Música y ruido

Una de las grandes novedades técnica para 2009 es sin duda el motor de la Yamaha YZF-R1, caracterizado por su cigüeñal calado a 90º, una arquitectura diseñada como un filtro que quita el ruido y deja la música en el motor. Te estarás preguntando de qué estamos hablando. ¿De motores, de música? ¿Qué es eso del ruido? No te preocupes si no has oído hablar de ello hasta ahora porque no eres el único. De hecho, si quieres que te sea sincero, hasta hace unos pocos años por aquí tampoco teníamos muchas noticias.

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Cigüeñal de la Yamaha YZF-R1 2008, que se caracteriza por estar calado a 90º.

Este asunto del ruido empezó a tomar forma en 2004, con dos claros protagonistas: Valentino Rossi y Masao Furusawa. El italiano acababa de fichar por Yamaha y se subía por vez primera a la M1 en Malasia bajo una expectación como pocas veces se había visto en unos entrenamientos invernales. El japonés se había convertido poco antes en director general de la División de Desarrollo Tecnológico de Yamaha, y uno de sus trabajos inmediatos era solucionar el ridículo que las MotoGP de la firma estaban haciendo.

Primeros entrenamientos de Rossi con la Yamaha YZR-M1.
Primeros entrenamientos de Rossi con la Yamaha YZR-M1.

En esos primeros entrenamientos, además de las motos convencionales, se encontraba otra con un motor especial, inmediatamente identificable por su sordo sonido, una moto que fue inmediatamente la elegida por el astro transalpino y que logró dos títulos consecutivos. Su particularidad era tener un cigüeñal con las muñequillas caladas a 90º. Y como suele ocurrir en las carreras cuando algo funciona, los motores con calados del cigüeñal diferentes de los habituales, que en el caso de los propulsores en línea de cuatro cilindros son de 180º, se multiplicaron en MotoGP.

Traición

El siguiente hecho peculiar, por lo inaudito, tuvo lugar a finales de 2005. Ichiro Yoda, uno de los principales responsables de Yamaha en MotoGP, desertó de las filas de la marca de los diapasones para convertirse en el responsable técnico del equipo de MotoGP de Kawasaki. Ver un movimiento de fichas como éste entre los japoneses es algo extraordinario, y más si se trata de uno de los líderes del cuerpo técnico. Yoda, que había sido la cabeza del equipo de MotoGP hasta la llegada de Furusawa, había sido desplazado durante esos dos años, y su venganza fue irse a un equipo rival, algo que en Japón puede considerarse como traición en toda regla.

Como era previsible, las relaciones entre los dos antiguos colegas de equipo se tensaron. Y además, como podía esperarse, Yoda diseñó inmediatamente una serie de motores con cigüeñales calados en diversos ángulos basándose en la experiencia adquirida en Yamaha. Supongo que te estarás preguntando qué tiene ver la historia de Yoda y de donde trabaja con lo que se supone que tenemos que explicar, pero te pido aún un poco más de paciencia, porque todo esto nos va a acabar llevando al ruido, a la razón de este artículo.

El siguiente movimiento de nuestra historia tiene lugar un año después. Las MotoGP de 990 cc acaban su vida en la carrera de Valencia de 2006 para dejar paso a las actuales 800 cc y, al igual que en otras ocasiones, las cinco marcas participantes organizan unas pruebas de sus motos para los periodistas y realizan sus correspondientes exposiciones técnicas. En la de Kawasaki, los periodistas tuvieron la oportunidad de conocer algunos entresijos de la ZX-RR que habitualmente no son dados a conocer, especialmente sobre ángulos de cigüeñal u orden de encendido y ventajas de esta opción frente a la convencional. En cierta manera, de cara al exterior la marca verde se convertía en protagonista de este tipo de motor. Y eso era algo que no estaba dispuesto a consentir Furusawa, especialmente teniendo en cuenta que consideraba que Yoda había diseñado sus motores gracias a la información que se había llevado de Yamaha, fruto del trabajo de sus compañeros.

