Wał korbowy - wszystko co musisz o nim wiedzieć

W nowoczesnych silnikach wał korbowy jest niewidoczny poza przednim końcem, który wystaje z bloku silnika. Tu mocowane jest koło pasowe paska klinowego. Tylko jego obecność - i ruch wirowy - świadczą o tym, że "tam na dole" coś się dzieje. A przecież wał korbowy ma znaczenie fundamentalne dla całej koncepcji silnika tłokowego.

Dzięki niemu skok tłoka w cylindrze przekłada się na ruch obrotowy przez nacisk na dźwignię, czyli zamienia suwy tłoka na tworzenie momentu obrotowego. Aby jednak wszystkie tłoki wielocylindrowego silnika nie musiały się przemieszczać jednakowo, wykorbienia wału są wobec siebie przestawione kątowo.

W normalnym silniku czterocylindrowym przestawienie owo wynosi 180 st. Jednostki sześciocylindrowe, rzędowe, mają wykorbienia przestawione o 120 st., a ośmiocylindrowe silniki widlaste 90 st. W tych ostatnich znajdziemy jeszcze jedną ciekawostkę, a mianowicie na jednym czopie wykorbienia zamocowane są korbowody dwóch tłoków, przez co oszczędzić można zarówno na materiale, jak i długości wału korbowego, co przyczynia się do zwartości konstrukcji.

Prawidłowa odpowiedź - 180 st. Zadanie wału korbowego: Wraz z korbowodem przekształcić pulsacyjne i liniowe skoki tłoka "w dół" w równomierny ruch kołowy i ciśnienie rozprężania się gazów powstałych ze spalenia mieszanki popycha tłok "w dół". Z wyliczenia wyznacza się teraz siłę, jaka działa na korbowód. Siła ta przyłożona zostaje (to znaczy przeniesiona przez korbowód) na ramię dźwigni (czyli poprzez mocowanie korbowodu do czopu korbowego) i wytwarza moment obrotowy.

Sam taki pojedynczy ruch oznaczałby, iż silnik - a więc i samochód - wykonałby tylko jeden skok. Ale ponieważ wszystkie cylindry wedle swego porządku zapłonu, siłę powstałą z rozprężania gazów spalinowych przekazują tłokom, a dalej korbowodom i wykorbieniom wału, powstaje ciągły ruch obrotowy. Im więcej jest cylindrów, tym gładziej i równomierniej to się odbywa.

Oczywiście, istnieją też silniki jednocylindrowe, ale tu jednym z najważniejszych elementów jest koło zamachowe. Moment obrotowy, powstały na wykorbieniach wału, przekazywany jest po stronie zdawczej na koło zamachowe i sprzęgło, a potem dalej do skrzyni biegów i kół napędzanych.

Nie do wiary, co musi wytrzymywać wał korbowy. Bo z jednej strony ma do czynienia z siłami powstałymi w wyniku spalenia mieszanki w każdym cylindrze, a w doładowanych silnikach dieslowskich jest tego około pięciu ton na cylinder. Z drugiej zaś dochodzą do tego rosnące do kwadratu prędkości obrotowej siły masowej (bezwładności) samego wału, a przecież i korbowody też mają swoją masę. Jednocześnie z działaniem tych sił w pozostałych cylindrach następuje pokonywanie oporów, powstających przy sprężaniu - wszystko to jednocześnie i z potworną szybkością.

Wyobraźmy sobie to wszystko: w pierwszym cylindrze dokonuje się zapłon mieszanki, tłok przemieszcza się już "w dół" i mniej więcej w pół drogi naciska z największą siłą na korbowód, dokładnie w tym momencie, kiedy jego korbowód jest ustawiony pod kątem prostym do wykorbienia wału. Powstający w tym momencie moment obrotowy musi teraz być przeniesiony poprzez czop korbowy i łożyska główne do pozostałych wykorbień wału i do jego wyjścia zdawczego. W dodatku pojawiają się tu ogromne siły odśrodkowe, prowadzące do dalszych przeciążeń.

