Fuerzas de inercia del motor de motocicleta y equilibrio del cigüeñal

Publicado el: 14 de julio de 2026
Autor: Johnny LiuDirector ejecutivo de Dowway Vehicle
Pericia: Más de 20 años de experiencia en ingeniería de sistemas de propulsión para motocicletas, dinámica de motores de alto rendimiento e integración de chasis.
Tiempo estimado de lectura: 12 minutos
Público objetivo: Ingenieros de diseño de sistemas de propulsión, aficionados a las motocicletas, investigadores de ingeniería mecánica.

Nota de los autores

“Cuando construimos motocicletas, no intentamos destruir completamente las vibraciones. En cambio, aprendemos a darles forma. Equilibrar un motor monocilíndrico o bicilíndrico en paralelo siempre implica un compromiso. En esta publicación, desglosaremos la física básica de Fuerzas inerciales de primer orden (primarias), mira cómo se convierten en el Elipse de fuerza inercialy observemos las matemáticas que usamos para equilibrar Cigüeñal asimétrico configuraciones.”

— Johnny Liu, director ejecutivo de Dowway Vehicle

1. La física de la vibración del motor

Todo motor de combustión interna tiene piezas que vibran o giran. Cuando el pistón sube y baja, hace girar el cigüeñal. Este movimiento genera fuerzas que provocan la vibración de la motocicleta.

Para comprender estos temblores, dividimos las fuerzas en dos grupos principales:

Fuerzas de los gases: El empuje generado por la combustión del combustible dentro del cilindro.
Fuerzas de inercia: Las fuerzas creadas por las piezas de metal pesado que aceleran y desaceleran.

Aquí, nos centraremos únicamente en Fuerzas inerciales de primer orden (primarias). Estas fuerzas se producen exactamente a la misma velocidad que el cigüeñal giratorio (1x la velocidad del motor, representada como $\omega$).

2. Masas recíprocas frente a masas rotatorias

Antes de hacer cualquier cálculo, debemos dividir las partes móviles del motor en dos grupos según su modo de movimiento.

                  [ Piston Assembly ]  <-- Reciprocating Mass (m_rec)
                         |
                         | (Small-end)
                   [ Connecting Rod ]  
                         | (Big-end)
                         |
                  [ Crankshaft Web ]   <-- Rotating Mass (m_rot)

A. Masa puramente recíproca ($m_{rec}$)

Estas piezas se mueven hacia arriba y hacia abajo en línea recta a lo largo del cilindro:

El pistón, los segmentos del pistón y el bulón del pistón.
El extremo pequeño de la biela.
Aproximadamente 1/3 de la parte central (vástago) de la biela.

$$m_{rec} = m_{piston} + m_{pin} + m_{rings} + m_{rod\_small}$$

B. Masa puramente giratoria ($m_{rot}$)

Estas piezas giran en círculo alrededor del eje central principal del motor:

El pasador del cigüeñal.
El extremo grande de la biela y sus cojinetes.
Aproximadamente 2/3 de dólar del vástago de la biela.
Los contrapesos en las bielas del cigüeñal.

$$m_{rot} = m_{crankpin} + m_{rod\_big} + m_{webs}$$

¿Qué es una fuerza inercial de primer orden?

La fuerza inercial de primer orden ($F_{I1}$) es la principal fuerza de vibración en un motor que coincide con la velocidad del cigüeñal ($\omega$). La aceleración lineal de la masa recíproca ($m_{rec}$) crea esta fuerza a lo largo de la trayectoria del cilindro: $$F_{rec1} = m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \cos\theta$$

Aquí, $r$ es el radio de la manivela, $\omega$ es la velocidad de rotación del cigüeñal, y $\theta$ es el ángulo del cigüeñal desde el punto muerto superior (PMS).

3. La elipse de fuerza inercial de primer orden

Un motor monocilíndrico desequilibrado vibra intensamente a lo largo de su eje de cilindros. Para solucionar esto, colocamos contrapesos ($m_{cb}$) en el cigüeñal, en el lado opuesto al muñón de la manivela.

Si este peso equilibra una parte ($C$) de la masa recíproca, el contrapeso giratorio genera su propia fuerza: $$F_{cb} = C \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2$$

Podemos dividir esta fuerza de contrapeso en partes vertical ($y$) y horizontal ($x$), donde el eje $y$ apunta a lo largo del cilindro: $$F_{cb, y} = -C \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \cos\theta$$$$F_{cb, x} = -C \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \sin\theta$$

La fuerza de sacudida combinada

Cuando sumamos la fuerza de vibración de los pistones y la fuerza de los contrapesos, obtenemos las fuerzas netas que empujan sobre el bloque del motor: $$F_{net, y} = F_{rec1} + F_{cb, y} = (1 – C) \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \cos\theta$$$$F_{net, x} = F_{cb, x} = -C \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \sin\theta$$

Estas ecuaciones dibujan un elipse en el plano $xy$. Llamamos a esta forma la Elipse de fuerza inercial de primer orden.