Probablemente por eso, posteriormente en la explicación técnica de la marca de los diapasones, después de hablar de la evolución de la YZR-M1 de 990 cc, Furusawa se explayó en una densa y complicada alocución sobre los motores de encendido cerrado, centrada en cómo eliminar algo que para muchos era completamente nuevo: ¡el ruido! El japonés con su explicación quería dejar claro que era a él y a su equipo a quien se debía esta innovación, y no precisamente a Kawasaki y a Yoda.

El ruido aparecía por vez primera como una de las grandes motivaciones para construir este tipo de motores y, como comprobarás en los próximos meses, se va a convertir en el núcleo de las exposiciones sobre el motor de la nueva R1. Ha nacido un nuevo concepto.

Y además este inusual «ataque de cuernos», con la paternidad del sistema como centro, nos da una idea de la importancia que a la larga tendrá. En cualquier caso es muy probable que la mayoría de los que asistieron al plomizo«speach» de Furusawa saliera de la carpa del equipo Yamaha sin haberse enterado de nada, y probablemente si la YZF-R1 de este año no tuviera este tipo de cigüeñal podríamos seguir en la más absoluta ignorancia. Pero visto lo visto no nos queda más remedio que sumergirnos en el ruido, así que prepárate para ecualizar, porque este artículo va de cómo separar la música del ruido, aunque todavía sigas sin saber de qué estamos hablando.

Mezcla de par

Y como no tenemos toda la revista para ello, vamos a empezar a sumergirnos. Vamos a hablar del par de genera el motor, y de cómo llega a la rueda trasera.

Todo el par que recibe la rueda tiene un origen primigenio, la combustión en la culata que lanza el pistón hacia el Punto Muerto Inferior -PMI-. Este impulso hace que el cigüeñal gire y en último término lo haga la rueda. Sin embargo, con este empujón no basta para que el motor funcione de manera constante, ya que al llegar el pistón abajo se parará y habremos acabado nuestro movimiento. Para evitarlo la solución es «guardar» parte del empuje de la combustión, convirtiéndolo en inercia que se almacena en el cigüeñal y que mantiene su giro cuando el pistón se para.

Podemos distinguir inercias debidas a dos grupos de elementos, los alternativos y los que se encuentran en rotación. Los primeros son el pistón y sus elementos asociados como segmentos o bulón, y también la parte de la biela que consideramos que tiene un movimiento lineal. Los segundos, la parte inferior de la biela, el muñón del cigüeñal sobre el que se apoya, los contrapesos de esta manivela y los posibles volantes. Este segundo grupo almacena momento de inercia y, por llamarla de alguna manera, esta inercia rotativa es «buena» porque ayuda al giro. Sin embrago la alternativa es «mala» porque dependiendo del ángulo girado ayuda o tiende a impedir el giro, añadiendo y restando energía al sistema.

Tienes que tener en cuenta también que cuanta más inercia se guarde, más se enmascara el carácter original del motor. Un propulsor con un volante enorme trabaja básicamente para llenarlo de energía, y eso significa que acelerará despacio y que luego mantendrá el movimiento aunque se deje de acelerar. Un motor con muy poca inercia funciona de manera opuesta, acelera rápido, retiene mucho y es muy sensible al acelerador. Cuando se diseña un motor, se hace con una inercia determinada dependiendo de su uso.

La inercia alternativa es muy poco deseable, no sólo por sus efectos sobre el movimiento, sino porque acelerar y parar masa exige que las propias piezas alternativas estén sometidas a muchos esfuerzos, lo que limita el régimen de giro. Por esta razón estos elementos se intentan aligerar todo lo posible. No ocurre lo mismo con los elementos encargados de acumular la inercia rotativa, ya que es necesario contar con un cierto par para mantener lo más constante posible la velocidad de rotación del cigüeñal a lo largo de cada vuelta.