Cała konstrukcja silnika otacza wał korbowy. W klasycznym rzędowym silniku czterocylindrowym każdy korbowód ma swój "własny" czop wału korbowego. Sam wał jest podparty na pięciu łożyskach głównych. Aby wał korbowy nie mógł się przemieszczać wzdłuż swej osi, przynajmniej środkowe z łożysk głównych jest jednocześnie łożyskiem ustalającym.

Pomiędzy czopami łożysk głównych a czopami korbowymi jako połączenie stosuje się wykorbienia, zwane inaczej ramionami wału korbowego. Każde z wykorbień ma przynajmniej jedno ramię wydłużone na drugą stronę wału korbowego. To wydłużenie nazywa się przeciwwagą i stanowi element równoważący siłę bezwładności tłoków i korbowodów działającą na wał korbowy.

Właściwe wyważenie umożliwia bowiem miękką i równą pracę silnika. A potrzebna do tego jest najwyższa precyzja, bo każda wibracja - poza obniżeniem komfortu - powoduje skrócenie trwałości silnika. I tak dla przykładu ważący 15 kilogramów wał korbowy wyważa się w normalnym samochodzie z dokładnością do jednego grama. Czyni się to przez wiercenie drobnych dziurek w wykorbieniach i usuwanie odpowiedniej ilości materiału.

Mimo wszystko jednak dla mniejszych silników typowe są wibracje - praktycznie w całości odpowiedzialność za nie ponoszą właśnie siły masowe. Szczególnie w rzędowych silnikach czterocylindrowych można je zniwelować przez zastosowanie wałków wyrównoważających, napędzanych przez wał korbowy za pośrednictwem łańcuszków lub kół zębatych.

Niestety, ich zastosowanie zwiększa również opory wewnętrzne silnika, a więc zużycie paliwa. Zewnętrzne powierzchnie czopów łożyskowych są specjalnie hartowane, by uodpornić je na zużycie, ale co najmniej równie istotne jest ich prawidłowe smarowanie. W tym celu w wale korbowym, na całej jego długości, wykonuje się kanaliki olejowe, zasilane olejem tłoczonym przez pompę, zazwyczaj poprzez łożyska główne w miejscach podparcia wału. Wał korbowy "kąpie się" w oleju, obecnym w tzw. misce olejowej, stanowiącej dolną pokrywę bloku silnika, obejmującą końce wału korbowego.

Olej ten nie wypełnia miski olejowej, jest z niej tłoczony pompą do wszystkich fragmentów silnika, po czym samoistnie spływa do miski, gdzie proces zaczyna się od początku. Aby jednak olej się nie rozchlapywał i nie wydostawał poza silnik, na obu końcach wału korbowego stosuje się uszczelnienie. Zwykle są to pierścienie uszczelniające, czyli mówiąc najbardziej fachowo - a zarazem zrozumiale na całym świecie - simmerringi. Elementy te zużywają się z czasem i wówczas, jeśli nie zostaną wymienione, silnik ocieka olejem.

W silnikach o mniejszej mocy wał korbowy wykonuje się z tzw. żeliwa sferoidalnego. Żeliwo jest materiałem tanim i łatwym w obróbce, a odlewane zeń wały korbowe pracują bardzo spokojnie. Tak więc mimo wysokiej masy własnej są bardzo opłacalne. Tam jednakże, gdzie silnik ma wielką moc, w pojazdach wyczynowych, wały korbowe wykonywane są przez odkuwanie matrycowe. Tego typu produkcja jest o wiele droższa, ponieważ dalsza obróbka jest długotrwała.

Wał korbowy dla wyczynowych motocykli i samochodów wyścigowych składa się z pojedynczych elementów, z których każdy produkowany jest w prasie pod wysokim ciśnieniem. Zaletą tego bardzo drogiego rozwiązania jest możliwość stosowania łożysk tocznych, które są w stanie wytrzymać nawet dłuższy czas bez smarowania - kiedy na przykład pojazd się przewraca albo wykonuje jakieś ewolucje.

W normalnych pojazdach natomiast łożyska główne są ślizgowe i już po kilku sekundach bez smarowania przegrzewają się i zacierają. Dlatego też zapalenie się czerwonej kontrolki ciśnienia oleju na desce rozdzielczej należy traktować z najwyższą powagą - najlepiej zatrzymać samochód i zgasić silnik.

Tłum. Maciej Pertyński