Cómo el factor de equilibrio ($C$) cambia la forma de la elipse

Factor de equilibrio (dólares canadienses)	Fuerza vertical ($F_{net,y}$)	Fuerza horizontal ($F_{net,x}$)	Forma de la trayectoria de la fuerza	Caso de uso común
$C = 0$ (Sin saldo)	$1.0 \cdot m_{rec} r \omega^2$	$0$	Línea vertical recta	Inutilizable; provoca fuertes vibraciones verticales.
$0 < C < 0,5 $	Grande	Pequeño	Elipse vertical	Motores montados con soportes verticales flexibles.
$C = 0,5$ (Saldo del 50%)	$0.5 \cdot m_{rec} r \omega^2$	$0.5 \cdot m_{rec} r \omega^2$	Círculo perfecto	Punto de partida estándar para motores monocilíndricos.
$0.5 < C < 1.0 $	Pequeño	Grande	Elipse horizontal	Motores con cilindros horizontales.
$C = 1.0$ (Saldo del 100%)	$0$	$1.0 \cdot m_{rec} r \omega^2$	Línea recta horizontal	Convierte todas las vibraciones verticales en vibraciones horizontales.

Al cambiar $C$, no eliminamos la vibración. Simplemente cambiar su forma y dirección. Adaptamos esta forma de fuerza al cuadro de la bicicleta para que el ciclista sienta menos vibraciones.

4. El mundo real: equilibrado asimétrico del cigüeñal

En los libros de texto, los lados izquierdo y derecho de un cigüeñal se ven exactamente iguales. En las fábricas reales, casi nunca es así.

       [Left Crank Web]      [Conrod]      [Right Crank Web]
       +--------------+        | |         +--------------+
       |              |        | |         |              |
       |  Alternator/ |========| |=========|   Primary    |
       |  Magneto Side|   [Crankpin]       |  Drive Side  |
       |              |                    |              |
       +--------------+                    +--------------+
              |                                   |
        Shorter/Lighter                     Thicker/Heavier

Por qué las partes son diferentes:

Límites de espacio: El lado izquierdo debe alojar el alternador. El lado derecho debe soportar los pesados engranajes y embragues. Esto hace que los ejes tengan longitudes y grosores diferentes.
Peso desequilibrado: La forma física y el peso de las estructuras metálicas izquierda y derecha son diferentes.
Movimientos de balanceo (parejas): Dado que los volantes izquierdo y derecho se encuentran a distancias diferentes de la línea central ($a_L \neq a_R$), cualquier diferencia en su peso hace que el motor se tuerza y se balancee.

Para evitar que el motor gire de lado a lado, debemos calcular los pesos exactos ($m_{cb,L}$ y $m_{cb,R}$) y los ángulos ($\alpha_L$ y $\alpha_R$) para ambos lados por separado.

5. Modelado matemático del equilibrado asimétrico del cigüeñal

Vamos a configurar una cuadrícula 3D donde:

El Centro ($O$) es donde la línea del cilindro cruza el eje de giro del cigüeñal.
El $Y$-eje sube en línea recta a lo largo del cilindro.
El $X$-eje se mueve de lado a lado (horizontal).
El $Z$-eje va a lo largo del cigüeñal.

Dejar:

Sean $a_L$ y $a_R$ las distancias desde el centro ($z=0$) hasta las bielas izquierda y derecha.
Sea $m_{rec}$ el peso del pistón en la línea central.
Sea $m_{rot,pin}$ el peso de giro del pasador del cigüeñal y del extremo grande de la biela.
Sean $m_{cb,L}$ y $m_{cb,R}$ los contrapesos en las nervaduras izquierda y derecha, en los radios $r_L$ y $r_R$.
Sean $\alpha_L$ y $\alpha_R$ los ángulos de los pesos con respecto a la dirección opuesta al pasador del cigüeñal ($180^\circ$).

                      Y (Cylinder Centerline)
                       ^
                       |     Piston
                       |      [ ]
                       |       |
                       |       | Conrod
                       |       |
                       +-------*-------> Z (Crankshaft Axis)
                     / O      Crankpin
                    /
                   v
                  X (Horizontal Axis)

Para evitar que el motor vibre hacia arriba, hacia abajo o se retuerza, resolvemos estas ecuaciones juntos:

I. Equilibrio de fuerzas en las direcciones $Y$ y $X$

La suma de todas las fuerzas hacia arriba, hacia abajo y hacia los lados debe coincidir con nuestro factor de equilibrio objetivo:$$\sum F_y = \left( m_{rec} \cdot r – m_{cb,L} \cdot r_L \cos\alpha_L – m_{cb,R} \cdot r_R \cos\alpha_R \right) \omega^2 \cos\theta + \left( m_{cb,L} \cdot r_L \sin\alpha_L – m_{cb,R} \cdot r_R \sin\alpha_R \right) \omega^2 \sin\theta = (1 – C) \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \cos\theta$$$$\sum F_x = \left( m_{cb,L} \cdot r_L \cos\alpha_L + m_{cb,R} \cdot r_R $$ \cos\alpha_R + m_{rot,pin} \cdot r \right) \omega^2 \sin\theta + \left( m_{cb,L} \cdot r_L \sin\alpha_L – m_{cb,R} \cdot r_R \sin\alpha_R \right) \omega^2 \cos\theta = -C \cdot m_{rec} \cdot r \cdot \omega^2 \sin\theta$$