En cualquier caso, el momento de inercia depende de la arquitectura del sistema, del peso de los elementos y de la velocidad de rotación, pero se puede considerar constante mientras lo hace el régimen. Vamos pues a concentrarnos en el empuje causado por la combustión y por el movimiento de los elementos alternativos, que son los que fluctúan a lo largo del ciclo del motor.

El par, debido a la combustión, depende de la carga, es decir de la cantidad de mezcla que se introduce en el cilindro, y por tanto de la posición del acelerador y de la eficiencia a un régimen determinado. En cualquier caso aumenta de manera casi instantánea al producirse la combustión y va perdiendo empuje según el pistón baja, hasta desaparecer poco después de que se abra la válvula de escape. En un motor de varios cilindros se produce un golpe de par en cada uno de ellos cada dos vueltas de la manivela. En el caso de un motor de cuatro cilindros en línea, el calado del cigüeñal en lo único que influye es en que esos impulsos lleguen a la rueda de manera periódica, como ocurre en un motor calado a 180º, o en intervalos irregulares como es el caso de un motor en V o de uno en línea calado a 90º.

Seguro que te acuerdas de los motores «Big Bang» de las 500 cc de dos tiempos, o de los «Twin Pulse» de las Ducati Desmosedici, que empleaban también periodos de encendido cerrado con el fin de mejorar la tracción. En ese caso se trataba de hacer que el golpe de par le llegase al neumático de manera irregular, en bloques más grandes, pero más separados en el tiempo. De esta manera la goma, aunque sufría un mayor esfuerzo instantáneo, tenía más tiempo para recuperarse y se reducía el derrape causado por la entrada en resonancia de la goma.

Sin embargo, en esta ocasión, y aunque también haya que considerar lo anterior, el cambio del calado del cigüeñal tiene otra finalidad. Vamos a estudiar ahora cómo varía el par de inercia debido a las masas alternativas en un cigüeñal clásico y en uno a 90º. El habitual tiene las muñequillas caladas a 180º, de manera que siempre están dos a dos situadas en puntos opuestos del cigüeñal. Esto significa que los cuatro pistones están al mismo tiempo en los puntos muertos, y también que están todos subiendo o bajando a la máxima velocidad en la mitad de su carrera, cuando las muñequillas se encuentran giradas 90º respecto al eje de los cilindros. Con toda la masa alternativa acelerando y parando al tiempo, el par debido a este movimiento aumenta y disminuye también al unísono, produciendo importantes variaciones.

El efecto del par producido por la combustión y por el movimiento alternativo no son muy compatibles, ya que cuando se produce la combustión y aumenta de golpe el primero, es precisamente cuando más negativo es el segundo, de manera que el impulso que realmente recibe la transmisión, que al fin y al cabo es la suma de todos, tiene una forma diferente al proporcionado por la explosión en los cilindros. Este efecto provoca una cierta desconexión entre lo que el piloto espera recibir cuando acelera y lo que realmente ocurre, y además varía con el régimen y la posición del acelerador, ya que la influencia del par alternativo aumenta con el régimen, y la del de combustión con la carga del acelerador. El efecto del par de inercia, que es lo que vamos a llamar «ruido» sobre el de combustión, que para nosotros será «la música» es lo que tenemos que reducir. Lo que queremos es escuchar la música que tocamos abriendo o cerrando el acelerador, pero para hacerlo con claridad tenemos que quitar este ruido que enmascara nuestras acciones.

Ecualizar

La forma de evitar este problema obviamente es obligar a que los pistones y las bielas no se paren en su totalidad al mismo tiempo. La solución más obvia es girar las muñequillas 90º. Si te fijas, con esta arquitectura no hay ningún pistón que vaya parejo con otro. Mientras uno está en el PMI, el otro está en el PMS, y al tiempo los otros dos están subiendo y bajando a mitad de recorrido. Pero además mientras un par de pistones están parándose en los puntos muertos y frenando el giro del cigüeñal, los otros dos están desplazándose a su máxima velocidad, contrarrestando el efecto de frenado de los dos primeros con la inercia que aplican a la manivela.

