De eenvoud van een ééncilinder?

Een mono heeft maar één zuiger, één cilinder en twee of vier kleppen (soms vijf). Dat bouwt lekker licht en compact. Dat zorgt voor een lichte motorfiets, die gemakkelijk te hanteren is. En omdat er veel minder onderdelen in zitten dan in een viercilindermotor, is zo’n motor ook veel goedkoper te maken, ook als de cilinderinhoud groot is. Maar dat is blijkbaar uit de mode. Het ruige karakter van de dikke stampers wordt niet meer gewaardeerd en is waarschijnlijk ook lastiger door de geluidskeuring te krijgen. Dat heeft alles te maken met de techniek: een ééncilinder viertaktmotor heeft vier ‘takten’ of slagen: de inlaatslag, de compressieslag, de arbeidsslag en de uitlaatslag. Daar doet zo’n mono twee krukasomwentelingen over. Er is dus slechts elke 720 graden een verbrandingsklap. Bij een tweecilinder is dat elke 360 graden, bij een viercilinder elke 180 graden. Bij dezelfde cilinderinhoud en hetzelfde toerental kan geeft een eencilinder dus viermaal zo weinig en veel hardere klappen als een viercilinder en dat is veel lastiger tot gehomologeerde proporties terug te dempen. 

Onbalans

De dikke, intermitterende klappen zijn niet het enige probleem van de ééncilinder. Een ééncilinder heeft verhoudingsgewijs een grote boring – zeg maar de diameter van de zuiger – en een grote slag – de afstand waarover de zuiger op en neer gaat. Dat resulteert dus in een forse zuiger die op en neer staat te stampen. Om de bewegingsrichting van de zuiger in het bovenste dode punt (BDP) of onderste dode punt (ODP) om te keren moet de zuiger eerst worden vertraagd (een negatieve acceleratie) tot hij stilstaat. Vandaar ook de naam ‘dode punt’. Dan wordt hij weer versneld (een positieve acceleratie). Daar is een kracht voor nodig, die evenredig is met de versnelling of vertraging en de massa van het voorwerp: F=m.a. Die kracht wordt geleverd door de krukas, via de drijfstang. De krukas moet zich daarvoor ‘afzetten’ tegen de motorbehuizing. De zuiger krijgt in het BDP dus een klap naar beneden, het motorblok krijgt daardoor via de krukas een even grote klap omhoog. In het onderste dode punt (ODP) gebeurt hetzelfde, maar dan in omgekeerde richting. Het motorblok zit vast in het frame en geeft de klappen daar weer aan door. Zonder tegenmaatregelen zou je dat goed voelen!

De krukas

Behalve de op en neer gaande beweging van de zuiger – ook wel translerende beweging genoemd – is er nog een beweging die onbalans veroorzaakt: de rotatie van de krukas zelf. De kruktap, waaraan het grote deel van de drijfstang zit (het zogenaamde ‘big-end’), zit niet in het hart van de draaibeweging. Logisch, anders zou het geen slagbeweging veroorzaken. Maar omdat het gewicht van deze kruktap niet in het midden zit, veroorzaakt die bij het draaien van de krukas een centrifugaalkracht, die ook als onbalans voelbaar is. Dan speelt ook de drijfstang zelf nog een rol in de onbalans. Het onderste deel van de drijfstang volgt namelijk de roterende beweging van de krukas, terwijl het bovenste deel meedoet met de translerende beweging van de zuiger. Die gewichten moeten dus ook worden meegenomen in het herstel van de balans.

Balanceren

De roterende en translerende onbalans kun je tegengaan door een extra gewicht op de krukwang aan te brengen, recht tegenover de kruktap zelf. Of, zoals KTM het bij de EXC450 doet, door gewicht naast de kruktap weg te laten uit volledig ronde krukwangschijven. Geven de zuiger en de kruktap een klap omhoog, dan geeft het contragewicht van de krukwang een klap omlaag. En omgekeerd. Zo is er een mooi krachtenevenwicht, zodat de krukas zich niet tegen het motorblok hoeft af te zetten en is de trilling in de bewegingsrichting van de zuiger opgeheven. Helaas beweegt het contragewicht op de krukwang niet alleen omhoog en omlaag, maar ook naar voren en naar achter. Voor de roterende onbalans is dat niet erg, want daarvan werken zowel de onbalans van de kruktap als het contragewicht altijd in hetzelfde vlak. Die heffen elkaar dus bij elke stand van de krukas op. Voor de translerende onbalans is het een ander verhaal. Het balansgewicht, dat je ter compensatie van het zuigergewicht op de krukwang hebt aangebracht, geeft halverwege elke slag een onbalans dwars op de bewegingsrichting van de zuiger. Zou je het gewicht van zuiger voor de volle 100% met een balansgewicht op de krukas compenseren, dan krijg je daarvoor in de plaats een 100% horizontale onbalans terug. 

Balansassen

In de praktijk kun je de onbalans van de zuiger maar voor 50% opheffen. Daar krijg je dan 50% horizontale onbalans voor terug en dat is comfortabeler dan 100% in één richting. Wil je de trillingen helemaal opheffen, dan is er een aparte balansas nodig, waarop je de andere 50% van het onbalansgewicht zet. Je laat die as tegen de draairichting van de krukas in draaien. In verticale richting werkt die balansas met het contragewicht van de krukas mee om de onbalans van de zuiger op te heffen. In horizontale richting werkt de balansas het contragewicht tegen en heft zo de horizontale onbalans op. Althans, bijna, want de balansas is natuurlijk naast de krukas geplaatst. De krachten van de balansgewichten hebben daardoor een hefboomwerking ten opzichte van de krukas en dat geeft een eigen onbalans. Dat kun je oplossen door twee balansassen te gebruiken, waarvan er één voor en één achter de krukas is gemonteerd. Beide krijgen 25% van het onbalansgewicht. Samen heffen ze nu de totale onbalans op, terwijl ze elkanders hefboomwerking tegen gaan.

Secundaire onbalans

Naast de roterende en translerende balans is er nog een fenomeen dat onbalans veroorzaakt, namelijk het feit dat de drijfstang ‘schuin’ of diagonaal gaat staan als de kruktap uit het BDP wegdraait. Daardoor wordt de verticale afstand tussen de zuiger en de kruktap korter, terwijl het omgekeerde gebeurt als de zuiger in de richting van het ODP gaat. En hetzelfde gebeurt nog een keer als de zuiger van het ODP naar het BDP gaat. In elke krukasomwenteling wordt de verticale zuiger-kruktapafstand dus tweemaal korter en weer langer. Dit veroorzaakt dus tweemaal per krukasomwenteling een extra versnelling en vertraging, die een ‘secundaire’ onbalans oplevert. De grootte daarvan hangt af van de lengte van de drijfstang en de lengte van de kruktap, want die twee maten bepalen hoe schuin de drijfstang gaat staan. Hoe langer de drijfstang, hoe kleiner de secundaire onbalans. Maak je ze lang genoeg, zoals Voxan vroeger deed, dan heb je geen secundaire balansas nodig. Kies je wel voor een secundaire balansas, dan moet die met tweemaal het krukastoerental draaien. En ook hier zijn twee balansassen beter dan één: door ze tegen elkaar in te laten draaien, kun je de hefboomkrachten, die door de balanceerkrachten ontstaan, opheffen. Je merkt het: zo’n mono lijkt de eenvoud zelve, maar er zit wel een hoop denkwerk in.