Een gewichtig stuk over Balanceren
Een goed gebalanceerde krukas kan wel 20pk schelen...
Of je nu een standaard motor, een hoogtoerig monster of een dieselmotor bouwt, het belang van goed balanceren is voor allemaal gelijk.
Elke keer dat de zuiger van richting veranderd ontstaat er een reactiekracht. Die kracht wordt veroorzaakt door de heen en weer beweging van de roterende massa van de zuiger en de drijfstang. Als deze kracht niet gelijk is aan de reactiekracht dan ontstaat er een trilling.
In een laagtoerige motor is die trilling niet altijd even merkbaar. Maar na verloop van tijd zal het toch de lagers en de krukas beschadigen.
In een hoogtoerige motor wordt elke onbalans exponentieel groter naarmate het toerental verder oploopt.
Een kleine onbalans bij 1,000rpm wordt een enorme trilling bij 8,000 rpm. Een onbalans van 20 gram kan bij 8,000 rpm een kracht van 200 lbs veroorzaken.
De meeste coureurs geven niet zoveel om het geluid en trillingsniveau zolang ze de race maar kunnen uitrijden. Een motor met een behoorlijke onbalans kan zichzelf kapot trillen. De krachten die opgewekt worden door onbalans kunnen metaalmoeheid in het blok en krukas veroorzaken. Dus als er iets breekt is het "einde race".
Bestuurders van personenauto's en trucks vinden het geluid en trillingsniveau juist erg belangrijk, en willen dat beiden zo laag mogelijk zijn. Een motor met een ongebalanceerde krukas kan trillingen veroorzaken die doorwerken in de aandrijflijn en het chassis. Zelfs wanneer de motor nooit overbelast wordt, zullen de onbalans-krachten de levensduur van diverse onderdelen zoals chassis, motor en motorsteunen drastisch beperken.
De juiste balans tussen de krukas en gerelateerde componenten
is van essentieel belang bij een goede werking.
Het achterliggende doel van balanceren is het zo veel mogelijk gelijk maken van de roterende massa, en het in balans brengen van de massa van de krukas en het Big-End zodat de krukas trillingsvrij kan draaien.
We spreken van "onbalans" als het zwaartepunt niet overeenkomt met de draaiende as. De onbalans zal zich dan van de as weg willen bewegen.
De centripetale kracht die door de onbalans wordt opgewekt ontwikkeld zich exponentieel ten opzichte van het toerental. Een verdubbeling van de snelheid verviervoudigd de kracht!!
Het balanceren van roterende objecten wordt altijd dynamisch gedaan (draaiend) om de positie van de onbalans zo nauwkeurig mogelijk te kunnen bepalen.
Bij het balanceren van een autoband wordt er een gewicht toegevoegd dat even groot is als de onbalans.
Bij het balanceren van een krukas wordt geen materiaal toegevoegd maar is het makkelijker om materiaal weg te halen.
De grootste uitdaging ligt in het balanceren van de heen en weer gaande krachten in V6 en V8 motoren. In tegenstelling tot roterende krachten werken reciprocerende krachten op-en-neer.
In een motor is het enige onderdeel dat deze krachten in balans kan brengen het contragewicht van de krukas.
Als de massa van het contragewicht gelijk is aan de massa van de zuiger(veren/clips/etc) en het Small-End van de drijfstang, is het dynamische gedeelte in balans.
Een goede balans tussen de krukas en gerelateerde componenten is van essentieel belang voor een goed draaiend geheel.
Balanceren van verschillende motoren
4 cilinder boxer
Bij een 4 cilinder boxer motor bewegen er altijd 2 zuigers tegelijkertijd naar de krukas toe, wanneer de andere 2 zuigers tegelijkertijd zich van de krukas af bewegen.
Als gevolg hiervan zijn de krachten dus gelijk en tegengesteld en in balans mits elke samenstelling van gelijk gewicht is. Het balanceren van dit type motoren is vrij eenvoudig omdat het enige dat gedaan moet worden het uitwegen van de roterende massa is.
4 cilinder lijn
In een 4 cilinder lijn motor bewegen er altijd 2 zuigers naar boven terwijl de andere 2 zuigers naar beneden bewegen.
De tegengestelde beweging van de zuigers annuleren elkaar, maar omdat de samenstelling niet horizontaal ten opzichte van de krukas ligt zijn er contragewichten nodig om de ronddraaiende krachten te neutraliseren.
Het wordt nog ingewikkelder bij V6 en V8 motoren omdat de twee banken in een hoek ten opzichte van de krukas staan.Dit creëert een krachtenspel dat het nodig maakt om verschillende contragewichten in verschillende hoeken op de krukas te hebben.