En un motor con los cilindros calados a 180º las combustiones se producen de manera regular a lo largo del giro del cigüeñal, pero las inercias alternativas tienen sus minimos y sus máximos en puntos diferentes, lo que provoca una interferencia en el par resultante.
En un motor con los cilindros calados a 180º las combustiones se producen de manera regular a lo largo del giro del cigüeñal, pero las inercias alternativas tienen sus mínimos y sus máximos en puntos diferentes, lo que provoca una interferencia en el par resultante.
En un motor con los cilindros calados a 90º, mientras dos de los pistones se están parando en los puntos muertos, otros van a su máxima velocidad a mitad de la carrera, lo que provoca que la superposición de los efectos sea casi nula.
En un motor con los cilindros calados a 90º, mientras dos de los pistones se están parando en los puntos muertos, otros van a su máxima velocidad a mitad de la carrera, lo que provoca que la superposición de los efectos sea casi nula.

Mientras un gráfico con las variaciones de par alternativo de un motor calado a 180º está formado por una línea oscilante con dos grandes picos positivos y dos negativos, en un motor calado a 90º es una línea que fluctúa con picos y valles mucho menos agresivos. La consecuencia es que el par alternativo no enmascara el de combustión, y que las variaciones de éste son las que llegan a la transmisión y en último término a la rueda.

Es decir, el ruido queda eliminado. El efecto debe ser una mayor conexión entre el acelerador y la rueda, que al fin y al cabo es lo mismo que entre los deseos del piloto y la respuesta de la moto.

Rossi lo probó hace un lustro y se quedó convencido de inmediato. Ahora hace falta que los clientes estén de acuerdo con él. Separar el ruido de la música es lo que intenta la nueva R1, y puede que otras motos detrás de ella. La teoría ya la conoces, ahora tendremos que comprobar cómo se refleja en la práctica.

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5 pensamientos en “Música y ruido

  1. Juan Salvador

    No olvidemos que SUZUKI también saca al mercado la GSXR 1000 K9, con un motor totalmente nuevo. Aunque yamaha saca la r1 con su cigüeñal tipo crossplane, es decir con las muñequillas distribuidas a lo largo de los 360º de una circunferencia, es decir hay una muñequilla a 0º, otra a 90º, otra a 180º y otra a 270º, cuando los cigüeñales de las otras marcas son tipo flatplane, es decir tienen dos muñequillas a 0º y las otras dos a 180º, y esto que significa, en un principio la nueva distribución de muñequillas de la r1 hará que la entrega de par, es decir, los impulsos de fuerza que el motor manda a la rueda, sean más uniformes, lo que se traducirá en una mejora de la adherencia, pero lo que nadie dice, es que este tipo de cigüeñal, tiene unas torsiones diferentes a los tipo flatplane de las otras marcas, lo que ha obligado a que sea más robusto y por consiguiente más pesado y por consiguiente con mas inercia, a demás para evitar vibraciones no deseadas se ha tenido que instalar un eje adicional de equilibrado que tampoco es que sea un sacrilegio. Resumiendo: Todo este derroche tecnológico está muy bien, pero yo no lanzaría las campanas al vuelo hasta ver los resultados de los bancos de potencia en cuanto a cifras de caballos de vapor o kilowatios y por supuesto las cifras de par, ya conocemos los datos de Honda y Kawasaki que para el año 2009 no cambian, estoy deseoso de ver las de la R1 y las de la GSXR 1000 K9, y comprobar como se comportan en circuito.

  2. solomono

    Gracias, por este articulo (espectacular) Mi email escribo del planeta Chile (ustedes llegan con mas de 6 meses de diferencia , la luz del sol a la tierra demora 8 minutos) Me gustaria que aparte de la grafica un video dinamico ,ayudaria a muchos duros (me incluyo, es una pena ser mononeuronal ) Pero recuerda Pepe , quieras ö no eres ese Sol motoquero que nos alumbra .

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