Korbowody – Łatwe zadanie, trudne życie

Wiecie już, co powinien robić korbowód, ale jest jeszcze kilka rzeczy, których korbowód robić nie powinien. Przede wszystkim, co wydaje się oczywiste, nie powinien pękać i łamać się, a także nadmiernie odkształcać i rozciągać. Niemniej jest to swego rodzaju wyzwanie, bo w tym mechanicznym pogo na korbowód działają spore siły ciśnienia gazów oraz bezwładności tłoka i wału korbowego. W niektórych momentach mają one charakter uderzeniowy, a więc siła działająca na korbowód rośnie gwałtownie. W zależności od silnika, siły te są różne.

Już sama redukcja wagi tłoków ułatwia korbowodom życie i umożliwia zastosowanie ich lżejszych wersji

Na wzrost obciążenia korbowodu wpływają m.in. wysoki stopień sprężania, duży skok tłoka, jego waga i maksymalne obroty silnika. Przykładowo, odchudzenie tłoka o 100 gramów zmniejsza siłę bezwładności o ok. 10%. Natomiast zmniejszenie obrotów, np. z 9000 do 8000 zmniejsza tę siłę aż o 21%! Nie oznacza to jednak, że korbowody nie są w stanie wytrzymać wysokich obrotów, wysokiego sprężania czy długiego skoku tłoka. Te obecnie stosowane robią to bez problemu, choć i wśród nich wymienia się słabsze i mocniejsze.

Żelazo nie klęka

W przeciwieństwie do tłoków, korby występują w odmianie stalowej, i to najczęściej. Obecnie na palcach obu rąk można policzyć motocyklowe silniki, w których seryjnie montowane są korbowody inne niż stalowe. Do produkcji używa się zazwyczaj stali średniowęglowej, o zawartości węgla od 0,3 do 0,5 %, lub stali chromo-molibdenowej (Cr-Mo). Taka stal jest odpowiednio twarda do użytku w silniku i nie jest krucha. Dzięki temu cechuje się wysoką odpornością na rozciąganie, pękanie i zginanie. Do tego stalowe elementy nie są podatne na zmęczenie materiału.

W niektórych fragmentach korbowodu, jak stopa czy główka, znajdują się kanały, przez które przepływa olej

Zazwyczaj uszkodzenie takiej korby wynika ze zużycia innych elementów, jak tłok, panewki czy łożyska. Kolejną zaletą stali jest niska rozszerzalność cieplna, co znacząco podnosi trwałość panewek/łożysk oraz wału korbowego i eliminuje ryzyko spotkania tłoka z zaworami. A przynajmniej nie nastąpi ono z winy spuchnięcia korbowodu. 

Wysokie osiągi to także obciążenie dla śrub, które mogą się rozciągać. Dlatego tak ważne są ich pomiar i siła dokręcenia

Co ciekawe, obecnie nie spotyka się już korb odlewanych. Od większości chińskich, po najdroższe markowe konstrukcje, rządzą elementy z kutej stali. Struktura tak obrobionego materiału jest nie tylko bardziej skupiona, ale też ziarna ułożone są w tym samym kierunku. Zwiększa to wytrzymałość względem odlewu, a także zmniejsza masę. A masa korbowodu ma bardzo duży wpływ na osiągi silnika, jego szybkobieżność i kulturę pracy, spalanie oraz wytrzymałość. 

Kucie to nie wszystko

Większość z nas przywykła jednak do hasła „kute korbowody” jako do czegoś egzotycznego, drogiego i wyczynowego. I rzeczywiście, na rynku znajdziemy drogie, kute korbowody określane jako tuningowe. O co więc chodzi, skoro fabryczny, również kuty element jest dużo tańszy od tuningowego? O budowę. Seryjne korbowody mają przekrój dwuteowy, przypominający dwie litery T złączone podstawami. Te wyczynowe, drogie podzespoły mają najczęściej przekrój H, ale zdarzają się też X i inne, które dają większą sztywność i wytrzymałość. Jednak przy okazji zwiększają też komplikację konstrukcji, bo taki podzespół wymaga bardziej pracochłonnej obróbki skrawaniem. 

