Korbowód wraz z tłokiem jest głównym obiektem zainteresowań entuzjastów tuningu, ponieważ jest to jeden z pierwszych elementów, które należy wymienić w celu zwiększenia wydajności silnika. Korbowody odgrywają w silnikach kluczową rolę, choć wielu przeciętnych kierowców prawdopodobnie nigdy ich nawet nie widziało. W dzisiejszym artykule omówimy funkcje, budowę, zastosowanie i produkcję korbowodów, jak również ich smarowanie.

Konstrukcja korbowodów

Korbowód stanowi połączenie między tłokiem a wałem korbowym, przekształcając ruch posuwisty (liniowy) w obrotowy. Konstrukcja korbowodu zależy głównie od średnicy czopu tłokowego i korbowego oraz ich wzajemnej odległości. Ważne jest, aby pamiętać, że przy określaniu długości korbowodu należy również uwzględnić kwestie związane z  przeciwwagą. Ponadto na wymiary korbowodu wpływa wielkość i częstotliwość naprężeń, a więc prędkość obrotowa. Na korbowód działa nie tylko nacisk tłoka wprawianego w ruch przez rozprężenie gazu, ale także siły masowe o przeciwnym zwrocie, których zmiana jest wykładniczo powiązana ze zmianą obrotów. Aby zrównoważyć te obciążenia, należy możliwie zredukować masę i utrzymywać stosunek masy do sztywności na jak najniższym poziomie. Starannego zaprojektowania wymaga również stopa korbowodu, której dzielenia można uniknąć wyłącznie w zamian za kosztowną i zajmującą dużo miejsca konstrukcję. Istotnym aspektem konstrukcyjnym jest to, aby po zdjęciu pokrywy stopy korbowodu, zespół tłok-korbowód można było wyciągnąć z cylindra bez uszkodzenia łożysk wału korbowego.

W zdecydowanej większości przypadków korbowody są łączone są z wałem korbowym za pomocą łożysk ślizgowych (panewek). Mocowanie półkolistych wkładek w dzielonych stopach korbowodów nie sprawia żadnych trudności. Łożyska toczne stosowane są powszechnie wyłącznie w silnikach dwusuwowych. Osadzanie czopu tłokowego jest konieczne tylko w modelach z tzw. czopem pływającym – w innych modelach jest on osadzony oporowo. Istnieją konstrukcje, różniące się znacznie od typowej konstrukcji korbowodu, w których ruch tłoków kilku cylindrów w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału korbowego musi zostać przeniesiony na czop korbowy.

Siły działające na korbowody

Korbowód jest obciążony bezwładnością wynikającą z siły rozprężającego się gazu, działającego na tłok, jak również przyspieszonym ruchem masy całego tłoka i korbowodu. Obciążenie wynikające z ciśnienia gazu – które osiąga najwyższą wartość w pobliżu górnego martwego punktu tłoka – przy wysokich obrotach można łagodzić. W przypadku samochodów osobowych efekt ten nie jest jednak zbyt znaczący, ponieważ montowane w nich silniki spalinowe mogą być dowolnie obciążane nawet przy niskich prędkościach obrotowych. Dlatego też efekt ten nie jest uwzględniany podczas wymiarowania silników samochodów osobowych.

Ogólnie rzecz biorąc, można stwierdzić, że dokładne określenie naprężeń nie jest możliwe, ponieważ naprężenia kumulują się w pewnych punktach. Na naprężenie elementu o danym przekroju wpływa nie tylko obciążenie i prędkość silnika, ale także wielkość masy działającej na ten element. Oznacza to, że naprężenie na trzonie korbowodu jest inne na stopie niż wokół główki, nawet jeśli trzon posiada jednakową geometrię na całej długości.
Z powyższego wynika, że teoretyczne wymiarowanie korbowodu jest tylko wskazówką, a jego wyniki są zwykle modyfikowane na podstawie wcześniejszych doświadczeń praktycznych. Mimo to istnieją obecnie symulacje MES, które bardzo dobrze przybliżają rzeczywiste naprężenia korbowodów. Informacje o podobnej dokładności można uzyskać za pomocą optycznych testów naprężeń korbowodów, polegających na tym, że obrabiany przedmiot wykonany z żywicy syntetycznej jest obciążany i oświetlany spolaryzowanym światłem, a uzyskany obraz dostarcza informacji o możliwym rozkładzie naprężeń.

Smarowanie korbowodu

Smarowanie główki korbowodu zazwyczaj nie jest szczególnie problematyczne. Wymiana oleju między powierzchniami stykowymi jest możliwa w silniku czterosuwowym dzięki pompowaniu go przez pompę olejową. Niewielkie ilości oleju są również magazynowane w rowkach tulei. Stopa korbowodu ma zwykle łożysko ślizgowe o zwartej masie i wymiarach. Taka konstrukcja jest stosowana, jeśli możliwe jest smarowanie ciśnieniowe. W przypadku braku takiej możliwości lub w ekstremalnie szybkich silnikach wyścigowych stosuje się łożyska toczne. Szczególną trudnością jest w takiej sytuacji to, że ich zastosowanie jest możliwe wyłącznie w przypadku dzielonego wału korbowego. Do łożyska korbowodu smarowanego ciśnieniowo olej dostarczany jest przez otwory w wale korbowym. Olej z łożyska trafia do czopu tłokowego przez otwór w tłoku przeciwległy do ściany cylindra.
Zaleca się smarowanie łożyska korbowego, jeśli olej jest wprowadzany do nieobciążonej części czopu korbowego. W tym celu konieczne jest dokładne poznanie stanu obciążenia czopów i łożysk. Obciążenie jest określane przez siły gazowe i masowe zależne od prędkości obrotowej wału korbowego.

Z czego produkowane są korbowody?

Klasyczną metodą produkcji korbowodów jest jednoczęściowe kucie matrycowe. W tej procedurze nie ma problemu z przygotowaniem trzonów o przekroju poprzecznym w kształcie litery „I”, „H” czy „T” z żebrem usztywniającym. Pozostałe na powierzchni zadziory są szlifowane w płaszczyźnie symetrii tak, aby pozostały tylko wzdłużne ślady obróbki. Następnie wykonywane są otwory na łożyska. Podobnie jak w przypadku tłoków, korbowody drukowane w technologii 3D są obecnie produkowane w znacznych ilościach.
Materiałem, z którego są wykonane jest stal, która może być łatwo uszlachetniona i ma dobre właściwości wydłużania. W przypadku silników o wyższych osiągach są one wykonane ze stali stopowych Cr-Mo-, Cr-V- i Ni, które można uszlachetnić – obecnie powszechne są również stale TWIP i TRIP. Ponadto istnieją również stopy Al-Cu-Mg. Aktualnie prowadzone są eksperymenty z korbowodami z tworzyw sztucznych.
Jeśli korbowód ma trafić do silnika o wysokich osiągach, to cała zewnętrzna powierzchnia jest ponownie obrabiana i polerowana, aby wyeliminować ryzyko pęknięcia.