Funzione

Design “a croce” significa che ogni perno di biella è posizionato a un angolo di 90° rispetto al precedente. Tutti i perni così sono su due piani perpendicolari tra loro, formando appunto una sorta di croce. L’albero a croce nasce per ridurre al minimo le forze inerziali generate dal motore.
La coppia percepita dal pilota è una combinazione di due tipi di coppia: la coppia di combustione, che proviene direttamente dagli scoppi del motore, e la coppia inerziale, risultante dalla rotazione dell’albero motore. La coppia inerziale si comporta come un “rumore” che interferisce con la coppia di combustione, condizionando le sensazioni del pilota. Proprio come nell’ascolto della musica, dove siamo infastiditi da fruscii , scricchiolii e quant’altro interferisce con la qualità della musica. In altre parole, noi vogliamo ascoltare la musica, non il rumore!
Il design “a croce” dell’albero motore elimina il “rumore” che inquina la coppia di combustione. La forza prodotte da questa configurazione è la somma della coppia di combustione e delle forze inerziali, ma corrisponde praticamente alla sola forza di combustione più lineare che si traduce in maggior sensibilità del pilota nei confronti del comando dell’acceleratore. In precedenza l’albero a croce era stato utilizzato solo sui modelli da competizione, perché i perni di biella e i componenti dell’albero motore hanno una struttura complessa, e inoltre le fluttuazioni della pressione nella coppia di combustione e le vibrazioni sono fattori critici. Per questi motivi questo design asimmetrico del motore non era mai stato usato sui motori a 4 cilindri delle supersportive di serie.

In base a queste considerazioni, e per assorbire le forze inerziali, il nuovo albero motore pesa di più ed è più resistente rispetto al propulsore della R1 precedente.

L’albero a croce in dettaglio. Forze inerziali primarie e secondarie.
Iniziamo parlando delle forze generate dal pistone e dall’albero motore, che influenzano la sensibilità del pilota sull’acceleratore. Ogni componente in movimento genera forze sia quando accelera, sia quando decelera (F = m x a). Le forze applicate cercano di mantenere il componente in movimento, lungo la sua direzione, mentre la massa del componente stesso oppone una resistenza che lo rallenta. Questa è una definizione di “forza inerziale”.

La forza inerziale è la somma tra forza inerziale primaria e forza inerziale secondaria del pistone. Di seguito, una spiegazione dettagliata dell’azione delle due forze.

Forza inerziale primaria del pistone
“La forza inerziale primaria è quella prodotta della massa del pistone, ed è causata dal movimento rotatorio dei perni di biella lungo l’asse ideale di scorrimento. Questo movimento è trasmesso ai pistoni dalle bielle”.
In altre parole, la forza inerziale massima si verifica ogni 180°, quando il pistone si trova al Punto Morto Superiore (PMS) o al Punto Morto Inferiore (PMI) e viceversa. Ogni oggetto che subisce un cambiamento di velocità o direzione, genera una forza che resiste a questa variazione. A ogni punto morto, inferiore o superiore, raggiunge il proprio massimo ed ha una direzione che coincide con la linea di scorrimento del pistone, nel verso percorso dal pistone stesso. Se prendiamo in considerazione un motore a 4 cilindri in linea, notiamo una forza contraria generata dal pistone che si sta muovendo contemporaneamente nella stessa direzione, ma nel verso opposto.
Facciamo un esempio: il pistone 1 si muove verso il basso, e nello stesso tempo il pistone 2 si muove verso l’alto. La risultante delle forze esercitate dai due pistoni è nulla, perché si bilanciano. La stessa cosa avviene per i tradizionali motori a 180° e per l’albero a croce.

Albero a 180°:
Filmato: Forze primarie dei 4 cilindri (albero a 180°):
Quando il pistone 1 è al PMS, il pistone 2 è al PMI, e viceversa.
Quando il pistone 4 è al PMS, il pistone 3 è al PMI, e viceversa.
In questa configurazione, ci sono due cilindri che si muovono nella stesa direzione contemporaneamente, mentre gli altri due si muovono simultaneamente nella direzione opposta. Ogni coppia di forze annulla e bilancia l’altra..

Albero a croce:
Filmato: Forze primarie dei 4 cilindri (albero a croce):
Quando il pistone 1 è al PMS, il pistone 4 è al PMI, e viceversa
Quando il pistone 3 è al PMS, il pistone 2 è al PMI, e viceversa.
Anche se la coppia di pistoni è diversa, l’albero a croce ottiene lo steso risultato: la forza inerziale generata da ogni pistone annulla quella del pistone contrapposto.

