om een viercilinder in balans te krijgen. Dat doet Yamaha met de R1. Die heeft een krukas waarvan de kruktappen elk 90° ten opzichte van elkaar zijn verzet. 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 onbalans van die twee cilinders heft elkaar dus op, net als die van cilinders 2 en 3. Geen primaire onbalans dus. 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 elkanders secundaire onbalans opheffen. Restonbalans: nihil. Daar staat tegenover dat de ontstekingsvolgorde zeer onregelmatig is geworden: 270°-180°-90°-180°, vergelijkbaar met een 90° V-4. Maar ook dat levert weer het voordeel van een gematigd Big-Bang principe op: een iets betere controle over het vermogen en een wat lagere bandenslijtage. En het geluid is natuurlijk helemaal fantastisch!
Driecilinders
Triumph gebruikt al jaren driecilindermotoren. Yamaha heeft sinds enkele jaren ook een prachtige driecilinder, de CP3 motor. Dat geeft een heel apart, ruig geluid vanwege de grote ontstekingsintervallen. Aangenomen dat de kruktappen bij een driecilinder gelijk verdeeld zijn, dus 120° ten opzichte van elkaar verdraaid, dan is er elke 240° een arbeidsslag. Wel regelmatig, maar met grote afstand van elkaar. Het wordt echter pas echt interessant als je naar de balans kijkt. Aangezien de beweging van de zuigers altijd 120° achter elkaar aanloopt, is er nooit een punt waar de beweging van de ene zuiger die van de andere zuiger opheft. Er zijn immers nooit twee zuigers gelijk in de tegenovergestelde dode punten. Dat zou ook niet goed zijn, want dan zou de derde cilinder juist onbalans veroorzaken. Je ziet pas wat er gebeurt als je de grafiek van de onbalans tekent: De onbalans volgt een sinus waarbij de fases elk 120° van elkaar verschillen. Je ziet dan dat voor elke hoek van de krukas geldt dat de onbalans van één zuiger even groot en tegengesteld is aan de onbalans van twee andere zuigers samen. Het geheel is dus altijd in balans.
Wanneer je naar de secundaire onbalans kijkt, zie je dat hetzelfde effect optreedt als bij de primaire onbalans: de secundaire onbalans mag dan tweemaal zo snel van richting wisselen, maar dat geldt voor alledrie de zuigers en ook dan blijkt het zo te zijn dat de som van alle onbalanskrachten bij elke stand van de krukas nul is. Goed gevonden!
Toch een balansas
Een driecilinder is dus zowel primair als secundair altijd in balans. Toch hebben zowel de Triumph driecilinders als de CP3 van Yamaha een balansas. Het waarom daarvan wordt duidelijk als we niet van de zijkant, maar vanaf de voorkant naar het blok kijken. Dan zien we dat de middelste cilinder in het hart van het blok zit, maar de andere twee zitten op relatief grote afstand van het hart. Wanneer de onbalans “omhoog” van cilinder 1 wordt gecompenseerd door de onbalanskrachten “omlaag” van cilinders 2 en 3, werkt de onbalans van cilinder 2 netjes in het hart van het blok. Cilinders 1 en 3 leveren door hun afstand of ’arm’ tot het hart samen een draaiend koppel, dat het blok laat wiebelen. Net als bij een 180° twin. Nu is de afstand, dus de arm nog groter. En koppel is kracht x arm… Er is dus een flinke ‘wiebelende’ onbalans. Vandaar dat een driecilinder twee tegengesteld gerichte balansgewichten nodig heeft, één voor en één achter het blok. Soms wordt dit opgelost door een lange balansas met twee gewichten, soms met één balansas aan de ene kant en een vliegwiel met onbalans aan de andere kant van het blok.
Zescilinders
Als je het over balans hebt, is er eigenlijk geen mooier concept dan de zescilinder lijnmotor. Tenminste, als je de krukas zo maakt, dat die ‘symmetrisch’ is. Zuigers 1 en 6 gaan parallel omhoog en omlaag, zuigers 2 en 5 ook, en ten slotte ook zuigers 3 en 4. De paren zijn 120° van elkaar verdraaid. De motor werkt dus als twee driecilindermotoren. Er is dus geen primaire onbalans en geen secundaire onbalans, terwijl er ook geen wiebelmomenten optreden omdat de zuigerparen elk dezelfde afstand tot de krukas hebben en dus elkaars kantelmoment opheffen. Maar zes zuigers naast elkaar een plaatsje geven, komt wel erg breed uit en kost sowieso meer dan vier of drie. U merkt het: de ideale wereld, hij bestaat niet…