Estas ecuaciones deben funcionar para cada ángulo de manivela $\theta$. Esto significa que podemos simplificarlas en dos reglas claras: $$m_{cb,L} \cdot r_L \cos\alpha_L + m_{cb,R} \cdot r_R \cos\alpha_R = C \cdot m_{rec} \cdot r + m_{rot,pin} \cdot r$$$$m_{cb,L} \cdot r_L \sin\alpha_L – m_{cb,R} \cdot r_R \sin\alpha_R = 0$$

II. Equilibrio de fuerzas de torsión (momentos)

Debido a que los lados izquierdo y derecho se encuentran a distancias $a_L$ y $a_R$ del centro, cualquier fuerza descentrada intentará torcer el motor. Evitamos que el motor se tuerza con estas ecuaciones: $$\sum M_x = \left( m_{cb,L} \cdot r_L \cdot a_L \cos\alpha_L – m_{cb,R} \cdot r_R \cdot a_R \cos\alpha_R \right) \omega^2 \cos\theta = 0$$$$\sum M_y = \left( m_{cb,L} \cdot r_L \cdot a_L \sin\alpha_L + m_{cb,R} \cdot r_R \cdot a_R \sin\alpha_R \right) \omega^2 \sin\theta = 0$$

Resolver estas ecuaciones nos indica el peso exacto ($m_{cb,L}, m_{cb,R}$) y el ángulo ($\alpha_L, \alpha_R$) que necesitamos para cada lado.

6. Aplicación práctica en vehículos Dowway

En Dowway Vehicle, diseñamos el motor y el chasis juntos. Damos forma al Elipse de fuerza inercial de primer orden para que coincida con el chasis de la bicicleta:

Chasis verticales rígidos (motos deportivas): Estos bastidores son muy rígidos verticalmente, pero tienen cierta flexibilidad lateral. Ajustamos el factor de equilibrio a $C \approx 0,60 \text{ a } 0,65$. Esto reduce la vibración vertical y desplaza la energía hacia los lados, donde los soportes de goma del motor pueden absorberla.
Bastidores horizontales rígidos (cruceros): Estos bastidores son rígidos de adelante hacia atrás. Aquí usamos $C \approx 0,45 \text{ a } 0,50$. Esto produce un agradable pulso ascendente y descendente (el “latido” del motor) pero evita que la moto se balancee.

7. Próximos pasos y vista previa de la Parte 2

Manejar las fuerzas inerciales de primer orden es solo el primer paso para un motor suave. Al comprender las Elipse de fuerza inercial y pasos de cálculo para Cigüeñales asimétricosLos ingenieros pueden evitar el desgaste prematuro del motor y lograr que la moto sea muy agradable de conducir.

En Parte 2Analizaremos detenidamente lo siguiente:

Fuerzas inerciales de segundo orden (secundarias) causado por el ángulo de la biela.
Configuraciones de ejes de equilibrado de doble eje.
Doblado del cigüeñal a partir de la presión de combustión del cilindro.

¿Tienes preguntas sobre los factores de equilibrio o las fórmulas de equilibrado del motor? Deja un comentario a continuación o ponte en contacto con nuestro equipo de ingeniería en Dowway Vehicle.

8. Preguntas frecuentes: Fuerzas de inercia del motor y equilibrio

P1: ¿Por qué no podemos equilibrar completamente un motor monocilíndrico solo con contrapesos en el cigüeñal?

A1: Porque un solo peso gira en círculo mientras que el pistón se mueve en línea recta. Un contrapeso giratorio puede anular el movimiento vertical del pistón, pero al oscilar lateralmente, genera una nueva vibración horizontal del mismo tamaño. En definitiva, solo se cambia la dirección de la vibración, no se elimina.

P2: ¿Por qué los ingenieros utilizan bielas asimétricas?

A2: Para que quepa dentro de carcasas de motor estrechas, evitando que el motor se tuerza. Los distintos componentes situados a ambos lados de la carcasa del motor requieren formas diferentes. El diseño de contrapesos asimétricos ayuda a compensar estas diferencias de forma, evitando que el motor se balancee de lado a lado.

P3: ¿La longitud de la biela modifica las fuerzas de inercia de primer orden?

A3: No, la longitud de la varilla no afecta en absoluto a las fuerzas de primer orden. Las fuerzas de primer orden dependen únicamente del peso del pistón ($m_{rec}$), el radio de carrera del cigüeñal ($r$) y la velocidad del motor ($\omega$). La longitud de la biela solo afecta fuerzas de segundo orden, de lo cual hablaremos en la Parte 2.

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