Forza inerziale secondaria del pistone
“La forza inerziale secondaria è prodotta dalla massa del pistone, ed è dovuta al moto rotatorio dei perni di biella verso l’interno e verso l’esterno, lungo un piano perpendicolare alla linea di scorrimento del pistone stesso. Questo movimento è trasmesso ai pistoni dalle bielle inclinate”.
Più semplicemente: le bielle e i perni di biella si allontanano dalla linea ideale di scorrimento del pistone dal PMS fino all’angolo di rotazione di 90° e poi si riavvicinano, fino al PMI. La stessa cosa accade dal PMI al PMS, con percorso inverso. Le bielle e i perni di biella si allontanano dalla linea ideale di scorrimento del pistone dal PMI fino a un’inclinazione di 270° e poi si riavvicinano, fino a raggiungere di nuovo il PMS. La forza inerziale secondaria raggiunge il proprio massimo nel momento in cui il pistone arresta il proprio movimento.
Le forze inerziali secondarie generate da questi movimenti si manifestano in una posizione diversa dei perni di biella e delle bielle, rispetto alle forze inerziali primarie. Se paragoniamo la configurazione “ a croce” con quella tradizionale, scopriamo che Il momento in cui si manifesta la forza inerziale secondaria ha una grande importanza.

Albero a 180°:
Filmato: Forze secondarie dei 4 cilindri (albero a 180°):
In questa configurazione i 4 cilindri generano la forza inerziale secondaria nella stessa direzione, e nello stesso tempo. 2 pistoni si muovo dal PMS verso i 90° di rotazione. , e gli altri 2 si muovono dal PMI verso i 270° Il risultato è un accumulo di tutte le forze, esercitate nella stessa direzione. Questa somma di forze rappresenta le forze inerziali secondarie di un albero a 180°.

Albero a croce:
Filmato: Forze secondarie dei 4 cilindri (albero a croce):
In questo caso I 4 pistoni hanno una posizione diversa tra loro. 2 pistoni sono all’inizio del movimento verso il basso, e 2 pistoni sono all’inizio del movimento verso l’alto.
Il pistone 1 è al PMS e si muove verso i 90° di rotazione, il pistone 4 è al PMI e si muove verso i 270°. Entrambi i pistoni generano una forza diretta verso l’alto (le bielle si muovono verso l’esterno). MA il pistone 2 è a 270° e si muove verso il PMS, mentre il pistone 3 è a 90° e si muove verso il PMI. Entrambi i pistoni generano una forza diretta verso il basso (le bielle si muovono verso l’interno).
This means that pistons 1 & 4 are a pair that have a force upwards and pistons 2 & 3 have a force directed downwards.
Questo significa che i pistoni 1e 4 formano una coppia con forze dirette verso l’alto. Le due coppie di forze si bilanciano a vicenda, e quindi l’albero a croce, praticamente non genera forze inerziali secondarie.

Conclusione
Grazie all’albero a croce, le forze inerziali secondarie si riducono praticamente a zero. (rimane una minima quantità di “rumore” dovuto alla flessione e alla torsione dell’albero motore, che assorbe le forze inerziali). Quello che rimane è la pura forza di combustione, che il pilota percepisce direttamente ruotando la manopola del gas. Non c’è più sovrapposizione con la coppia inerziale, e la sensazione di controllo è molto più diretta, senza interferenze con la potenza scaricata a terra dalla ruota posteriore.

Scoppi irregolari

Il nuovo albero adotta una sequenza d’accensione diversa, necessaria per adattarsi alla sua particolare configurazione. La nuova sequenza d’accensione è 1-3-2-4, con scoppi a 270°, 180°, 90°, 180°. Si chiamano anche “scoppi irregolari” perché un motore a 4 cilindri tradizionali ha una sequenza a 180°, 180°, 180° ,180°.

Guarda il filmato per vedere la sequenza d’accensione.
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Configurazione dello scarico

Gli scoppi irregolari influenzano anche la configurazione dello scarico. Con questo tipo di motore le fluttuazioni dei gas sono accentuate, e la pressione massima dei gas è più alta rispetto a un motore a 180°. Questo significa che lo scarico deve essere più “aperto”. La tradizionale marmitta a 3 camere (come quella della R1 precedente) crea una resistenza eccessiva contro il flusso dell’aria, e di conseguenza la nuova R1 adotta uno scarico monocamera derivato dalle competizioni.
Per contenere il livello di emissioni acustiche, il volume della marmitta è stato incrementato, sempre rispetto a al modello a 3 camere. La marmitta monocamera non offre ostacoli al flusso dei gas e consente prestazioni di vertice, oltre ad emettere un sound unico ed emozionante.
Le leggere marmitte in titanio sono collocate sotto la sella, a differenza della R6, che ha la marmitta sotto il motore. I motivi sono due: le caratteristiche dell’erogazione richiedono una lunghezza superiore dei tubi di scarico, e la nuova sospensione derivata dalla M1 richiede uno spazio supplementare. La nuova sospensione è stata adottata perché si adatta perfettamente alle caratteristiche del motore, e offre la massima trazione in uscita di curva.
L’ennesimo esempio dell’”approccio integrato” Yamaha, dove ogni dettaglio ha una grande importanza!