In een 90graden V6 of V8 is de massa van het contragewicht gelijk een de roterende massa (massa van BigEnd en lagers), plus de helft van de heen-en-weer gaande massa (massa van SmallEnd, Zuigers, Ringen, Clips etc.), vermenigvuldigt met twee omdat elke krukas tap 2 drijfstangen heeft.
Er moet ook een paar gram extra toegevoegd worden om het gewicht van de olie in de lagers te compenseren.
Deze totale masse is de ideale massa van de contragewichten om het geheel in balans te brengen.
Voorbeeld:
Bepalen van de heen-en-weer gaande massa
Zuiger: ..........................680 gram
Zuigerpen: ....................190 gram
Zuigerveren: .................290 gram
SmallEnd: ....................290 gram
Totaal:...........................1220 gram
Dit vermenigvuldigen we eerst met 50% (balanceerfactor) en daarna met 2 (omdat er twee drijfstangen per tap zijn).
Het totale gewicht is nu 1220 gram
Hierbij tellen we de volgende gewichten van het roterende gedeelte op:
BigEnd (+lagers): 650 gram
Uiteraard deze waarde ook vermenigvuldigen met twee.
Het totale gewicht wordt dan:
1220 gram
1300 gram
2520 gram
Dit gewicht wordt ook wel Bobweight genoemd en uitgedrukt in metalen v-blokken die op de krukastappen worden gemonteerd.
De krukas wordt nu gebalanceerd op de bobweights. Dit gebeurd meestal door gaten te boren daar waar er te veel massa is.
Contragewichten worden ook wel gefreesd voor een meer aerodynamisch effect, maar dit is een zeer tijdrovende klus, omdat de bobweights elke keer gedemonteerd moeten worden om de bewerking te kunnen uitvoeren.
Bij een 60graden V6 motor is de hoek tussen de linker en rechterbank verschillend. Hierom zal een andere balanceerfactor moet worden gebruikt. Meestal ligt deze factor ergens tussen de 35-45% maar is afhankelijk van de applicatie, gebruik en opbouw. U begrijpt dat het bepalen/berekenen van de juiste balanceerfactor een belangrijk onderdeel is van "het geheim van de smit".
Balansassen
Balansassen bestaan uit een rechte as met contragewichten en worden vaak gebruikt in motoren die een oneven ontstekingsvolgorde hebben. Balansassen moeten net zo nauwkeurig als de nokkenas getimed worden om zo effectief mogelijk te zijn.
In sommige gevallen is het niet mogelijk om materiaal weg te boren, en zal er dus op 180 graden materiaal moeten worden toegevoegd.
Dit wordt gedaan met HeavyMetal proppen. Meestal zijn deze proppen van een materiaal met een grotere soortelijke massa dan het materiaal waarvan de krukas is gemaakt (Tungsten/Mallory).
Als het contragewicht niet zwaar genoeg is kan er ook voor worden gekozen om materiaal toe te voegen op het vliegwiel, de balancer of de flexplate. Dit type balanceren wordt Extern Balanceren genoemd.
Indien mogelijk heeft Intern Balanceren altijd de voorkeur omdat bij Intern Balanceren de massa dichter bij de as ligt. Het naar buiten plaatsen van contragewichten kan resulteren in extra dynamische krachten met hun eigen trilling. De meeste V8 krukassen hebben 6 contragewichten. De enige reden is om de fabricage kosten zo laag mogelijk te houden.
De plaatsing van de contragewichten is zo gekozen dat de werking zich niet beperkt tot de drijfstang op die tap, maar ook de drijfstangen van de naastliggende tappen. Sommige race krukassen hebben 8 contragewichten, 2 voor elke drijfstangtap, die trillingen bij hoge toeren helpen tegengaan. Dit is zeker nuttig bij motoren met een lange slag.
Krukassen worden vaak geproduceerd met een specifiek bobweight. Dit betekend dat de krukas is gemaakt voor een specifieke zuiger/drijfstang combinatie.
Bij standaard krukassen is het bobweight ongeveer gelijk aan de standaard zuigers en drijfstangen. Bij performance krukassen kan er vaak gekozen worden voor een bepaald bobweight (Eagle crankshaft), maar zal aangepast (gebalanceerd) moeten worden indien er gekozen wordt voor een zuiger/drijfstang combinatie die lichter, of zwaarder, is, dan het berekende bobweight.
Hoe nauwkeurig moet er gebalanceerd worden?
Dit hangt helemaal van de applicatie af, maar hoe dichter bij nul, hoe beter het is. Dit is zeker het geval voor performance motoren.
Ruwweg worden de volgende toleranties aangehouden
High Performance, High RPM...........0-2 gram
Performance Street...........................3-6 gram
Street.................................................7-15 gram
Bij Track Motortechniek worden ALLE krukassen voor ALLE applicaties op minder dan 2 gram nauwkeurig gebalanceerd.