Nie każdy korbowód jest skręcany. W jednocylindrówkach zazwyczaj jest wciskany między przeciwwagi, a zamiast panewek są łożyska

Najbardziej egzotycznym typem stalowego korbowodu jest wycinany z jednego kawałka kutej stali. Dzięki takiej obróbce struktura materiału jest znacznie równiejsza, a więc rośnie wytrzymałość. Wycinane korby nie zagrzały jednak miejsca na motocyklowym rynku. Przede wszystkim przez wysoką cenę i niewielkie korzyści, jakie za nią idą.

Aluminium się nie przebiło

Inną egzotyką w silnikach są korby aluminiowe, które w motocyklach właściwie nie są spotykane. Choć jest to materiał ponad trzy razy lżejszy, to jest też dwa razy słabszy od stali. Przez to, by osiągnąć odpowiednią wytrzymałość, te części muszą być wyjątkowo masywne. Do tego są bardzo podatne na rozszerzalność temperaturową. Przez to montaż takich korb wymaga precyzyjnego ustawienia tłoka i odległości od głowicy, żeby wykluczyć ryzyko kolizji z zaworami. Ponadto odporność na rozciąganie aluminium jest dużo niższa niż stali, więc trzeba stosunkowo często kontrolować, czy przypadkiem korbowód nadmiernie się nie rozciągnął.

Trwałość korbowodu zależy od wielu czynników. Wyrobione sworznie tłokowe, łożyska czy panewki powodują powstanie zbyt dużych obciążeń, co prowadzi do wygięcia lub tzw. wyjścia bokiem – czyli po prostu dewastacji silnika

Inna niedogodność aluminium to szybkie zmęczenie materiału, prowadzące do urwania się korbowodu. W części stalowej nie uświadczycie tego zbyt często. Aluminiowe korby mają też jednak zalety. Oprócz bardzo niskiej wagi i dobrego tłumienia szarpnięć należy dodać wysoką wytrzymałość poprzeczną, co jest istotne przy bardzo wysokich ciśnieniach, np. w silnikach doładowanych. Przez to jedyne zastosowanie takich korbowodów to bardzo mocno wyżyłowane silniki do sprintów, które są regularnie sprawdzane.

Delikatny siłacz

Znacznie lepszą (i większą) inwestycją niż aluminiowe, są kute korby tytanowe. Swoją wytrzymałością dorównują najlepszym korbowodom stalowym, ale są od nich średnio o ok. 1/4 lżejsze. Są natomiast nawet czterokrotnie droższe. Bierze się to z bardzo uciążliwej obróbki, wymagającej specjalistycznych narzędzi oraz wysokiej klasy specjalistów. Do tego tytan ma bardzo wysoki współczynnik tarcia i pod dużym naciskiem między dwoma metalami tworzy się zjawisko przypominające spawanie, choć bez trwałego połączenia – po prostu na powierzchni tytanu tworzą się ubytki.

Tytanowe korbowody, choć wytrzymują ogromne siły, będąc poza silnikiem wymagają specjalnej troski

Dlatego tytanowe korbowody muszą być pokrywane powłokami ograniczającymi tarcie. Inną niedogodnością jest konieczność obchodzenia się z tytanowymi korbami jak z jajkiem. Struktura materiału jest bowiem wrażliwa na wszelkie skazy i głębsze zarysowanie elementu potrafi go znacząco osłabić. 

W zamian za te niedogodności otrzymujemy połączenie wagi aluminium z wytrzymałością i gabarytami stalowego korbowodu. Z tego względu jest to bardzo popularne rozwiązanie w sporcie wyczynowym, ale tytanowe korby pojawiają się także w seryjnych motocyklach. Pierwszym z nich była Honda RVF750 RC30, a dziś również spotkamy je m.in. w Hondzie CBR1000RR-R Fireblade czy Ducati Panigale V4 R. Jednak w użytku codziennym, czy nawet w amatorskim motorsporcie, stal wciąż ma wiele do zaoferowania i dlatego była, jest i prawdopodobnie dalej będzie najpopularniejszym materiałem na korbowody.

Zdjęcia: Ducati, KTM, BMW, Wiseco, Archiwum autora